Corso 10377_Una nuova comprensione della realtà fisica

La domanda che verrà presa in considerazione in questa lezione riguarda lo studio di come l’idea classica di realtà è stato messo in crisi dalle scoperte scientifiche del ‘900.
In particolare abbiamo a che fare con due grandi teorie. Quella relativistica, e ancora di più quella quantistica.
La prima teoria ha messo in crisi l’idea di un tempo e di uno spazio assoluto tipico del sistema newtoniano. La realtà ci mostra che lo spazio e il tempo non sono separati tra di loro, ma sono intrecciati e regolati da nuove leggi rispetto alla meccanica gravitazionale, tanto che si parla al singolare di uno spaziotempo. Anche la stessa materia è legata all’energia, tanto che si può parlare di una massenergia in cui ognuna delle due grandezze è legata all’altra dalla famosa equivalenza E=mc^2.
La teoria della relatività funziona nella descrizione di ciò che vediamo su larga e lunga scala.
Mentre la seconda teoria, quella quantistica rende conto di ciò che “vediamo” su piccola scala.
Al momento non esiste una teoria unificata (una mitica teoria del tutto) che renda ragione di entrambi i campi, infinitamente grande e infinitamente piccolo.

Appunti di Fisica: Meccanica Quantistica

La teoria quantistica ha messo in crisi l’idea di una realtà materiale omogenea, che sia possibile dividere all’infinito il reale, e quindi andando oltre le prime conferme sperimentali dell’esistenza del nucleo atomico, si è aperta l’idea di una natura quantizzata. La realtà sarebbe formata da elementi minimi discreti non ulteriormente scindibili (qui possiamo pensare agli esperimenti di collisioni, sempre più energetiche, che vengono fatti nei grandi laboratori di fisica nucleare, ad esempio il CERN). Le dimensioni in gioco sono estramente piccole (cf. Articolo su Forbes)

Sviluppo sotterraneo dell’anello di accelerazione/collisione particelle del CERN

Ma ancora di più, le idee classiche vanno in crisi a causa del fenomeno del dualismo onda particella, del principio di indeterminazione, e della sovrapposizione degli stati quantistici.

Il dualismo onda particella ci dice che la stessa realtà fisica, per cui utilizziamo un nome definito, ad esempio elettrone, protone, neutrone ecc., presenta un comportamento microscopico non intuitivo rispetto ai fenomeni macroscopici a cui siamo abituati. Il comportamento della particella differisce in base al contesto dell’esperimento, contrariamente a quanto asserisce la fisica classica per cui l’osservatore è indipendente da quanto osserva. Questo, paradossalmente, significa che la natura si comporta in maniera differente se lasciata a se stessa oppure se guardata e coinvolta in un esperimento.


Il principio di indeterminazione fissa il massimo grado di precisione con cui può essere determinata la posizione e la velocità di movimento di una particella. Tanto più conosco con precisione il valore della posizione di una particella, tanto meno precisamente conosco la sua velocità, e viceversa. La descrizione della realtà passa dalla massima predicibilità del determinismo laplaciano (fisica classica), alla imprevedibilità delle equazioni probabilistiche della meccanica quantistica (indeterminismo).

E’ interessante rilevare le possibili interpretazioni delle conseguenze di questo principio sulle restrizioni che vengono applicate alle misure, partendo dal presupposto che poter avere più o meno dati misurabili significa conoscere più o meno la realtà:

interpretazione ontologica: la natura è normalmente, intrinsecamente non definita. Soltanto nel momento in cui l’osservatore compie l’atto della misura la natura assegna un valore definito alla posizione e velocità della particella misurata (questo è definito dal punto di vista matematico collasso della funzione d’onda, tra tutti i valori probabilistici che la particella può avere, nel momento della misura ne viene fissato uno). Questa interpretazione farebbe dipendere la realtà dall’osservazione stessa. La natura sarebbe definita solo nel momento della relazione con l’osservatore e non avrebbe una propria essenza indipendente.

interpretazione epistemologica: la natura ha comunque di per sé valori definiti, il fatto che non possiamo conoscerli è dovuto ad altre motivi, ai nostri concetti di misura, ai nostri strumenti di osservazione

interpretazione operazionale: la natura ha ancora di per sé valori definiti, il fatto che non possiamo conoscerli è intrinseco anche questo alla natura.

Secondo una certa interpretazione dunque il principio di indeterminazione è insito nella natura dell’universo e non ha che fare con la nostra capacità di misurazione. Ogni oggetto è intrinsecamente dotato di un comportamento al contempo particellare e ondulatorio. Macroscopicamente non ci accorgiamo dei paradossi quantistici perché abbiamo a che fare con oggetti di valori estremamente grandi rispetto a quelli in gioco negli esperimenti.

The sizes of composite and elementary particles, with possibly smaller ones lying inside what's known. Image credit: Fermilab, via http://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2012/today12-03-09_NutshellReadMore.html.

La materia, secondo il modello standard, sarebbe quindi costituita da mattoni fondamentali raggruppabili in cinque grande famiglie di particelle (l’analogo di fine ‘800 della tabella periodica degli elementi per la spiegazione degli atomi e delle molecole)

The particles and antiparticles of the Standard Model. Image credit: E. Siegel.

Dalle varie interpretazioni che seguono dagli esperimenti (esempio della doppia fenditura con la ricostruzione della figura di interferenza) e dalle equazioni d’onda di Schrodinger che fissano le relazioni fra le probabilità delle diverse particelle, si può inferire che la natura (almeno microscopicamente) è delocalizzata e decausalizzata (non località spaziale/temporale per la massa, e non immediata e puntuale azione delle forze sulle masse).Questo porta a imbarazzanti quesiti (gatto di Schrödinger) ma anche a nuova tecnologia che sfrutta le proprietà della teoria anche quando di questa non sia possibile comprendere i dettagli.

• Al terminar el tiempo establecido, hay una probabilidad del 50% de que eldispositivo se haya activado y el gato esté mue...

La realtà, nella sua più intima struttura sarebbe addirittura caratterizzata da una schiuma quantistica: le minime particelle, come le bolle di una schiuma si produrrebbero e scomparirebbero passando dal dominio della materia e dell’energia in modo imprevedibile.

Physicist suggests 'quantum foam' may explain away huge cosmic energy
Schiuma quantica. (quantum foam)

La domanda che nasce dalla fisica quantistica è come siano tra loro correlate la necessità dovuta ad un principio di causalità (lo stesso che permette di affrontare uno studio scientifico della realtà, che la sostenga contro il caos assoluto, cioè la convinzione che tutti i fenomeni siano causati, e che gli effetti siano riproducibili nella misura in cui si conosce il legame causa effetto) e la libertà umana, cioè la nostra intima convinzione che nel nostro pensare e agire non siamo necessitati, e che soltanto la nostra volontà è autrice delle nostre scelte, quindi che in qualche modo il nostro agire è per certi aspetti imprevedibile.

Dal principio di indeterminazione deriva che se anche conoscessimo i nessi causali tra causa ed effetto, non potremmo più avere una predizione infinitamente precisa e sicura perché non possiamo accedere alle variabili specifiche della particella con la precisione voluta.