Le 5 cose che (forse) non sapete sulla Meccanica Quantistica

By | 4 marzo 2018

La Meccanica Quantistica (d’ora in avanti abbreviata in MQ) è una delle branche della Fisica che più ha suscitato interesse nella popolazione dei “non addetta ai lavori” accendendo una infinità di riflessioni, spunti di discussione, dubbi e critiche fin dalla sua nascita che possiamo far risalire al 1900, quando Max Planck ipotizzò che qualsiasi sistema atomico che emette energia può teoricamente essere diviso in un esatto numero di “elementi energetici” discreti (i “quanti”) in modo tale che ciascuno di questi elementi energetici sia proporzionale alla frequenza con cui ciascuno di essi irradia energia individualmente.

Immagine pubblicata originariamete da Claes Johnson. Tradotta dall’autore.

Perchè la MQ è diventata così famosa? Perchè ha catalizzato l’attenzione di praticamente tutto il mondo, sia in bene che, purtroppo come vedremo, in male?

Perchè è maledettamente controintuitiva e al contrario della Meccanica Classica che permette di prevedere il risultato di un determinato evento conoscendone gli stati iniziali, la MQ è probabilistica: alcuni eventi, quantità e informazioni non vengono definiti con risultati precisi e univoci ma sono una probabilità che un evento possa capitare in un determinato spazio e in un determinato tempo.

Facciamo un esempio pratico: la Meccanica Classica ha permesso di lanciare una sonda grande più o meno come una lavatrice (1 x 1 x 0,8 metri di volume per 100 kg di massa) a cavallo di un’altra sonda altrettanto minuscola (2,8 × 2,1 × 2 metri di volume per 1.230 kg di massa) su una cometa di forma a dir poco bizzarra (18,7 km3 di volume totale distribuiti su due lobi di 4,1 × 3,3 × 1,8 km e di 2,6 × 2,3 × 1,8 km: praticamente una cometa a forma di paperella da bagno!) che si spostava alla velocità di 15,38 km/s. Tutto questo dopo un volo di 10 anni e dopo aver accumulato una distanza dalla Terra di 726.180.123 km e un viaggio totale di 7.978.714.971 km.

Abbiamo parlato della storica missione ESA per l’esplorazione della cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko (67P). Un vero trionfo per la Meccanica Classica che permette di studiare e predire eventi incredibilmente lontani nello spazio e nel tempo! Con la Meccanica Classica tutto viene univocamente determinato dalle condizioni iniziali.

Con la MQ tutto questo non è possibile.

Cerchiamo di capire perché non è possibile fare questo tipo di predizioni e nel contempo capiamo cosa è possibile fare, invece, di altrettanto stupefacente e assolutamente indispensabile per la nostra vita quotidiana!

Partiamo quindi dando alcune definizioni indispensabili.

1 – COSA É LA MECCANICA QUANTISTICA?

É la Fisica degli oggetti più piccoli in Natura. Così piccoli che non vengono più considerati “oggetti” come li intendiamo noi.

A qualcuno potrebbe suonare strano che si parli di “Meccanica” e di “Fisica” indistintamente ed è giusto provare a dare una definizione quanto più accurata possibile: all’atto pratico non c’è differenza tra Meccanica Quantistica e Fisica Quantistica (da qui in poi abbreviata con FQ). Sono la stessa branca della Fisica con nomi diversi.

É vero però che sono state evidenziate alcune definizioni raffinate che distinguono le due cose. Una di queste, la più razionale a nostro parere, descrive la MQ come un insieme di regole matematiche ben definite che descrivono esclusivamente le interazioni tra particelle subatomiche e la FQ come lo studio di quelle regole applicato a strutture più grandi e complesse come le molecole e le strutture cristalline di determinate sostanze.

In altre parole la FQ comprende, ad esempio, lo studio della fotosintesi clorofilliana che funziona splendidamente grazie ad un principio della MQ ma mentre questa studia il fenomeno indipendentemente da dove questo avviene (nella fotosintesi avviene nei clorosomi dei vegetali ma lo stesso identico fenomeno avviene nel nucleo del sole), la FQ studia il fenomeno correlato all’ambiente macroscopico dove questo avviene.

Esiste anche la Teoria Quantistica dei Campi conosciuta con l’acronimo QFT (Quantum Field Theory) che, in base alla definizione appena data, può essere considerata Fisica Quantistica dato che applica la MQ al concetto di campo.

A noi serve sapere che MQ e FQ sono la stessa cosa. Il termine “Meccanica” è più comune visto che i libri di testo a questo riguardo parlano costantemente di MQ (Messiah, Griffith, Sakurai giusto per citare i tre più famosi) e quindi verrà usato anche in questa sede.

La definizone che è stata data all’inizio di questo capitolo richiede anche di affrontare la questione su cosa siano le particelle subatomiche e perché non vengono considerate oggetti come li intendiamo noi.

Qui le cose iniziano a farsi entusiasmanti! Siamo stati abituati fin dalla scuola dell’obbligo a considerare le componenti fondamentali della materia come minuscole palline che formano strutture molto somiglianti ad un sistema planetario: un “sole” al centro di questa struttura e un numero variabile di “pianeti” che orbitano attorno al sole.

Stiamo parlando del nucleo dell’atomo e degli elettroni che orbitano attorno ad esso.

Questo è il “modello atomico planetario” sviluppato da Ernest Rutherford nel 1911 che però è scientificamente sbagliato: secondo le leggi dell’Elettromagnetismo, una carica elettrica in movimento irradia energia sottoforma di radiazione elettromagnetica e l’elettrone dotato di carica elettrica avrebbe dovuto perdere energia nelle sue orbite e alla fine collassare sul nucleo. Il che non è palesemente vero visto che siamo qui!

Questa cosa era nota già all’epoca ma il modello planetario era quello che al tempo forniva la risposta migliore ad una serie di domande ancora senza risposta.

Fu nel 1924 che Erwin Schrödinger propose il modello quantistico di atomo risolvendo il paradosso del modello di Rutherford.

Però questo modello obbligava ad accettare dei dati piuttosto bizzarri. Ad oggi questi dati sono universalmente accettati e scientificamente dimostrati ma per chi è abituato a pensare all’atomo come ad un minuscolo sistema solare la cosa farà venire qualche brivido giù per la schiena:

L’elettrone e più in generale le particelle subatomiche non sono particelle. Non sono minuscoli granelli fatti di chissà cosa che si muovono a velocità impensabili nello spazio.

Sono “campi quantistici” che godono di determinate proprietà; distribuzioni di probabilità all’interno delle quali nulla è conosciuto (a parte alcune proprietà costanti come la massa) fintanto che questi campi non interagiscono tra di loro.

Possiamo immaginarli come “nuvole di energia”: gli elettroni saranno nuvole avvolte attorno ad altre nuvole che assumeranno determinate caratteristiche interagendo con altre nuvole, comportandosi come particelle puntiformi in alcuni tipi di interazioni oppure comportandosi come onde in altri tipi di interazioni.

Una immagine della nuvola elettronica di un atomo di idrogeno

Paul Dirac prima e Richard Feynman più tardi formalizzarono alcuni dei concetti più bizzarri riguardo il comportamento di questi campi quantistici: possono avere soltanto alcuni valori e non altri; non è possibile stabilire con precisione il percorso di una campo ma solo una distribuzione di probabilità che indica dove questo potrebbe trovarsi.

Schrödinger stesso ebbe a dire che “Onda e particella sono immagini che ci vediamo obbligati a mantenere perché non sappiamo come liberarcene”. In realtà ce ne siamo liberati da tempo ma è anche vero che il modello di Rutherford è decisamente più intuitivo e di facile metabolizzazione, anche se scientificamente del tutto sbagliato.

Notevole, vero? Però questa ridefinizione del concetto di particella subatomica è indispensabile per comprendere meglio alcuni fenomeni della MQ che hanno reso questo campo della Fisica enormemente popolare!

2 – ALCUNI DEI CONCETTI DI BASE DELLA MQ

Esistono dei fenomeni all’interno della MQ che ancora oggi lasciano perplessi, nel migliore dei casi o sono addirittura in odor di magia.

Tutto questo è comprensibile ma noi siamo armati del concetto di “elettrone = nuvola di probabilità” e questo ci aiuterà sia a scardinare qualsiasi ipotesi magica sulla MQ che ad apprezzare ancora di più la magnificenza di questi fenomeni!

EFFETTO TUNNEL: l’esempio più canonico per spiegare come un elettrone possa passare attraverso un “muro” di energia è quello di una pallina lanciata su una finestra che rimbalza, tutti ci aspetteremmo dalla Fisica Classica e dal buonsenso che questa rimbalzi indietro, fino al momento in cui questa pallina passa attraverso la finestra materializzandosi istantaneamente dall’altra parte senza danneggiare in alcun modo la finestra.

L’effetto tunnel esemplificato

É normale che un comportamento come questo lasci interdetti e faccia pensare a qualche intervento soprannaturale ma stiamo usando la definizione sbagliata di particella, ricordate?

Proviamo a guardare allo stesso “gedankenexperiment” (esperimento mentale, come lo aveva definito Albert Einstein) sapendo che le particelle subatomiche sono nuvole piuttosto che palline.

Appare ancora così misterioso il fatto che una “nuvola” passi attraverso un muro di… Nuvole? Scommettiamo di no. Certo, è comunque bizzarro ma decisamente meno bizzarro di una pallina che attraversa un muro come fece il mago David Copperfield quando attraversò la Grande Muraglia Cinese!

SOVRAPPOSIZIONE DEGLI STATI: è un’altro fenomeno che ha stranito ben più di un paio di generazioni di scienziati e non. Proviamo a capirlo con un fidget spinner: questo giocattolo può ruotare facilmente in senso orario o antiorario ma di sicuro non potrà mai in alcun modo ruotare in senso orario E in senso antiorario contemporaneamente. Vi sfido a provarci!

Le particelle subatomiche invece lo fanno. Possiedono una caratteristica chiamata “spin” che identifica il loro verso di rotazione e fintanto che questo verso non viene analizzato esso avviene contemporaneamente in ambedue i sensi.

Vogliamo provare ad immaginare, invece della solita vecchia pallina (o del più moderno fidget spinner) una nuvola come abbiamo fatto prima? Con meno sforzo cognitivo possiamo vederla che ruota in due sensi contemporaneamente! Non appare più come una mostruosità!

ENTAGLEMENT: questa parola significa “ingarbugliamento”, “groviglio”, “intrico”. Ed è esattamente quello che ha creato nelle menti di noi profani. Una serie incredibilmente ingarbugliata di idee e ipotesi altrettanto ingrabugliate!

In realtà anche se Einstein stesso lo definì “spooky” (ovvero spettrale, inquietante) oggi è perfettamente compreso soprattutto grazie al lavoro del fisico nordirlandese John Stewart Bell1 e grazie a rigorosi esperimenti che lo hanno definitivamente acclarato2.

Una pittoresca rappresentazione dell’entanglement

L’entanglement è quel fenomeno secondo il quale, date due particelle che hanno determinate caratteristiche (dovute a interazioni reciproche o generate da uno stesso evento come il decadimento radioattivo) e che costituiscono uno stato quantico globale definito (pur mantenendo caratteristiche singole indefinite), nel momento in cui queste vengono separate e si misura una delle caratteristiche indefinite di una delle due particelle (rendendo definito lo stato precedentemente sconosciuto), la gemella assumerà istantaneamente uno stato definito anch’essa.

Indipendentemente dalla distanza, sia essa pochi micron o milioni di anni luce.

Purtroppo in questo caso, pensare ad una particella come nuvola non serve per rendere più comprensibile questo fenomeno che nondimeno esiste e funziona.

La fantasia galoppa sfrenata in questo caso e subito ci sono stati e ci sono tuttora “arditi pensatori” che affermano come l’entaglement sia la spiegazione per, ad esempio, la telepatia o il teletrasporto “alla Star Trek”. Sarebbe bello se fosse così ma ad oggi mancano qualsiasi dimostrazione scientifica sia dell’una che dell’altro.

3 – “COSA FA” LA MQ PER NOI?

Fino ad ora abbiamo affrontato un argomento affascinante ma tutta questa bellezza quali ripercussioni ha su di noi? La proverbiale “casalinga di Voghera” cosa se ne può fare, quotidianamente, di tutta questa meraviglia?

Verrebbe da dire “allacciate le cinture di sicurezza” perché state per entrare in un argomento che vi lascerà senza fiato! Quasi letteralmente!

La vita, per come la conosciamo, non potrebbe esserci senza la MQ: la fotosintesi clorofilliana funziona grazie all’effetto tunnel il che significa che respiriamo ossigeno e possiamo mangiare una gustosa insalata con succulenta bistecca grazie alla MQ.

Il nostro sole e quindi tutte le stelle sfruttano lo stesso effetto per generare fotoni all’interno dei nuclei stellari e quindi permettere la formazione delle condizioni favorevoli per lo sviluppo della vita.

La casalinga di Voghera, nella sfortunata ipotesi che stia male, potrà fare una tomografia a risonanza magnetica che invece sfrutta il principio di sovrapposizione di stati.

Magari verrà usato un microscopio ad effetto tunnel per capire meglio di cosa soffra la nostra casalinga.

E potrà assumere dei farmaci sintetizzati grazie alle tecnologie che sfruttano gli effetti della MQ.

Ci auguriamo che dopo la cura, questa casalinga potrà godersi una vacanza all’estero, facendo un volo in aereoplano che è controllato da un sistema GPS che a sua volta utilizza le oscillazioni degli atomi di cesio per tarare e sincronizzare gli orologi ultraprecisi necessari per il buon funzionamento dei dispositivi.

Ci auguriamo anche che possa guardare un bel film, durante il volo, proiettato su uno schermo LCD i cui componenti fondamentali, i LED, sono basati esclusivamente sugli effetti fotoelettrici della MQ.

Le porte d’ingresso dell’albergo dove alloggerà la nostra casalinga si apriranno automaticamente grazie a sensori ottici, i fotodiodi, che funzionano brillantemente grazie all’effetto fotoelettrico (che fece guadagnare un premio Nobel ad Albert Einstein).

Speriamo anche che l’albergo sia abbastanza sensibile alle tematiche ambientali da aver installato dei pannelli fotovoltaici, che sfruttano lo stesso principio appena menzionato.

E se questa nostra ormai guarita e scientificamente felice casalinga ha un gatto… Non è improbabile che lo faccia giocare con un puntatore laser. Che è forse la più appariscente applicazione della MQ, utilizzata dovunque!

Dove però assistiamo al trionfo indiscusso di questa disciplina è l’Informatica.

I transistor, che hanno permesso la diffusione capillare e la miniaturizzazione dei computer funzionano grazie all’effetto tunnel. Le fibre ottiche che trasportano migliaia di PB al giorno.

Noi siamo circondati da computer: laptop, desktop, smartphone senza contare un esercito di server che ci permettono di usare Facebook, Instagram, Whatsapp, Twitter e di giocare online, di fare ricerche e di contribuire alla crescita del database mondiale che è il World Wide Web.

Ogni volta che mettiamo un like, che carichiamo una foto, che telefoniamo, lo possiamo fare solo ed esclusivamente grazie alla MQ.

Non è finita qui: si sta studiando la computazione quantistica che sfrutta ancora una volta la sovrapposizione di stati per creare una nuova generazione di elaboratori ultraveloci le cui applicazioni trascendono letteralmente le barriere della Fantascienza.

Beh, la nostra cara casalinga ha a che fare con la MQ piuttosto spesso, no? Come tutti noi, d’altronde. E con estrema soddisfazione!

La nostra vita, dalle sue fondamenta agli apici più estremi è dovuta, mantenuta e abbellita da bizzarri fenomeni che stridono con il nostro senso comune ma che a dispetto di tutto quello che possiamo pensare, funzionano.

4 – É VERO CHE NESSUNO CI CAPISCE NIENTE A RIGUARDO?

Siamo arrivati al punto che è doveroso fare alcune considerazioni: la più importante è che non è vero che nessuno capisce niente della MQ, come fin troppo spesso si sente dire.

La MQ è perfettamente compresa e perfettamente descritta dalla Matematica; tant’è che affidiamo addirittura la nostra salute a macchinari e sostanze che funzionano e sono realizzati proprio grazie a questa branca della Fisica.

Certo, è difficile da capire perché si scontra su una quotidianità gestita da leggi deterministiche e non probabilistiche, dove sappiamo che un fidget spinner può girare solo in un senso e una pallina da ping pong non attraverserà mai un muro di alcun tipo ma, ripetiamo:

Non è vero che è incomprensibile e misteriosa. É vero l’opposto.

Tutti gli aforismi che si citano spesso a sproposito e in maniera capziosa sono comprensibilissimi se teniamo a mente che i padri fondatori di questa Scienza hanno dovuto fare i conti con il ribaltamento radicale delle loro convinzioni e del loro mondo scientifico ed hanno dovuto accettare, chi con più facilità e chi con più riluttanza i dati che si paravano dinanzi a loro, impietosamente.

Ma la Scienza non è democratica. E se ne frega di quello che uno “crede”. Ma soprattutto funziona.

Possiamo solo immaginare quali enormi dilemmi abbiano dovuto attraversare quegli uomini e quelle donne che si sono trovati sul bordo di un mondo nuovo, sconosciuto e alieno. Vogliamo avere un pensiero benevolo per loro: è normale e teneramente umano che abbiano detto o scritto frasi che potrebbero sembrare roboanti o tranchant.

5 – DRAMMI E BARZELLETTE INTORNO ALLA MQ

Meno normale e meno tenero invece è il comportamento di alcuni personaggi che hanno preso queste particolarità del nostro mondo per costruire dei castelli di carte (false, è il caso di dirlo) improbabili, buffi e in alcuni casi apertamente truffaldini.

Parlando di Meccanica Quantistica è indispensabile parlare della corrente del misticismo quantistico inaugurato “ufficialmente” nel 1975 da Gary Zukav e il suo “The Dancing Wu Li Masters”, Alex Comfort e il suo “Reality and Empathy” e Fritjof Capra con il “tao della fisica”.

Ma precedente al dottor Capra, esisteva un gruppo di fisici californiani che fecero della “fisica creativa” uno strumento in bilico tra una sincera ricerca di risposte e un guazzabuglio lisergico con poche parvenze di scienza: è rimasta leggendaria l’interpretazione della canzone dei Beatles, “Being for the Benefit of Mr. Kite” in cui Mr. K. (che «sfiderà il mondo») rappresentava la costante di Boltzmann (k, legata all’entropia) mentre Mr. H. (che fa i salti mortali) simboleggiava la costante di Plank (h). Tale gruppo fu il Fundamental Fysiks Group che comunque ha fatto qualcosa di giusto (anche se Capra proviene in linea diretta proprio dal quel gruppo).

Una analisi storica ci ricorda come il dott. Zukav non è che fosse proprio stabile e sano da un punto di vista psicofisico (come da lui stesso ammesso in una sua autobiografia) e che aveva dei contatti negli anni ’70 proprio con Fritjof Capra e con Jack Sarfatti cofondatore del Fundamental Fysiks Group e che nessuno in quel periodo era esente dall’assumere sostanze di ogni tipo e che guarda caso tutti si sono incontrati nella west coast degli anni ’70, leggendario centro di consumo di sostanze psicotrope e di circolazione di idee che mescolavano filosofie orientali, fantascienza, confusione lisergica e tante belle speranze.

Inoltre il Fundamental Fysiks Group riuniva sicuramente laureati in Fisica Teorica (anche se erano i laureati usciti dal boom delle “lauree facili” in quella materia del periodo 1968-1972 ed erano praticamente tutti disoccupati) ma nessuno di loro aveva la benchè minima cognizione di filosofia, metafisica o altre materie analoghe che invece erano il 50% delle argomentazioni del gruppo.

Per affrontare discorsi truffaldini parliamo ad esempio di Grigory Petrovich Grabovoy, un ben noto imbroglione che si è fatto notare più volte per le sue incredibili affermazioni sul riportare in vita i morti, curare il cancro e l’AIDS con modalità totalmente stregonesche e totalmente inefficaci e senza il benchè minimo riscontro.

Costui ha presentato a Marsala, in provincia di Trapani, lo scorso 25 Settembre 2017, un macchinario ovviamente quantistico con delle proprietà strabilianti: il “Quantum device for eternal life”.

Ulteriori informazioni reperite al numero di telefono disponibile hanno anche fornito il prezzo di tale macchinario che è esattamente € 9.600,00 divisibili in 8 quote in multiproprietà da € 1.200,00. Più IVA, naturalmente.

Non credo sia necessario specificare che tale macchinario è un accozzaglia ben confezionata di chissà cosa che non fa nulla di quello che promette e che tutte le spiegazioni che vengono offerte a riguardo sono un meraviglioso esempio di fruitloopery in azione.

Altra operazione truffaldina è quella compiuta dai sostenitori dell’omeopatia che spesso invocano il fenomeno (reale) dell’entaglmenet per giustificare il fenomeno (da baraccone) della “memoria dell’acqua”, principio magico che costò al professor Jacques Benveniste un Ig Nobel (che non andò a ritirare) e l’ostilità di tutta la comunità scientifica mondiale (sono epiche le risposte che ricevette dalla rivista Nature riguardo i suoi articoli sulla memoria dell’acqua).

Un esempio meno drammatico è quello dell’azienda vinicola siciliana di proprietà di Pietro Di Giovanni, Giovanni Raiti e Saro Pennisi. Costoro hanno prodotto il vino quantistico, ovvero un vino che, citiamo il sig. Di Giovanni, è prodotto “con le regole della fisica quantistica”: questo si realizza praticamente tramite “il controllo delle frequenze elettromagnetiche nel grappolo, attraverso uno strumento […] con lo stesso misuratore siamo intervenuti per cambiare alcune frequenze […] Il sistema evoluto della fisica quantistica in campo enologico fa sì che il prodotto della vite, l’uva, sia messo nelle condizioni migliori per non ammalarsi”.

Ci sono poi affermazioni del tutto innocue e divertenti che affermano che antiche cività sul nostro pianeta conoscevano i principi della MQ molto prima che venisse “riscoperta” nel secolo scorso. Basta fare una ricerca nel Web per scoprire teoreti e guru con le più pittoresche e divertenti ipotesi su questi argomenti e sull’altro dibattutissimo argomento che giustifica gli eventi soprannaturali come i fantasmi e la parapsicologia in genere con la MQ.

Prendete un qualsiasi sostantivo e provate ad abbinare l’aggettivo in questione. Fatelo ad una festa e probabilmente il vostro tasso di popolarità inizierà a salire. A meno che non incontriate un fisico, o una fisica.

In quel caso è meglio andare a casa a studiare e di buona lena.

É utile ricordare che nonostante “la Scienza non sia democratica” e “se ne frega di quello che uno crede” è anche la disciplina che più allena ad avere una mente sufficentemente aperta ma non così aperta da permettere che il cervello caschi per terra.

l principio di base è che qualsiasi cosa può essere vera solo se passa il vaglio del metodo scientifico e questo vaglio prevede che un dato sia oggettivo, affidabile, verificabile e condivisibile. Ciò che non passa questo vaglio è, scientificamente parlando, fuffa.

Le «sensate esperienze» di galileiana memoria non sono più valide con i raffinatissimi strumenti che abbiamo a disposizione perché la realtà nella quale viviamo si è dimostrata bizzarra oltre ogni fantasiosa previsione.

Abbiamo bisogno, oggi più che mai, di avere una mentalità aperta e ricettiva ma questo non significa, in alcun modo, accettare supinamente bislacche e stravaganti ipotesi riguardo quello che ancora non conosciamo solo perché ad oggi non abbiamo la giusta domanda da porci.

 

[Andrea Grossi]

Fonti consultate:

  • Spiritual Partnership, Gary Zukav, 2010, Harper One. p. 121. ISBN 978-0-06-145850-7
  • https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022286015303525
  • https://it.wikipedia.org/wiki/John_Stewart_Bell
    http://www.lescienze.it/news/2014/09/27/news/un_nuovo_stato_della_materia_creato_con_l_entanglement_quantistico-2308668/
  • http://science.sciencemag.org/content/356/6343/1140
  • http://www.lescienze.it/news/2011/12/02/news/quanti_meccanica_quantistica_entanglement-710527/
  • “L’uomo più strano del mondo. Vita segreta di Paul Dirac, il genio dei quanti”, Graham Farmelo, 2013
  • http://sci.esa.int/where_is_rosetta/
  • http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Rosetta_(spacecraft)
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Philae_(spacecraft)

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