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Introduzione
In questa sezione del sito ci proponiamo di dare uno sguardo a una delle teorie scientifiche più interessanti ma nello stesso tempo enigmatiche elaborate nel corso del novecento, la Meccanica Quantistica. Tale teoria nacque quasi per caso, in seguito allo studio di un problema secondario della fisica classica, la radiazione del corpo nero, ed ebbe il suo più rapido sviluppo tra gli anni '20 e '40 di questo secolo, grazie all'interesse dimostrato verso questa nuova branca della fisica da parte dei migliori fisici teorici della prima metà del novecento, come ad esempio Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, e grazie anche alla venerabile tenacia di un'intera generazione di fisici sperimentali, che incuranti della notevole distanza tra la neonata e misteriosa meccanica dei quanti e i principi secolari della solida meccanica newtoniana, si dedicarono allo studio delle interazioni tra luce e materia nei primi e pionieristici laboratori di fisica nucleare.
Infatti insieme alla teoria della relatività e alle geometrie non euclidee, la meccanica quantistica rappresenta un vero e proprio scarto nei confronti della visione tradizionalmente deterministica del mondo tramandataci dai tempi di Newton: così come Einstein dimostrava l'inesattezza delle leggi della meccanica classica, i fisici che si interessarono di meccanica quantistica dimostravano come nel mondo dell'infinitamente piccolo le definizioni di onda, corpuscolo, posizione, andassero strette ai nuovi "oggetti quantistici" come l'elettrone e il fotone, e che si potessero utilizzare per una loro definizione approssimativa, mutuata dalla meccanica classica, la quale però certamente non ne restituiva fedelmente l'essenza fisica.
Altro fatto sconcertante, fu il venir meno del principio di causalità: la meccanica quantistica, al contrario della meccanica newtoniana, non offre certezze, ma si basa su una visione probabilistica degli eventi fisici, che non deriva dalla necessità di sintetizzare il comportamento di un grandissimo numero di particelle elementari che nel loro singolo si comportano in maniera deterministica. Grazie alla formulazione del principio di indeterminazione, la probabilità diventa una caratteristica intrinseca di ogni singolo oggetto quantistico, il cui comportamento è sempre soggetto a un certo margine di incertezza. Risulta comunque necessario distinguere tra caso soggettivo e caso oggettivo. Siamo di fronte ad un evento soggettivamente casuale quando di esso non si conosce la causa, ma questa deve esserci (ad esempio, in un primo momento non siamo in grado di individuare le cause di un incidente aereo, ma queste devono evidentemente esserci, e vengono scoperte a seguito di indagini e studi). La casualità oggettiva caratterizza un fenomeno di cui non solo non si conosce la causa, ma essa non c'è, e la sua assenza non è imputabile a una mancanza del nostro sistema di indagine ma alla presenza di una casualità pura, di una situazione che non può essere inquadrata nel principio di correlazione tra causa ed effetto, che pur essendo un'idea efficacissima nell'interpretare il mondo fisico, è pur sempre frutto del fatto che gli uomini per capire il mondo impongono ad esso i propri schemi concettuali. Ma nel caso della meccanica dei quanti, il principio di causalità è del tutto impotente. Questa incertezza che caratterizza i fondamenti della materia, gli oggetti microscopici, di cui si occupa la meccanica dei quanti, potrebbe far pensare a un mondo retto dal caso. Su questa idea hanno peraltro discusso una moltitudine di filosofi.
Per quanto i principi della meccanica quantistica possano sembrare controintuitivi, perché di fatto lontani da quella che è la nostra esperienza quotidiana con gli oggetti macroscopici, dei quali ad esempio possiamo tranquillamente individuare la posizione e la velocità con una precisione limitata sostanzialmente solo dai limiti strumentali e di prontezza dell'essere umano (e quindi esterni all'oggetto fisico in sè), si è resa necessaria fin dagli anni '20 una conciliazione tra meccanica classica e quantistica. La soluzione è data dal Principio di Corrispondenza di Bohr, che sulla falsariga dell'idea nel campo della meccanica macroscopica, per cui le previsioni della meccanica classica continuano ad essere accettate come caso particolare di quelle della meccanica relativistica per le basse velocità, afferma che le leggi della meccanica quantistica devono concordare con quelle della meccanica classica a mano a mano che il sistema in esame passa da dimensioni microscopiche a dimensioni macroscopiche. Insomma quando le leggi quantistiche sono applicate alla realtà macroscopica, devono dare lo stesso risultato delle leggi classiche. Ciò rivela una sorta di asimmetria tra leggi classiche e quantistiche le prime sono applicabili al mondo microscopico, mentre le seconde non riescono a descriverlo. Da ciò deriva l'idea delle leggi quantistiche come leggi fondamentali della materia, di cui le leggi classiche sono un'approssimazioni per grandi dimensioni.
Nonostante questa riconciliazione tra classico e quantistico, rimane il problema del contrasto tra la razionalità di qualsiasi uomo dotato di una normale dose di buonsenso, e l'a-causalità che sta alla base della nuova teoria. Tale questione non è oziosa, e generò un acceso dibattito tra Niels Bohr, forte sostenitore della nuova teoria, e il padre della relatività, Albert Einstein. Quest'ultimo era ancora fortemente legato a una visione deterministica della fisica, non accettava l'idea della presenza costante del caso oggettivo all'interno di una teoria scientifica. In verità non arrivava a concepire l'esistenza di qualcosa che trascendesse dal principio di causalità, faro di ogni disciplina scientifica. Sebbene Einstein non negasse il valore scientifico della teoria, era lungi dal considerarla completa, ossia in grado di spiegare ogni fenomeno fisico. Tale era invece la posizione di Bohr e di altri fisici come Heisenberg e Born, nota come interpretazione di Copenhagen, che attribuiva alla meccanica quantistica, così com'era, con la sua caratterizzazione probabilistica, lo status di teoria scientifica completa. La posizione di Einstein è riassumibile nelle parole scritte da lui in una lettera a Max Born nel 1926:
"La teoria è potente, ma non ci avvicina molto di più ai segreti del Vecchio. Ad ogni modo, io sono convinto che Lui non giochi ai dadi"
L'idea che la meccanica quantistica così come era stata formulata da Heinsenberg, Dirac e Schrödinger non fosse ancora completa, che la sua caratterizzazione probabilistica fosse dovuta a variabili nascoste, ossia a leggi e parametri non ancora scoperti (quindi l'idea che il caso che la contraddistingue sia soggettivo e non soggettivo) continuò a farsi strada fino ad un poderoso lavoro del 1932 del matematico John von Neumann, il quale dimostrò la non esistenza di eventuali variabili nascoste. Nonostante questa vittoria per l'interpretazione di Copenhagen, non erano pochi allora coloro che si opponevano alla visione della meccanica quantistica di Bohr e Heisenberg: oltre a Einstein altri eminenti fisici come de Broglie, che elaborò una versione deterministica della meccanica quantistica, abbandonata poi dallo stesso autore.
Per quanto al profano possa sembrare inaccettabile una teoria scientifica che implichi un'incertezza di fondo, ciò che è veramente sicuro è che la meccanica quantistica funziona perfettamente nella descrizione delle dinamiche del mondo particellare e nucleare, ed è alla base di numerose scoperte e applicazioni tecnologiche nel campo dell'elettronica, della chimica, dell'informatica e della medicina. Ora come ora, dopo un secolo dalla nascita di questa teoria, per dirla con le parole del fisico americano Richard Feynman "è forte il sospetto che questa limitazione ci inseguirà per sempre, e che è impossibile risolvere il rompicapo, e che la natura è proprio così. La meccanica quantistica resiste, perigliosa ed esatta".
Diramiamo qui il nostro discorso, per facilitare la comprensione, in vari argomenti:
