Introduzione agli elementi idealistici della fisica quantistica

Nascita della fisica quantistica:

Vorrei qui riassumere la nascita e la storia della fisica quantistica, che ci dà delle preziose indicazioni.

Questa affascinante branca della fisica, che tenta di investigare sulla struttura microscopica della materia per comprendere le leggi dell’universo, non è stata creata da quelli che poi divennero i fisici quantistici “ortodossi” , come il danese Nils Bohr ed il tedesco Werner Heisenberg, riuniti nella cosiddetta “scuola di Copenaghen” dominata dalla figura del grande fisico danese.

Il primo ad introdurre il concetto di “quanto” nell’anno 1900 fu in realtà il grande fisico tedesco Max Planck che, studiando le emissioni energetiche del cosiddetto “corpo nero”, si era accorto che per far tornare i calcoli doveva supporre che l’energia fosse scambiata per minime quantità discrete (ovvero dei veri e propri atomi di energia) che egli chiamò “quanti”. Cinque anni dopo un giovane e sconosciuto fisico tedesco trasferitosi in Svizzera, Albert Einstein, in una memoria riguardante l’effetto fotoelettrico, ovvero la capacità delle onde luminose di adeguata frequenza di estrarre gli elettroni dai metalli, spiegò che in quel caso i quanti erano dei veri atomi energetici di energia luminosa che il grande fisico ribattezzò “fotoni” (dalla parola greca antica “fos” che significa “luce”) che agivano sulla materia come dei piccoli proiettili. Per questo studio (e non per la teoria della relatività !) Einstein vinse il premio Nobel.

Planck ed Einstein devono quindi essere considerati i veri fondatori della fisica quantistica, contro cui si schierò inizialmente Bohr, salvo poi a divenirne il massimo interprete con la sua interpretazione “ortodossa” (ancora oggi di moda e generalmente accettata dai fisici). Einstein, insieme ad altri fisici di prima grandezza, contestò a lungo l’interpretazione di Bohr-Heisenberg, come ci ripromettiamo di illustrare in seguito.

Lo scontro diretto tra Einstein e Bohr è stato illustrato in modo romanzato, ma preciso, in un libro di fantasia scritto dalla fisica e scrittrice Gabriela Greison (“L’incredibile cena dei fisici quantistici”, ed. Salani) in cui si ricorda la famosa cena di gala dell’ottobre del 1927 seguita al famoso convegno Solvay di Bruxelles in cui si confrontarono i 27 fisici più famosi dell’epoca (tra cui 17 premi Nobel).

Il dilemma onda-particella:

Nel 1924 un’ardita teoria fu esposta in una tesi di laurea di un brillante fisico francese, Louis De Broglie, secondo cui la materia si presenta contemporaneamente sotto forma di particelle e di onde. Questa teoria era certamente in accordo con lo studio di Einstein che aveva dimostrato che la luce si presenta contemporaneamente come onda e come particella energetica (fotone), ma estendeva questa teoria a tutta la materia.

La validità della teoria di De Broglie è incontestabile ed è dimostrata dall’esperienza della “doppia fenditura”, considerata in genere come l’esperienza fondamentale della fisica quantistica (vedi ad es. il libro di divulgazione scientifica del fisico statunitense Feynman, “sei pezzi facili”, ed. Adelphi).

Questa esperienza era stata attuata già all’inizio del 1800 dal fisico e medico inglese Thomas Young per dimostrare che la luce era un’onda. Se si fa passare attraverso due piccole fenditure un fascio di luce, che così si divide in due, su un secondo schermo si formeranno delle tipiche “figure di interferenza” che si formano solo nel caso che il fascio di luce sia un’onda e si sia diviso in due onde.

Se si ripete la stessa esperienza con un fascio di elettroni, si hanno le stesse figure di interferenza, fatto che dimostra che gli elettroni si comportano come onde. Ma se si tenta di registrare l’arrivo degli elettroni con un contatore Geiger o si illuminano le traiettorie per individuarle, gli elettroni non danno più il fenomeno di interferenza e si comportano come particelle.

L’interpretazione di Bohr e dei suoi seguaci è che il verificarsi del fenomeno, nel mondo microscopico in cui la misura interferisce in modo significativo con la realtà, è dovuto all’azione dell’osservatore-sperimentatore. Ogni tipo di esperienza ci dà una risposta diversa (ad es. o registriamo un’onda, o registriamo una particella). Nulla si può dire, né è opportuno dire, su cosa accade all’interno della materia esaminata. Abbiamo solo una serie di risposte diverse, determinate dall’azione dello sperimentatore-osservatore, tra loro “complementari” ma non sovrapponibili o confluenti in una sintesi unitaria (“principio di complementarità”).

Con una serie di forzature filosofiche la realtà oggettiva diventa quindi qualcosa di evanescente su cui non si può dire nulla. Conta solo il fenomeno registrato.

Questo principio ha in realtà numerosi antecedenti filosofici: ad es. la filosofia settecentesca del vescovo Berkeley (già esaminato nella rubrica scientifica della Voce) che, partendo da una filosofia empirista radicale, sfociava nell’idealismo. Il vescovo sosteneva che il mondo era immateriale e che la realtà era formata solo dalle nostre sensazioni.

Più recentemente (fine ‘800, inizio ‘900) si può citare il pensiero “empirio-criticista” del fisico e filosofo viennese Ernst Mach, che sosteneva che una legge fisica è solo un modo di riordinare e sintetizzare i risultati delle nostre esperienze, e che nulla è lecito dire su una presunta realtà oggettiva esterna a noi.

Il principio di indeterminazione:

La posizione di Bohr era rafforzata dal principio di indeterminazione elaborato nel 1927 da un giovane e brillante fisico tedesco, Werner Heisenberg, secondo cui è impossibile nella fisica microscopica determinare con precisione contemporaneamente la quantità di moto e la posizione di una particella.

I fisici della “scuola di Copenaghen” ne derivavano l’impossibilità di determinare le reali leggi di comportamento delle onde-particelle elementari. Di qui il passo è breve verso una posizione, non solo agnostica, ma addirittura anti-deterministica. Di qui provengono una serie di affermazioni dei fisici quantistici “ortodossi” tese a sostenere che ciò che succede nel mondo subatomico è “casuale” e che il rigoroso principio di causa-effetto va sostituito da un principio di semplice interralazione tra fenomeni.

Posizioni simili erano sostenute anche nell’antichità. Abbiamo ricordato nei primi numeri della rubrica scientifica della Voce, che mentre all’atomista Democrito viene attribuita la bellissima frase di stampo determinista: “nulla avviene nell’universo che non abbia una causa ed una ragione”, l’allievo di un suo allievo, il filosofo Epicuro, pur adottando la fisica atomistica, sosteneva che gli atomi potevano subire delle deviazioni arbitrarie ed ingiustificate (in latino: “clinamen”).

La stretta collaborazione tra Bohr ed Heisenberg durò fino alla seconda guerra mondiale, quando Heisenberg, nominato da Hitler responsabile del programma atomico del Reich, si recò in Danimarca, che era sotto occupazione nazista, a chiedere l’aiuto di Bohr, che lo mise alla porta.

Einstein, che era determinista, coniò – in polemica con Bohr – la notissima frase: “Dio non gioca a dadi”, ovvero la natura procede per leggi precise ed individuabili anche con “esperimenti mentali” mediante i quali dalle cause si possono prevedere gli effetti e dagli effetti previsti risalire alle cause.

Einstein dichiarò anche che, se il comportamento microscopico della materia fosse stato casuale, allora egli, piuttosto che fare il fisico, avrebbe preferito fare il croupier.

Ricordiamo che tutti i grandi scienziati sono stati in genere deterministi, materialisti ed indagatori della realtà “oggettiva” data per scontata (vedi Galilei, Newton, Lavoisier, Laplace, Dalton, Faraday, Maxwell, fino al povero Boltzmann che all’inizio del ‘900 si suicidò, anche per gli attacchi continui mossigli dagli ambienti empirio-criticisti).

L’equazione di Schrodinger:

La polemica tra i due schieramenti quantistici conobbe un nuovo capitolo quando un brillante fisico viennese, Erwin Schrodinger, entusiasta della teoria delle onde/particelle di De Broglie, elaborò una notissima equazione, basata sul comportamento ondulatorio dell’elettrone, che in modo semplice ed elegante descrive il comportamento dell’onda/particella.

La cosa suscitò la rabbia di Heisenberg che aveva elaborato un complicato sistema basato su delle matrici matematiche per ottenere gli stessi risultati.

L’equazione di Schrodinger fu però utilizzata a modo loro dai seguaci di Bohr, in particolare per intervento di Max Born, massimo esponente della scuola matematico-fisica di Gottinga in Germania, interpretando le onde espresse con l’equazione come “onde di probabilità”, ovvero onde indicanti la probabilità che una certa percentuale della particella fosse presente in un punto. Schrodinger non era d’accordo, e nemmeno lo stesso De Broglie che interpretava le onde come onde materiali, e non esprimenti probabilità statistiche. I due grandi fisici (entrambi premi Nobel) erano schierati sostanzialmente dalla parte di Einstein.

Secondo gli ortodossi ogni onda rappresentava un certo stato ed una certa posizione dell’elettrone. Solo l’intervento dello sperimentatore-osservatore avrebbe determinato il “crollo delle onde di probabilità” e l’assunzione di uno stato finale da parte dell’elettrone misurabile sperimentalmente.

Il gatto di Schrodinger:

In seguito, nel 1935, per prendere in giro il modo di ragionare degli “ortodossi”, Schrodinger, che era spiritoso come Einstein, elaborò il famoso paradosso del gatto. Supponendo che un gatto fosse chiuso in una scatola chiusa ermeticamente contenente un meccanismo mortale azionabile da un elettrone proveniente dalla decadenza di un atomo (evento che avrebbe potuto verificarsi o non verificarsi), si sarebbe determinata la morte del gatto se la decadenza fosse avvenuta o la permanenza in vita del gatto se la decadenza non fosse avvenuta. Secondo gli ortodossi invece il gatto sarebbe stato contemporaneamente vivo e morto e solo l’osservatore-sperimentatore, aprendo la scatola, avrebbe determinato la vita o la morte del gatto.

Naturalmente Bohr rispose con intelligenza e si innescò un dibattito che sarebbe troppo lungo descrivere. Dopo la seconda guerra mondiale, Bohr fu invitato a Mosca dai valenti fisici sovietici che contestarono cortesemente gli aspetti idealistici delle sue impostazioni. Si dice che Bohr ne sia rimasto piuttosto colpito.

Da parte sua il quantista “ortodosso” statunitense Richard Feynman, premio Nobel per i suoi studi sull’elettrodinamica quantistica (Q.E.D.), coniò il motto: “zitto e calcola”, che significa che non si devono fare ipotesi sul comportamento oggettivo della materia a livello microscopico, ma solo effettuare calcoli su equazioni formali che portano comunque a risultati in buon accordo con i dati sperimentali (da cui l’indubbio successo della fisica quantistica e l’apparente momentanea “sconfitta” ed isolamento di Einstein).

La posizione dei materialisti dialettici:

Negli interventi di Ana Neto e di A. Martocchia è stata giustamente ricordata la polemica di Lenin contro la filosofia di Mach (“Materialismo ed Empiriocriticismo”). Lenin rivendicava la validità di una filosofia materialista, basata sullo studio di un mondo reale “oggettivo”, che desse senso ad uno studio scientifico della realtà fenomenica e superasse le pulsioni idealiste.

E’ stato ricordato che anche Marx ha espresso concetti simili estendendo l’indagine scientifica anche al mondo reale della società umana.

In precedenza Engels, in particolare nella “Dialettica della natura”, aveva messo in guardia gli scienziati dal pericolo di non dotarsi di una robusta filosofia di base (che per lui ovviamente consisteva nel “materialismo dialettico”), ironizzando su quegli scienziati che - come il famoso “borghese gentiluomo” di Moliere che faceva della “prosa” senza saperlo – facevano della cattiva filosofia alla moda senza saperlo.

Engels invitava anche gli scienziati ad un continuo approfondimento della conoscenza della realtà oggettiva, visto come un processo senza fine, data l’estrema complessità del reale, ma che portava ugualmente l’umanità a compiere una serie infinita di approfondimenti ed aggiustamenti delle teorie scientifiche precedenti.

Il grande pensatore tedesco non aveva dubbi sul fatto che la conoscenza maturata attraverso l’esperienza fosse il “riflesso” nella nostra mente di un mondo oggettivo, indipendente dalla nostra esistenza.

Il termine “dialettico” viene usato da Engels a proposito del mondo naturale per sottolineare alcuni principi che si verificano concretamente in natura determinandone l’evoluzione fatta a salti, come l’accumulo di quantità che diviene “qualità” (potrebbe pensarsi ad un passaggio di stato della materia provocato da un aumento progressivo della temperatura e che scatta in corrispondenza di una soglia precisa, oppure l’aumento progressivo della frequenza di una radiazione che, raggiunto un valore preciso, provoca un fenomeno del tutto nuovo come l’emissione di elettroni nell’effetto fotoelettrico). Un altro principio dialettico è il verificarsi della presenza di stati di segno opposto (come ad es. nel caso del binomio onda-particella) che i quantisti ortodossi risolvono solo con l’immaginare due esperienze diverse che provocano la separazione dei due principi indotta dall’intervento dell’osservatore-sperimentatore, ma che non danno conto della sintesi in natura dei due principi.

Non è forse casuale che il manoscritto di Engels sulla “Dialettica della Natura”, tenuto per decine di anni in un cassetto dal socialista moderato Bernstein, sia stato pubblicato solo nella prima metà del ‘900 dopo un parere favorevole sulla sua pubblicazione dato da Einstein, che era di simpatie socialiste.

Come mia posizione personale raccomanderei a tutti gli amici “materialisti dialettici” di non far diventare la filosofia di Engels una nuova forma di dogmatismo, ma applicarla concretamente, tenendo conto dei grandi risultati degli scienziati “classici” (come Galilei, Newton, Darwin, Einstein), dai filosofi materialisti, come Democrito o Hobbes (non mi piace l’espressione “materialismo volgare”), ed anche di ciò che di meglio sia ricavabile dalla grande scuola empirista di Locke, Hume, Condillac, scartandone gli esiti più paradossali che ci riportano a forme di idealismo.

Solo così il “materialismo dialettico” rimarrà una filosofia viva, depurata da ogni residuo idealistico di hegeliana memoria. 

 Roma 24.5.2017, Vincenzo Brandi