Quantum day

Io sono di quelli che capiscono le idee, ma non la 

matematica. Quindi, se la fisica è il tentativo della scienza di capire la natura attraverso la matematica, non dovrei capire la natura. Ma per fortuna la natura può essere capita attraverso la logica e l' osservazione. Pensiamo alla teoria dell' evoluzione. Il fatto è che io non cerco di capire la fisica ma la natura. Che non sempre può essere capita attraverso i numeri. Pensiamo alla psicologia e alla vita interiore. Qui i numeri non ci dicono nulla, perché i numeri misurano solo le quantità e non le qualità. 

Inoltre sto cercando di allargare il concetto di scienza includendovi la parte mentale . E qui numeri non servono a nulla. Resta

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La fisica quantistica tra intuizioni errate e scoperte straordinarie (ma non solo)

di Franco Battaglia

24 Marzo 2025, 20:0

quantum day

Ho appena scoperto che questo in corso è stato nominato anno mondiale della fisica quantistica e, nel contempo, è stata istituita anche la giornata mondiale omonima, per la quale è stato scelto il 14 aprile. Naturalmente non possiamo non scriverci su qualcosa, non foss’altro che per dovere di cronaca: anzi, data l’importanza, la cosa richiede addirittura due puntate. Sicuramente ne leggerete altrove, assetati come siete di fisica divulgativa. Io però ho un problema: sono convinto che cimentarsi nella divulgazione della fisica è impresa futile, tanto non capireste nulla lo stesso.

Ad

Ho bravissimi colleghi che, speranzosi e fiduciosi, ci provano: invidio queste loro virtù. Rammento che diversi anni fa il fondatore e direttore di Repubblica pubblicava sul suo giornale un lenzuolo di due pagine sull’argomento (in particolare, si cimentava sul principio quantistico detto “d’indeterminazione”) e rammento vividamente la conclusione cui arrivai dopo averlo letto: l’autore non capiva ciò di cui stava scrivendo, chissà cosa mai avranno capito i lettori. Non prendetevela, ma la fisica altro non è che il tentativo di capire la Natura attraverso la matematica, cosicché se non avete studiato questa non potete capire quella: se non c’è matematica non c’è neanche fisica. Chiederete: ma, almeno, intuitivamente? Il fatto è che la Natura è quasi tutta contro-intuitiva, ed è proprio per questo che s’usa la matematica per cercare di capirla. Pensate solo alle migliaia d’anni di sopravvivenza della convinzione di mettere la Terra al centro del nostro sistema planetario, come l’intuizione suggerisce.

Cionondimeno, non rinunciamo ad omaggiare la cronaca. Dico subito di trovare infelice la scelta del 14 aprile (4.14, nell’ordine in uso in Nord America) come “Quantum-Day”. Essa nasce dal fatto che un “marcatore” della teoria quantistica è una fondamentale costante fisica, universalmente indicata con la lettera h e chiamata “costante di Planck”, il cui valore, approssimato alle prime due cifre decimali, è 4.14: aprile 14, appunto. C’è, in proposito, una situazione analoga: approssimato alle prime due cifre decimali, il numero pi-greca vale 3.14; e così il 14 Marzo è stato eletto, universalmente, a “Pi-Day”. Tutto molto bello: marzo-14…aprile-14, fanno anche rima. Solo che mentre pi-greca è un numero puro – ed è sempre quello – la costante di Planck è una quantità con dimensioni (ha le dimensioni di “energia × tempo”) e il suo valore dipende dalle unità scelte, esattamente come la distanza è una quantità con dimensioni (per cui, ad esempio, quella tra Roma e Milano ha diversi valori numerici a seconda delle unità scelte, tipo 580 km, 360 miglia, etc.). In particolare, se per l’energia si usano le unità “elettronvolt” e per il tempo le unità “secondi”, la costante di Planck vale, appunto, 4.14 quadrilionesimi di elettronvolt × secondi. Usando altre unità, si hanno altri valori; e altri Quantum-Day. Probabilmente, quelle dette sono state scelte proprio per mantenere la “rima” tra il marzo 14 del “Pi-Day “e l’aprile 14 del “Quantum-Day”. Fosse dipeso da me, avrei scelto, come Quantum-Day il 14 Dicembre perché, oltre a essere il giorno del mio compleanno, è anche il compleanno della fisica quantistica: era il 14 dicembre 1900 quando presso la Società tedesca di fisica, a Berlino, Max Planck presentava per la prima volta la scoperta di quella che poi sarà chiamata, appunto, “costante di Planck”. Ora vorrete sapere qualcosa di ‘sta quantistica. Ci provo, ma vi avverto che non faccio divulgazione e mi fermerò fin quando andare oltre sarebbe inutile.

Storicamente, uno dei sistemi di interesse dei fisici è stato quello dei pianeti in moto attorno al Sole, dei quali si desiderava conoscere la reciproca posizione al variare del tempo. Non so se la cosa fosse legata al desiderio di prevedere il futuro di ciascuno che – si credeva – dipenderebbe dalla posizione relativa dei pianeti al momento della nascita; ma, in ogni caso, quello era il problema: determinare nel corso del tempo la traiettoria percorsa dai pianeti. Ci vollero millenni per venire a capo del problema, la cui soluzione – è stato scoperto – si ottiene risolvendo un’equazione che oggi tutti studiamo a scuola: F=m×a, forza uguale massa per accelerazione. Per esempio, risolvendo questa equazione per la Terra soggetta alla forza di attrazione gravitazionale del Sole, si trova che la traiettoria dell’orbita terrestre è una ellisse col Sole su un fuoco dell’ellisse. La cosa è una conseguenza del fatto che la forza di attrazione gravitazionale tra Sole e Terra è attrattiva e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. La cosa interessante è che se invece si desidera conoscere la traiettoria di una palla di cannone (per esempio, perché si intende colpire un bersaglio), anche ora bisogna risolvere l’equazione F=m×a per la palla di cannone, con l’appropriata forza cui essa è soggetta (principalmente la forza di gravità della Terra). Insomma, F=m×a è una sorta di equazione “universale” – o, almeno, così si credeva, fino a che è emerso un problema.

Sapete che gli atomi sono costituiti da elettroni con carica elettrica negativa che ruotano attorno ad un nucleo con carica elettrica positiva. L’atomo più semplice è quello che ha un solo elettrone (l’atomo di idrogeno). La forza di attrazione elettrostatica tra l’elettrone e il nucleo è anch’essa attrattiva e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, cosicché quest’atomo è, in piccolo, l’equivalente del sistema Terra-Sole: l’elettrone attorno al nucleo dovrebbe quindi seguire una traiettoria ellittica. La velocità di un oggetto che si muove su una traiettoria curva deve necessariamente variare (almeno varia in direzione), e quando varia la velocità si ha una accelerazione. Ora, una carica elettrica che si muove di moto accelerato emette radiazione elettromagnetica; questa trasporta energia, cosicché l’elettrone nell’ipotetica orbita ellittica perderebbe energia e, in men che non si dica, cadrebbe sul nucleo, con notevole riduzione delle dimensioni dell’intero atomo. Ma questo non accade: le dimensioni della materia intorno a noi e del nostro stesso corpo non implodono a valori minuscoli! Per farla breve, l’equazione F=m×a non è applicabile all’elettrone attorno al nucleo. E così, l’equazione F=m×a non è una legge universale di Natura, come si credeva fino ad appena 100 anni fa, o poco più.

Ai fisici del tempo toccò ricominciare tutto da capo: 100 anni credevano di aver capito tutto, e invece dovettero rassegnarsi e prender atto che non avevano capito nulla. Beh, proprio nulla, no; ma quanto basta per demoralizzarsi (o, a seconda del punto di vista, entusiasmarsi per l’ignoto da scoprire). Insomma, si è dovuta costruire una nuova fisica, che è lo stesso che dire una nuova matematica per descrivere la natura delle cose.

Non posso dirvi altro e chiunque ci prova vi sta illudendo: accontentatevi di aver imparato cosa non ha funzionato e perché. Lasciate solo che vi avverta di una cosa: non pensate che la nuova fisica riguardi fenomeni del microscopico mondo degli atomi; anzi, molti fenomeni macroscopici si capiscono solo con la fisica quantistica. Uno per tutti: l’impenetrabilità della materia, cioè la ragione per cui se premete la mano su un tavolo non riuscite a compenetrarlo è un fatto della fisica quantistica. Senza la quale la tecnologia del nostro mondo sarebbe quella di 100 anni fa.

Però, a pensarci bene, forse una cosa ancora posso dirvi, ed è una cosa straordinaria. Trattasi del fatto che nel nostro mondo non vale un apparentemente «ovvio» principio di realtà: ancora una volta, come già detto, la Natura è contro-intuitiva e ciò che sembra «ovvio» spesso non è vero. Ve ne parlerò nel prossimo articolo, ove apprenderete perché Albert Einstein era convinto che la fisica quantistica dovesse essere sbagliata e come è stato possibile stabilire sperimentalmente che fosse Einstein a sbagliarsi.

Franco Battaglia, 24 marzo 2025