L’universo è tutto un tango| Come guardare alla realtà dopo la rivoluzione nello studio della
materia e delle sue leggi iniziata da Planck e Einstein all’inizio del secolo |
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Il secolo XX è stato definito in moltissime maniere, ma certamente è anche
stato il secolo della nuova fisica, quell’insieme di teorie scientifiche che hanno
sconvolto dalle fondamenta il nostro modo di vedere le cose. Cento anni fa, nel
dicembre del 1900, il fisico tedesco Max Planck inaugurava appunto una nuova era
della scienza, presentando alla Società Tedesca di Fisica una memoria sul colore
dei corpi incandescenti. Questo colore varia con la temperatura secondo una
legge che non è possibile spiegare in base ai principi della fisica classica. Planck
notò che i conti tornano se si suppone che l’energia di un corpo non possa
prendere un valore qualsiasi, ma sia per così dire di natura granulare, assumendo
soltanto valori che siano multipli interi di un’unità fondamentale e indivisibile
chiamata quanto. Un quanto corrisponde a un’aliquota d’energia così minuscola
che nella vita di tutti i giorni non possiamo notare questa granulosità. La natura
granulare, o per meglio dire quantistica, dell’energia fu proposta da Planck come
un artificio matematico privo di significato fisico, ipotizzato in attesa di un
ulteriore chiarimento. Oggi però noi sappiamo che l’energia, qualsiasi energia, è
sempre quantizzata e che questo fatto ha delle enormi implicazioni: il mondo degli
atomi e delle particelle subatomiche non obbedisce alle stesse leggi che
governano gli oggetti della nostra vita quotidiana. Cinque anni dopo, un certo
Albert Einstein, che di lì a poco avrebbe dato l’avvio all’altra grande rivoluzione del
secolo, la teoria della relatività, riprese l’ipotesi dei quanti e l’utilizzò per spiegare
altri fenomeni fisici. Planck dal canto suo credeva così poco alla realtà fisica dei
quanti d’energia che criticò aspramente le conseguenze che Einstein aveva tratto
dalla sua stessa idea. Nei successivi quindici anni andò poi completamente in crisi
l’immagine che ci si era fatti degli atomi e della loro struttura e fu necessario fare
dell’ipotesi dei quanti un principio generale, che riguardava tanto la materia quanto
l’energia. Gli anni 1925-1927 videro, grazie ai contributi di giganti come Bohr,
Heisenberg, Schroedinger, Pauli, Dirac e molti altri, lo sbocciare di quella che oggi
chiamiamo fisica quantistica, la teoria che spiega al meglio il comportamento del
mondo atomico e subatomico e quindi in definitiva di tutto il mondo materiale
conosciuto. Fu allora Einstein a non credere agli sviluppi delle sue stesse idee.
Fino all’ultimo suo giorno si rifiutò di accettare le conseguenze concettuali
dell’introduzione sistematica del punto di vista quantistico e nel 1935 produsse
un’argomentazione che avrebbe dovuto nelle sue intenzioni liquidare per sempre la
nuova fisica.
A cent’anni di distanza dalla sua nascita la fisica quantistica, spesso chiamata
anche meccanica quantistica, è una teoria trionfante, confermata e riconfermata
ogni giorno da migliaia di esperimenti e di applicazioni tecniche e che ci permette
di prevedere il valore di certe grandezze con una precisione che ha dell’incredibile.
A questo strapotere esplicativo e predittivo corrisponde d’altra parte la bizzarria
quasi inaccettabile di molti dei suoi concetti: l’energia, come molte altre
grandezze, è quantizzata, cioè non può assumere qualsiasi valore; un elettrone
sta da qualche parte intorno al nucleo atomico ma non è possibile dire
esattamente dove; a volte lo stesso elettrone appartiene a due atomi senza che
si possa dire a quale dei due; una particella elementare non ha una sua
individualità e non si può prevedere il suo comportamento se non in maniera
probabilistica; un elettrone o un protone possono stare contemporaneamente in
diverse condizioni alternative senza che si possa dire in quale... Come si vede, ce
n’è più che a sufficienza per mettere a dura prova la nostra immaginazione e la
nostra intuizione. D’altra parte, ragionando con il cosiddetto senno di poi, come
potevamo noi pensare che le cose del nostro mondo fossero fatte di altre cose più
piccole e queste di cose ancora più piccole, senza che nessuna di queste
obbedisse a leggi diverse da quelle del mondo degli oggetti quotidiani? Ciò suona
altrettanto improponibile di quelle concezioni mitologiche secondo le quali il mondo
poggerebbe su una colonna che si eleva su un elefante che poggia a sua volta su
una tartaruga che nuota in un oceano...
Il mondo delle particelle elementari doveva quindi per forza essere diverso. Forse
però ha un po’ esagerato! Se fra tutte queste stranezze ce n’è una che ha la
palma della bizzarria è proprio quella che venne messa in evidenza dall’obiezione
che Einstein sollevò nel 1935. Insieme a Podolsky e Rosen, egli propose un geniale
esperimento mentale che avrebbe dovuto dimostrare la non plausibilità o quanto
meno l’incompletezza della teoria quantistica. Supponiamo che da un evento
nucleare nascano due particelle elementari che partono in direzione opposta. La
teoria propone che una di queste abbia una proprietà, diciamo A, e l’altra un’altra
proprietà correlata, diciamo B. In conseguenza di ciò che abbiamo detto sopra
però non possiamo dire chi ha A e chi ha B. Se io catturo una delle due particelle
e verifico che ha la proprietà B, ciò comporta «automaticamente» che l’altra abbia
la proprietà A. Ma quest’ultima non aveva questa proprietà fino ad un istante
prima della mia osservazione. L’aver misurato un parametro di una particella fa sì
che, nello stesso istante, si sia forzata l’altra particella ad assumere uno stato
definito, anche se questa è ormai a distanza di milioni di chilometri. Questa
conclusione avrebbe dovuto dimostrare che la teoria quantistica era in difetto e
farla crollare.
La teoria non crollò affatto, ma l’argomentazione di Einstein servì a introdurre il
tarlo del dubbio a proposito di una nuova e incredibile proprietà della materia. Due
particelle che si sono incontrate anche una sola volta nella loro vita continuano a
mantenere anche a distanza un legame fisico ben preciso. Si dice che rimangono
entangled , che possiamo tradurre come invischiate, avviluppate o, sfruttando
proditoriamente l’assonanza, allacciate in un tango! Se faccio un’osservazione su una delle
due, influenzo automaticamente il comportamento dell’altra, per quanto distante essa sia. Di
ciò posso anche non accorgermi. Perché tutto questo si verifichi occorre infatti che le due
particelle non incontrino nessuno, ma proprio nessuno sul loro cammino, una evenienza
assolutamente improbabile. L’idea è comunque inquietante. Qualcuno l’ha interpretata
come una prova dell’impossibilità di costruire una teoria della materia che si basi solamente
su osservazioni locali. Ogni teoria locale sarebbe inevitabilmente incompleta, mentre tutte le
particelle dell’universo sarebbero per loro natura allacciate in un tango cosmico! Se lo
studio del nostro cervello ci promette un futuro di esaltanti novità, anche lo studio della
fisica elementare non potrà che fornirci ancora sorprese e rivoluzioni concettuali. E chissà
che alla fine non si scopra che tutto questo - cervello, mente e comportamento delle
particelle - sia da ricondurre a una più generale e approfondita teoria dell’informazione e
della sua elaborazione. | 
