UN f ISICO ICONOCLASTA pER UNA TEORIA MOLTO MISTERIOSA
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PROLOGO
UN FISICO ICONOCLASTA
PER UNA TEORIA
MOLTO MISTERIOSA
Ciò che state per fare è pericoloso. Addentrarsi nelle
stranezze del mondo quantistico è un viaggio fanta-
stico dal quale non si esce indenni.
È un mondo in cui gatti misteriosi sono nello stes-
so tempo vivi e morti, e arguti topolini fanno esistere
la luna semplicemente osservandola, un mondo in cui
alcune interazioni si compiono al di fuori dello spazio
e del tempo e una cosa può essere in due posti diversi
nello stesso istante o spostarsi da un luogo all’altro senza
passare per alcun punto intermedio…
È anche un mondo in cui tutto è soltanto proba-
bilità e onde immaginarie, e la materia si rivela essere
soltanto vibrazioni effimere in perpetua ri-creazione, in
3Una giornata con SCHRÖDINGER
«felice
Il momento più
di una vita
cui ciò che abbiamo mal defi-
nito «vuoto» è pieno di un’e-
umana è la partenza nergia prodigiosa e l’infinita-
verso una terra mente piccolo si aggroviglia
sconosciuta. » con l’infinitamente grande,
un mondo in cui gli universi
Dal diario di sir Richard
paralleli si moltiplicano a vo-
Francis Burton
lontà e l’assurdo va a braccet-
to con il divino…
Pura costruzione intellettuale per amanti dei lin-
guaggi astratti? Bizzarria matematica per appassionati di
interrogazioni metafisiche? Eccentrica teoria scientifica al
confine tra filosofia e follia? Molti sarebbero tentati di ri-
spondere di sì, se il potere predittivo di questa teoria non si
fosse rivelato tanto potente quanto rivoluzionario. Perché,
per quanto sembri ammantarsi d’insensatezza, la fisica
quantistica ha il supporto di un’ampia verifica sperimen-
tale, e tuttavia conserva aspetti sconcertanti, in particolare
quando si tratta delle interazioni fra luce e materia.
La fisica dei quanti non è però una bellezza nasco-
sta che riserva i suoi enigmatici splendori agli esploratori
del mondo microscopico. Senza che ce ne accorgiamo, è
presente in quasi ogni gesto della nostra vita quotidiana:
quando scorriamo le dita sullo smartphone, quando pic-
chiettiamo sulla tastiera del computer e in generale ogni
volta che usiamo dispositivi con componenti elettronici.
Senza la fisica quantistica, non potremmo comprendere
il funzionamento dei diodi e dei transistor, quindi non
4PROLOGO
avremmo circuiti integrati, microprocessori o memorie
flash. Senza la fisica quantistica, non ci sarebbe onda di
materia, quindi niente orologi atomici né GPS. Niente
laser né treni a levitazione magnetica, niente immagini
mediche ultraprecise né comunicazione ultrasicura.
E un domani, quando voteremo, useremo la carta
di credito, ci vestiremo, ci sposteremo sulla Terra o nello
spazio… il nostro ambiente sarà costellato di dispositivi
che la fisica quantistica ha permesso di creare in labora-
torio: dal computer quantistico al teletrasporto quanti-
stico, passando per i nuovi materiali come il grafene e i
nanotubi di carbonio.
Ma c’è di più: ricerche recenti hanno infatti dimostra-
to l’esistenza di effetti quantistici negli organismi viventi
(nelle piante, per esempio, durante la fotosintesi, o negli
occhi di certi uccelli migratori), un ambito finora escluso
in ragione della sua estrema complessità, ritenuta inconci-
liabile con la preservazione di un fenomeno fragile come
la coerenza quantistica. Perfino la coscienza, o almeno la
trasformazione dell’informazione in acquisizione consa-
pevole da parte della mente umana, sembra oggi sul punto
di essere correlata a interazioni di natura quantistica.
Sì, senza dubbio, come sottolinea il fisico Steven
Weinberg, «il giorno in cui si scopre la fisica quantistica,
non si è più gli stessi». È dunque a un viaggio straordi-
nario – nel significato etimologico di fuori dall’ordina-
rio – che questo libro vi invita.
5Una giornata con SCHRÖDINGER
Erwin Schrödinger nel 1940, all’età di 53 anni.
E chi meglio di Erwin Schrödinger (1887-1961),
fra tutti i principali scopritori e artefici di questa teo-
ria, potrebbe farci da guida? È certo meno conosciuto
di Planck, Einstein o Feynman, forse meno visionario di
Bohr, De Broglie o Pauli, di sicuro meno precoce di Dirac,
Von Neumann o Heisenberg… – niente panico: se questi
nomi non vi dicono nulla, avete in mano il libro che fa
per voi – ma tutta la vita e l’opera di Erwin Schrödinger
sono all’insegna della fisica quantistica.
Di età intermedia fra le due generazioni di fisici che
si sono confrontate alla nascita della fisica quantistica,
6PROLOGO
egli ha avuto un ruolo in quasi tutte le sue tappe cruciali:
ha formulato l’equazione fondamentale di questa teoria
(l’equazione di Schrödinger, appunto, la cui soluzione è
all’origine delle principali applicazioni tecnologiche at-
tuali); ha realizzato la sintesi fra le due principali versio-
ni della teoria, la meccanica delle matrici di Heisenberg,
Born e Jordan e la meccanica ondulatoria da lui stesso
formulata alla luce dei lavori del francese Louis de Bro-
glie; ha criticato l’interpretazione standard della teoria,
attraverso il celebre esperimento del gatto vivo e morto
e l’introduzione, insieme al suo amico Albert Einstein,
della fondamentale nozione di entanglement o corre-
lazione quantistica; ha perseguito l’ostinata – ancorché
infruttuosa – ricerca di una superteoria che unificasse i
due grandi pilastri della scienza moderna, la fisica quan-
tistica e la teoria della relatività; si è dedicato con pas-
sione alla filosofia e ai nessi fra scienza e spiritualità, e
infine ha aperto la strada a quello che, ventiquattro anni
dopo, sarebbe divenuto il campo rivoluzionario della
biologia quantistica.
E se Erwin Schrödinger fu iconoclasta nel suo
approccio alle scienze, altrettanto lo fu nelle relazioni
amorose, nelle amicizie e nelle scelte di vita. Spirito
libero, insofferente di ogni convenzione, ha segnato
in profondità la scienza del suo tempo e ne ha scosso
non poco le coscienze. La sua opera scientifica e filoso-
fica non smette di essere riscoperta e rivalutata, come
se solo il tempo potesse rivelarne appieno la portata
rivoluzionaria.
7Una giornata con SCHRÖDINGER
«Inventare significa pensare di lato», diceva Ein-
stein. Quale migliore esempio della vita e dell’opera di
Schrödinger, per far luce nel grande libro della fisica
quantistica?
8Capitolo 1
PRELUDIO AL VIAGGIO
La fisica quantistica in tre parole e dieci domande!
«Non occorre costruire un labirinto, l’Universo lo è
già», osservava il poeta argentino Jorge Luis Borges. Que-
sto primo capitolo vuol essere il filo d’Arianna delle vo-
stre peregrinazioni quantistiche: diario di bordo e insie-
me invito al viaggio, che riassume le nozioni e i princìpi
esposti e sviluppati nelle pagine che seguiranno.
Alcune risposte, immediate e concise, alle doman-
de che certo vi ponete su questa affascinante teoria: di
che cosa tratta la fisica quantistica? Quali sono i suoi
princìpi? In che cosa differisce dalle altre teorie? Perché
la luce vi riveste un ruolo importante? Che cosa significa
la parola quantistico?
Questo capitolo ha anche l’obiettivo di immer-
gervi subito in questa fantastica teoria e permettervi di
9Una giornata con SCHRÖDINGER
«è prima
Ogni viaggiatore
di tutto un
rispondere con tre parole
o poco più al vostro vicino
sognatore. » di metropolitana, che vi
domanda con insistenza
Bruce Chatwin, In Patagonia
che cosa sia questa famo-
sa «fisica quantistica». È
chiaro che, se siete già in grado di rispondergli, potete
passare al capitolo 2. Se invece l’evocazione di certi
termini tecnici o di nomi di scienziati austriaci per-
digiorno vi disorienta, non abbiate paura: le righe se-
guenti dovrebbero aiutarvi a tracciare qualche segna-
via sul cammino.
Precisiamo fin d’ora che non si tratta di voler ar-
rivare in vetta all’Everest quantistico: l’idea generale è
equipaggiarvi per raggiungere il primo campo base, of-
frendovi strumenti che vi permettano di proseguire in
autonomia la vostra ascensione alla parete nord.
Ma, intendiamoci, non si tratta nemmeno di to-
gliervi l’ineffabile piacere di comprendere cose difficili!
Se alcune semplificazioni e analogie, per forza approssi-
mative, sono previste, nondimeno l’avventura richiederà
da parte vostra attenzione, desiderio e un po’ di fatica.
Come recita la massima che l’attore-poeta Jacques Gam-
blin ama condividere, «Senza fatica, non c’è guadagno.
Desiderio, gioco, gioia!».
10PRELUDIO AL VIAGGIO
LA FISICA QUANTISTICA
IN TRE PAROLE
Così come Einstein ha dimostrato che tutto è ener-
gia – con la celebre formula E=mc² derivata dalla teoria
della relatività – l’essenza della fisica quantistica si po-
trebbe riassumere in tre sole parole:
«Tutto è vibrazione!»
Tutto è vibrazione, tutto è «onda». Come quelle
che increspano la superficie dell’acqua colpita da un sas-
solino o attraversano un campo di grano mosso dal ven-
to, o quelle prodotte da uno strumento musicale. Ma, a
differenza di queste onde fisiche che incontriamo tutti i
giorni, le onde quantistiche non sono né materiali (come
quelle sonore) né visibili (come quelle luminose), e non
sono osservabili con alcun mezzo. Sono onde astratte
che appartengono a un altro mondo, un mondo mate-
matico immaginario, che tuttavia produce effetti fisici
sul nostro.
Com’è possibile? Qual è il legame fra questi due
mondi? Qual è la natura del legame fra quel mondo
astratto e il mondo reale che ci circonda?
Questo insieme di problemi, complesso e destabi-
lizzante, ha portato gli scienziati a rivedere il concetto di
misura, a comprendere in profondità che cosa significhi
osservare, e con ciò a ridefinire la nozione stessa di realtà.
11Una giornata con SCHRÖDINGER
LA FISICA QUANTISTICA
IN DIECI DOMANDE
1. QUANDO E PERCHÉ È STATA CONCEPITA LA FISICA
QUANTISTICA?
La fisica quantistica è una delle due principali teo-
rie fondamentali della fisica attuale; l’altra è la relatività
generale di Einstein.
I suoi princìpi hanno ricevuto una progressiva defini-
zione durante il primo trentennio del Novecento, per opera
di un gruppo di ricercatori soprattutto europei. Se Albert
Einstein ha introdotto nel 1905 la nozione di «quanto»
(cioè quantità discrete) di luce, e nel 1923 De Broglie quel-
la di «onda di materia», furono soprattutto i fisici Werner
Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Niels Bohr,
Wolfgang Pauli e John von Neumann a mettere a punto e
formalizzare la teoria come la conosciamo oggi.
La fisica quantistica fu infatti formulata in risposta
a osservazioni ed esperimenti impossibili da spiegare
con le teorie dell’epoca (la meccanica e l’elettromagne-
tismo, in sostanza), che furono in seguito definite classi-
che, per distinguerle da quelle quantistiche.
La maggior parte delle osservazioni e degli espe-
rimenti che allora non venivano compresi chiamava in
causa le interazioni fra luce e materia (per esempio il
problema della radiazione emessa da un corpo a tempe-
ratura costante).
12PRELUDIO AL VIAGGIO
2. C
HE COSA VUOL DIRE LA PAROLA «QUANTISTICO»?
La parola deriva dal latino quantum, che significa
«quanto».
Il suo significato attuale è «granello». inteso, in as-
senza di precisazioni concernenti la sua natura, come
granello d’energia. In senso lato la parola quantistico fa ri-
ferimento a tutto ciò che può essere connesso in modo
più o meno stretto a un effetto o a una nozione di fisica
quantistica. Un effetto quantistico non è altro che un ef-
fetto predetto o descritto dalla fisica quantistica.
In senso più preciso un quanto (quanti al plurale)
è la quantità minima che una grandezza fisica può as-
sumere nell’interazione fra due cose. Si parla allora di
quantizzazione della grandezza considerata.
Possiamo parlare di granelli d’energia perché è sta-
to dimostrato che la luce possiede un aspetto granulare,
sotto forma di quanti d’energia chiamati anche fotoni, e
che, in generale, tutto ciò che esiste intorno a noi presen-
ta un analogo comportamento granulare o corpuscolare:
per esempio gli atomi – che ci è facile immaginare come
grani di materia – hanno in sé una struttura energetica
granulare. Anche lo spazio e il tempo potrebbero essere
strutturati in granelli di spaziotempo, stando alle più re-
centi speculazioni teoriche…
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