OLTRE LA FRONTIERA QUANTISTICA: UNA STORIA APPASSIONANTE
La scienza spesso ha difficoltà a rinnovarsi concettualmente in quanto esiste una sorta di inerzia nell'abbandonare vecchie strade collaudate per nuove strade ancora sconosciute. Le nuove idee a volte non vengono ben accolte non perchè sterili o inutili, ma perché estranee alla corrente di pensiero dominante dell'epoca. Nella storia della fisica poche sono state le idee che hanno introdotto novità nel pensiero scientifico. Scoperte del passato come quelle dovute a Keplero, Galileo, Newton, Einstein ed altri ancora, pur avendo contribuito in modo decisivo al progresso scientifico e filosofico, non si sono sempre rivelate verità assolute, ma piuttosto dei contributi eccezionali alla comprensione del mondo, dei tasselli di un puzzle che ancora oggi siamo ben lontani dall'aver completato. Nel presente articolo è riportata la storia di una scoperta che ha coinvolto e appassionato me ed altri colleghi che con me hanno condiviso anni di lavoro e di passione verso un'idea che pur non avendo introdotto nuove verità e non appartenendo alla corrente di pensiero dominante della nostra epoca, può comunque offrire una differente visione non standard del nostro Universo.
(Parte prima)
1. – Introduzione
Proposto da Louis de Broglie nel 1924, il dualismo onda-materia aveva lo scopo di estendere anche alle particelle materiali l’ipotesi einsteiniana sul duplice carattere ondulatorio e corpuscolare della radiazione elettromagnetica. Nelle sue linee essenziali, il dualismo assegna a luce e particelle materiali una duplice natura ondulatoria e corpuscolare, giustificando in questo modo l’uso simultaneo di teorie concettualmente e formalmente tanto differenti, come la Relatività e la Meccanica Ondulatoria.
Sin dal 1927 il dualismo fu sottoposto a severi test sperimentali utilizzando sia fasci di luce che di particelle materiali. I risultati hanno però sempre confermato due diverse realtà fisiche che possono essere così sintetizzare:
(a) l’effetto fotoelettrico studiato da Einstein (1905) e l’effetto Compton (1923), mettono in evidenza come a livello microscopico l’energia e la quantità di moto di un segnale luminoso non possano assumere un qualunque valore, ma solo valori multipli di quantità discrete. La luce è perciò formata da corpuscoli elementari, i fotoni, con energia e quantità di moto proporzionali alla frequenza della radiazione elettromagnetica emessa;
(b) l’analisi dell’immagine prodotta nella sovrapposizione di due fasci secondari di luce o di particelle materiali di uguale energia, prodotti dalla suddivisione di un medesimo fascio primario, mostra indipendentemente dalla natura originale del fascio usato e dalla sua intensità, la formazione di una figura di interferenza costituita da una successione di bande chiare e scure. Tale figura è giustificabile solo se la luce o la materia del fascio si propaga sotto forma di onde. Inoltre, la riduzione dell’intensità del fascio primario a valori prossimo allo zero, mostra come la figura di interferenza si produca indipendentemente dal valore di intensità ma si formi nella sovrapposizione di un numero grandissimo di impatti puntiformi, tipici di una natura corpuscolare e non ondulatoria della materia e della luce.
Proposto da Louis de Broglie nel 1924, il dualismo onda-materia aveva lo scopo di estendere anche alle particelle materiali l’ipotesi einsteiniana sul duplice carattere ondulatorio e corpuscolare della radiazione elettromagnetica. Nelle sue linee essenziali, il dualismo assegna a luce e particelle materiali una duplice natura ondulatoria e corpuscolare, giustificando in questo modo l’uso simultaneo di teorie concettualmente e formalmente tanto differenti, come la Relatività e la Meccanica Ondulatoria.
Sin dal 1927 il dualismo fu sottoposto a severi test sperimentali utilizzando sia fasci di luce che di particelle materiali. I risultati hanno però sempre confermato due diverse realtà fisiche che possono essere così sintetizzare:
(a) l’effetto fotoelettrico studiato da Einstein (1905) e l’effetto Compton (1923), mettono in evidenza come a livello microscopico l’energia e la quantità di moto di un segnale luminoso non possano assumere un qualunque valore, ma solo valori multipli di quantità discrete. La luce è perciò formata da corpuscoli elementari, i fotoni, con energia e quantità di moto proporzionali alla frequenza della radiazione elettromagnetica emessa;
(b) l’analisi dell’immagine prodotta nella sovrapposizione di due fasci secondari di luce o di particelle materiali di uguale energia, prodotti dalla suddivisione di un medesimo fascio primario, mostra indipendentemente dalla natura originale del fascio usato e dalla sua intensità, la formazione di una figura di interferenza costituita da una successione di bande chiare e scure. Tale figura è giustificabile solo se la luce o la materia del fascio si propaga sotto forma di onde. Inoltre, la riduzione dell’intensità del fascio primario a valori prossimo allo zero, mostra come la figura di interferenza si produca indipendentemente dal valore di intensità ma si formi nella sovrapposizione di un numero grandissimo di impatti puntiformi, tipici di una natura corpuscolare e non ondulatoria della materia e della luce.
Mentre il risultato (a) conferma il principio di quantizzazione dell’energia introdotto da Max Planck nel 1900, evidenziando per la luce una natura corpuscolare e non ondulatoria come previsto dalla teoria elettromagnetica di Maxwell, il risultato (b) evidenzia nettamente sia per la luce che per la materia una duplice natura ondulatoria e corpuscolare.
Sino ad oggi tutti gli esperimenti effettuati hanno sempre confermato l’ipotesi introdotta da de Broglie, consentendo alla fisica di accettare oltre ogni possibile e ragionevole dubbio la quantizzazione e il dualismo onda-corpuscolo come principi fondanti del pensiero quantistico e di ogni altro suo sviluppo contemporaneo.
Nel 1983, cinquantanove anni dopo la pubblicazione del suo lavoro, Louis de Broglie in un articolo pubblicato su “Histoire Générale des Sciences” [1], a proposito di quel periodo epico della storia della fisica scrisse: ”lo scopo essenziale (…) era arrivare ad una teoria sintetica delle onde e della materia in cui i corpuscoli apparissero come un comportamento particolare di una struttura ondulatoria controllati dalla sua propagazione (...) alcuni indizi suggerivano proprio questa via: la teoria di Hamilton-Jacobi, sviluppata (…) nel quadro della meccanica analitica classica sembrava indicare una stretta parentela fra i moti dei punti materiali e la propagazione di un’onda; l’intervento dei numeri interi nelle formule di quantizzazione della vecchia teoria dei quanti facevano pensare che fenomeni di interferenza o di risonanza intervenissero nella stabilità dei moti degli elettroni atomici ecc. Fu ispirandomi a queste particolarità che potei gettare le prime basi della meccanica ondulatoria, e ottenere con l’aiuto di concetti relativistici, le relazioni che legano l’energia e la quantità di moto di un corpuscolo alla frequenza e lunghezza d’onda dell’onda che le ipotesi della meccanica ondulatoria portavano ad associargli…”.
In una epoca di forti mutamenti del pensiero fisico e di transizione tra il determinismo della meccanica e l’indeterminismo tipico dei fenomeni ondulatori, Louis de Broglie nemmeno volendo avrebbe potuto fare a meno di affrontare lo studio della nuovissima fenomenologia quantistica, senza tentare la strada della mediazione tra le teorie più attuali, brillanti e concettualmente incompatibili della sua epoca. Infatti è proprio la loro naturale reciproca incompatibilità concettuale e formale, soprattutto nei confronti della località spaziale di un corpuscolo in contrapposizione alla non località dell’onda che lo descrive, che ci costringe ad accettare il dogma del dualismo, come l’unica strada possibile per comprendere e descrivere fenomeni diversamente inspiegabili.
Un anno dopo l’articolo di de Broglie, in occasione di un convegno di Meccanica Quantistica tenutosi ad Amalfi, Jhon Bell a cui era stato affidato il compito di concludere con un intervento il convegno, disse: “…siamo in presenza di una evidente profonda incompatibilità tra i due pilastri su cui si basa la scienza contemporanea, (la Teoria della Relatività e la Meccanica Quantistica). Attendo con impazienza le tavole rotonde in cui si lasceranno da parte gli sconvolgenti dettagli tecnici degli ultimi sviluppi, per riflettere su questa strana situazione. Forse una vera sintesi tra la Meccanica Quantistica e la Teoria della Relatività non ha bisogno solo di progresso tecnico ma di un radicale rinnovamento concettuale.” Rinnovamento che affonda le sue radici proprio nel teorema dovuto a Bell, che dimostra come due particelle identiche sono sempre correlate indipendentemente dalla distanza che le separa. Supponiamo infatti di avere un sistema con due particelle, per esempio due elettroni di spin opposto, uno up e uno down. Se utilizziamo un campo magnetico per modificare l’orientamento dello spin di una delle due particelle, anche lo spin dell’altra si modifica di conseguenza nella direzione opposta. Questo risultato apparentemente sconcertante, è stato confermato da due esperimenti storici, il primo eseguito nel 1972 da John Clauser e Stuart Freeman negli Stati Uniti e il secondo nel 1981 da A. Aspect, P. Grangier e C. Roger al CERN. Per quanto possa apparire inconcepibile, esiste una forma di comunicazione istantanea tra le due particelle, tale che modificando lo spin di una, anche lo spin dell’altra cambia. Il concetto di cambiamento “istantaneo” implica però l’esistenza di una forma di comunicazione a velocità infinita tra le particelle, fenomeno assolutamente non in accordo con il principio fondamentale della Relatività che prevede che la velocità della luce sia un limite invalicabile nella trasmissione dell’energia, ma alla base di tutti gli attualissimi esperimenti di teletrasporto della materia, nei quali mediante il processo di intrappolamento (entanglement) è possibile replicare a distanza fotoni particelle e atomi, distruggendo gli originali e ricreandone altri in un altro luogo con le medesime caratteristiche. Un fenomeno che Albert Einsten si divertiva a deridere definendolo “una fantomatica azione a distanza”.
La rottura concettuale e fenomenologica tra fisica relativistica e fisica quantistica è perciò un sicuro elemento di disturbo nel quadro della fisica contemporanea. Proprio il fenomeno del dualismo onda-corpuscolo potrebbe infatti essere la frontiera tra il mondo microscopico, obbediente alle leggi della meccanica quantistica e il mondo macroscopico governato dalle leggi della meccanica, dell’elettromagnetismo e dalla gravità. Un sipario che nasconde forse la vera natura della materia? La sfida è trovare questa frontiera e abbatterla. (continua)
Bibliografia
[1] Louis de Broglie. “Histoire Générale des Sciences”. Tomo III, Vol II. Presses Universitaires de France – Paris (1983).
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