La mattina del 14 dicembre 1900 Max Planck, portando a
spasso il figlioletto, gli disse: «Oggi papà ha fatto una
scoperta grande quanto quella di Newton». Nel pomeriggio
comunicò la scoperta all’Accademia delle Scienze di
Berlino, in una memoria che oggi viene considerata l’atto di
nascita della meccanica quantistica. Nel 1918 questo lavoro
gli fruttò il Premio Nobel per la fisica.
Per capire che cosa abbia trovato Planck di così
importante, iniziamo con l’osservare che esiste una stretta
relazione fra luce e calore. Stare al sole scalda, il che
dimostra che un assorbimento di luce fa aumentare la
temperatura di un corpo.
Accendere una lampadina rischiara, il che dimostra che un
aumento di temperatura (del filamento) provoca una
emissione di luce. Non tutti i corpi sono uguali, da questo
punto di vista: alcuni emettono completamente la luce e il
calore che ricevono, altri li assorbono completamente. I
primi si chiamano "corpi bianchi", i secondi "corpi neri": per
questo preti e suore si vestono di nero nei paesi freddi, e di
bianco in quelli caldi.
Un forno, tipico esempio di corpo nero, cambia colore con
l’aumentare della temperatura: diventa rosso verso i 500
gradi, arancio verso i 900, giallo verso i 1000, e arriva al
"calor bianco" verso i 1200 gradi. Il "problema del corpo
nero" consisteva nel trovare una formula matematica che
descrivesse il colore in funzione della temperatura del forno,
ed era stato affrontato in quegli stessi anni da Wilhelm Wien
e Lord Rayleigh, entrambi futuri Premi Nobel nel 1911 e
1904.
Ma le loro soluzioni avevano un piccolo inconveniente:
prevedevano la cosiddetta catastrofe dell’ultravioletto.
Detta in parole povere, i forni dovrebbero esplodere: cosa
che, fortunatamente, non avviene.
Per capire sia l’inconveniente che la soluzione, basta
pensare a un forno che emette onde di varia lunghezza
come a un debitore che deve restituire una certa somma, ad
esempio cinquecentomila lire, in tutte le possibili
denominazioni: un biglietto da cinquecentomila lire, cinque
da centomila lire, via via fino a cinquantamila monete da
dieci lire, e cinquecentomila da una lira. Denominazioni
maggiori, che da noi non esistono, non costituirebbero
comunque un problema, perché sono troppo grandi per la
somma in questione. Ogni denominazione minore
obbligherebbe invece il debitore a pagare altre
cinquecentomila lire. La mancanza di un limite alle piccole
denominazioni (decimi, centesimi, e così via) porterebbe
dunque alla catastrofe della bancarotta.
Planck suppose che esistesse un "quanto d’azione" analogo
alla lira: una denominazione molto piccola, ma non nulla,
oltre la quale non si può dividere l’energia. Partendo da
questa fortunata ipotesi egli riuscì a dimostrare una formula
che, accordandosi perfettamente con i dati sperimentali, fu
immediatamente accettata dalla comunità scientifica.
L’ipotesi invece non attrasse particolari attenzioni per
qualche anno, e lo stesso Planck si limitò a considerarla «un
atto di disperazione» che rimaneva tutto da verificare.
Nel 1905 un giovane e sconosciuto impiegato dell’Ufficio
Brevetti di Berna, di nome Albert Einstein, ritornò
sull’argomento con un lavoro che egli stesso descrisse come
«molto rivoluzionario». Riesumata la soluzione sbagliata di
Wien e Rayleigh, Einstein mostrò che per "grandi
denominazioni" di energia essa dava gli stessi risultati di
quella di Planck. Inoltre, riuscì a dimostrarla partendo da
un’ipotesi analoga: che la luce fosse costituita di quanti,
chiamati fotoni.
Questa volta la reazione dei fisici non fu silenziosa. Agli inizi
dell’Ottocento si era infatti stabilito che la luce esibisce
fenomeni di interferenza caratteristici delle onde: non poteva
dunque essere costituita di particelle, come invece aveva
supposto il pur grande Newton. Einstein pretendeva ora di
riaprire il dibattito, senza portare prove sperimentali a
supporto della sua ipotesi. In seguito però le prove vennero,
e proprio per questo lavoro, non per la più famosa teoria
della relatività, Einstein ottenne nel 1921 il Premio Nobel:
non ricavandoci molto, visto che aveva già ipotecato
l’assegno alla moglie da anni, nella sentenza di divorzio.
Rimaneva aperto il problema della natura della luce: onda o
particella? La soluzione di Einstein fu inaspettata e
paradossale: sia onda che particella! E la cosa non riguarda
solo la luce, ma tutta la materia: come dimostrò infatti nel
1924 il principe francese Louis de Broglie, tutta la materia
ha una natura complementare, ed è sia onda che particella.
Con questa osservazione De Broglie «sollevò un lembo del
grande velo», secondo il colorito linguaggio di Einstein, e si
guadagnò pure lui il Premio Nobel nel 1929.
Per tornare alla formula di Planck, essa permise
immediatamente di calcolare in maniera precisa varie
costanti fondamentali della teoria atomica, dalla carica
dell’elettrone al numero di Avogadro. L’atomismo,
proposto da Democrito nel secolo V a. C. ma ancora
avversato da Mach agli inizi del Novecento, entrava
finalmente a far parte della scienza. La fisica classica non
riusciva però ancora a spiegare la stabilità dell’atomo,
perché secondo le teorie correnti gli elettroni in orbita
avrebbero dovuto perdere energia e cadere a spirale nel
nucleo. Fu ancora l’ipotesi quantistica a permettere a Niels
Bohr di risolvere nel 1913 il problema, supponendo questa
volta che ad essere quantizzato fosse il raggio dell’orbita
degli elettroni. Naturalmente anche Bohr ottenne il Premio
Nobel, nel 1922.
Se la nuova fisica inaugurata da Planck aveva ormai
dimostrato la sua fecondità, essa attendeva ancora il
Newton che la descrivesse matematicamente, e il Kant che
la fondasse filosoficamente. Newton si reincarnò, tra il 1925
e il 1928, in una trinità formata da Werner Heisenberg,
Erwin Schroedinger e Paul Dirac, che isolarono le leggi
fondamentali della meccanica quantistica. Manco a dirlo, i
tre ottennero il Premio Nobel nel 1932 e 1933.
Quanto a Kant, la sua reincarnazione fu più travagliata.
Fuori gioco i filosofi professionisti, ormai privi della
necessaria conoscenza tecnica, toccò agli stessi fisici
affrontare la costruzione di una nuova metafisica, cercando
di capire che tipo di mondo descrivessero le loro strane
equazioni.
Heisenberg scosse l’epistemologia con il celeberrimo
principio di indeterminazione, che pone un limite invalicabile
alla precisione con cui si può conoscere il mondo
microscopico.
Schroedinger attirò l’attenzione sul ruolo dell’osservatore
nella creazione della realtà, mediante il famoso gatto che
rimane in sospensione fra la vita e la morte fino a quando un
osservatore decida della sua sorte. Bohr dissolse l’ontologia
nella cosiddetta interpretazione di Copenaghen, che nega al
mondo microscopico una realtà indipendente
dall’osservatore.
Planck risolse l’apparente contraddizione fra determinismo
e libero arbitrio operando una distinzione tra autoanalisi e
analisi scientifica, e riducendo l’illusione di libertà a una
interferenza prodotta dalla coscienza osservante sulla
coscienza osservata.
Raggiunse così vette di sapere filosofico la teoria fisica che
sta alla base della tecnologia del XX secolo, dai
semiconduttori ai laser. Una teoria che, come disse Planck,
fa venire le vertigini a chiunque la capisce.
Anche se, come aggiunse l’irriverente Feynman, chiunque
creda di averla capita si sbaglia. | 
