Universo#4

Il mondo dei quanti

E siamo alla cosiddetta rivoluzione quantistica, quell’insieme di teorie che possono condensarsi nell’enunciato che il mondo è fatto di piccoli “quanti” misurabili rispetto ad una scala di costanti scoperte dal Nobel Max Plank, le cosiddette “unità di Dio“. Tali  particelle, dette “atomi”, ed il loro costituenti chiamati “adroni”, sappiamo ora essere formati a loro volta dall’amalgama di molte altre particelle che chiamiamo fermioni (quark e leptoni) e bosoni. A tenere insieme ad esempio in un protone un trio di quark c’è un campo energetico (in questo caso la forza nucleare forte, mediata anch’essa da particelle) che conferisce al trio una massa cento volte rispetto a quella che avrebbero  come semplice somma di quark.  Quasi tutta la massa degli adroni è generata quindi dall’ interazione forte che lega i quark. L’unica particella(che è anche un campo come vedremo in seguito) con una massa propria è il “Bosone di higgs”; è proprio questa “particella di Dio” a conferire un massa alle altre, interagendo con esse.

Il modello “standard”

Questo schema fatto di “matriosche corpuscolari”(detto Modello Standard) era abbastanza rassicurante per chi vedeva il mondo come pura materia, soprattutto prima che queste misteriose “forze” abbiano preso a popolare il panorama della fisica. A dire il vero, qualche dubbio sulla linearità del concetto di materia era sorto molto prima,  già nel ‘600, quando Huygens aveva capito che la luce aveva caratteristiche ondulatorie, e non solo corpuscolari come prevedeva la meccanica di Newton. Ma si pensava  fosse un’eccezione isolata che sarebbe rientrata non appena gli sviluppi della tecnica lo avrebbero permesso.

Il Nobel L. de Broglie

Ma nel 1924 Louis de Broglie, per risolvere le incongruenze sperimentali della fisica classica, propose l’ipotesi presto confermata, che tutte le particelle dotate di massa si comportano come onde. La natura della materia diventò duale, perdendo buona parte della sua intuitività, così come era già successo al tempo, alla massa ed allo spazio einsteiniano. Il materialismo aveva perso consistenza, tanto che il grande fisico teorico E. Maiorana ebbe a dire: «con la nuova fisica la scienza ha cessato di essere una giustificazione per il volgare materialismo» (R. Finzi, Ettore Majorana, un’indagine storica, 2002, p. 48).

Ma la Meccanica Quantistica (MQ), nata per spiegare i bislacchi fenomeni del mondo dei quanti, riservava nuove sorprese: furono due Nobel olandesi a rendere più ardua la comprensione dell’infinitamente piccolo. Il principio di indeterminazione di W. K. Heisemberg sancisce che noi non possiamo conoscere in un dato momento tutte le grandezze disiche di una particella.  Il principio di complementarietà di Niels Bohr avvisa invece che sarà proprio l’osservatore a determinare la caratteristica (onda o corpuscolo) che la materia manifesterà. Questi due principi limitativi della fisica smaterializzarono immediatamente gli elettroni in orbite probabilistiche. Ogni “corpuscolo” e, successivamente, ogni “corpo” acquisirono un alter ego immateriale, descritto numericamente dall’equazione di funzione d’onda di Schrödinger, col paradosso felino che si trascina dietro. Seppellito il materialismo, si assisteva alla fine del determinismo ed allo sgretolamento del razionalismo anche perchè lo stesso osservatore viene “risucchiato” nel fenomeno fisico.

L’interpretazione di Coopenagen

Einstein non stravedeva per il materialismo e, da buon determinista si oppose con tutte le sue forze alle teorie che rendevano i quanti di materia nuvole di probabilità disturbate dall’osservatore. Nei corridoi degli alberghi di Bruxelles, nel 1927, nell’ambito del congresso di Solvay, riecheggiò il famoso “Dio non gioca a dadi” ed a Princeton nel ’50 “Davvero sei convinto che la Luna esista solo se qualcuno la guarda?”, frasi che esprimono l’acuto disagio di uno scienziato a cui avevano rubato il giocattolo da indagare: l’oggettivitàera evaporata e con lei la realtà. L’ipotesi olandese, denominata successivamente “Interpretazione di Coopenhagen”, ebbe la meglio e causa tutt’oggi l’imbarazzante fragilità dei fondamenti della fisica. Il grande matematico e fisico J. Von Neumann sostenne che è l’osservatore stesso, dotato della coscienza metafisica, a portare all’esistenza il mondo materiale, altrimenti condannato in un limbo di possibilità. Il cadavere del realismo incombeva riducendo il mondo ad una capricciosa produzione della mente umana. “Esse est percipi“, diceva Berkeley nel seicento dallo scranno della filosofia e nel novecento gli faceva eco Heisemberg dallo scantinato della fisica: “in definitiva, la realtà della quale possiamo parlare non è mai la realtà in sé, ma una realtà filtrata dalla nostra conoscenza o persino in molti casi da noi configurata.” Nonostante lo si continui a contrabbandare come la più grande speranza dell’umanità, col “furto della realtà” risultante dalla fisica, lo stesso positivismo, fondato su materialismo, determinismo e razionalismo, diventava un trapassato della filosofia e l’antropocentrismo, buttato fuori dalla porta  con Copernico, rientrava prepotentemente dalla finestra con Eisemberg.

La particelle come “vibrazione di campi”

Il Nobel R. P. Feynman

E una cosa orribile” disse di quanto accaduto R. P. Feynman (Sei pezzi facili, 2000 ) e i fisici non potevano certo arrendersi a quella che appariva una” descrizione di una natura assurda.” (QUED. La strana teoria della luce e della materia, 1989). Siccome la Meccanica Quantistica e Relatività Speciale non andavano d’accordo e siccome  RS risultava limitativa rispetto alle altre teorie, bisognava modificare la MQ con qualcosa che permettesse alla fisica, in un colpo solo, ulteriori successi pratici e l’uscita dal vicolo cieco in cui si era cacciata. Nacque così la TQC (Teoria Quantistica dei Campi).

A questa nuova teoria della realtà diedero fondamentali contributi gente del calibro di Feynman e Paul Dirac. Essa, pur non superando i limiti gnoseologici della MQ,  li aggirava divenendo empiricamente e sperimentalmente efficace: ci ha dato ragione dell’interazione tra le particelle –intese in questo modello come vibrazioni del campo–con la dozzina di campi che ormai conosciamo;  ci ha introdotto alle proprietà del vuoto e dell’antimateria. Cosa è quindi la materia? Una cosa  che vibra in un campo e che la acquisisce massa  interagendo con campi di energia. Capito? No? Pazienza, funziona! La TQC sarà anche un gigante prodigo di modelli e soluzioni brillanti ma che, ben conscio delle sue gambe d’argilla (manca una precisa formalizzazione logico-matematica) invita i fisici a non pensare troppo, figlio com’è del pragmatismo del “Zitto e calcola!“( N. D. Mermin, Cornwell University ).

Nella prossima puntata ci occuperemo proprio di vuoto e di antimateria, due “realtà” fondanti del cosiddetto “modello standard”.