Uno sguardo sul mondo dei quanti
Fabio Fantini
- dello stesso Autore: Estendere la Sintesi Moderna; Sintesi estesa e biologia quantistica -
Il dualismo del comportamento ondulatorio e corpuscolare che caratterizza l’elettrone costituisce una bizzarria rispetto al consueto mondo fisico, nel quale onde e particelle hanno comportamenti nettamente distinti. La visualizzazione mentale dell’elettrone non è agevole, ma ci aiuta l’equazione di De Broglie che associa un’onda di propagazione a qualsiasi corpo in moto. Questa relazione vale anche per corpi macroscopici, per i quali, però, la lunghezza d’onda è così piccola che non potrebbe essere rilevata neanche dal più sensibile degli strumenti. Poiché la massa dell’elettrone è molto piccola, e la velocità alla quale si muove molto elevata, la lunghezza d’onda dell’elettrone può essere tale da evidenziare le caratteristiche ondulatorie di comportamento.
La collocazione del principio di indeterminazione in un quadro concettuale coerente con le conoscenze fisiche familiari è ancora più difficile. In questo caso può esserci d’aiuto la considerazione che l’elettrone ha una posizione che non può essere determinata con precisione perché, in virtù del suo comportamento anche ondulatorio, non ha una posizione precisa.
Non è difficile intuire che la realtà fisica del mondo microscopico è molto più bizzarra di quanto immaginassimo. Il dualismo onda-particella e il principio di indeterminazione, però, sono solo un assaggio; forse sarebbe più corretto dire che la realtà fisica del mondo microscopico è più bizzarra di quanto possiamo mai immaginare. Tanto bizzarra da costringerci ad accettare idee che in un altro contesto non esiteremmo a definire strampalate, come ad esempio che le particelle possano trovarsi in più luoghi contemporaneamente.
Risultati sconcertanti per i criteri di razionalità che ci guidano nella vita di tutti i giorni sono forniti da un esperimento apparentemente banale, ma che, per usare le parole di Richard Feynman, «ha in sè il cuore della meccanica quantistica». L’esperimento consiste nello «sparare» atomi verso uno schermo nel quale sono praticate due fenditure. Le fenditure sono molto sottili, dell’ordine di grandezza dei micrometri, e altrettanto piccola è la distanza che le separa. Oltre questo schermo ne è situato un secondo, rivestito di una sostanza fotoluminescente, che rivela con un puntino luminoso l’urto di un atomo. Il flusso di atomi è diretto verso gli schermi, dapprima con una sola fenditura aperta.
Sullo schermo fotoluminescente si osserva una banda di puntini luminosi in corrispondenza della fenditura aperta (figura 1). Gli atomi passano solo attraverso la fenditura aperta e disegnano sullo schermo fotoluminescente una banda di puntini sostanzialmente allineata con l’apertura. Gli atomi si sono comportati come minuscoli proiettili, hanno tirato dritto attraverso la fenditura e tutt’al più possono, in alcuni casi, averne urtato i bordi ed essere stati leggermente dispersi, perché i contorni della banda non sono netti. Tutto come la nostra intuizione ci guida a prevedere.
La situazione cambia all’apertura della seconda fenditura. Con entrambe le fenditure aperte, gli atomi sono «sparati» uno alla volta. Ogni atomo sembra arrivare su un punto casuale dello schermo (figura 2 A), ma gradualmente emerge una caratteristica figura di interferenza (figura 2 B). Si osservano, infatti, bande luminose alternate a bande scure. Le bande chiare e scure non sono definite nettamente, ma presentano una variazione di sfumature di intensità tra i massimi e i minimi, simili a quella che si otterrebbe proiettando sullo schermo una radiazione luminosa (figura 2 C).
A quanto pare, l’apertura della seconda fenditura modifica il comportamento degli atomi. Anziché trovare due bande luminose in corrispondenza delle due fenditure aperte, nello schermo fotoluminescente si osserva una figura di interferenza come quella prodotta dalla luce, con un’alternanza di bande luminose e buie. La parte più luminosa delle schermo è la zona centrale tra le due fenditure, dove ci si sarebbe aspettato di trovare una zona completamente buia. Il comportamento degli atomi non è più quello di minuscoli proiettili, ma di onde. Alcune zone dello schermo, su cui gli atomi arrivano regolarmente se una sola fenditura è aperta, rimangono scure se si apre anche la seconda fenditura, nonostante la seconda apertura fornisca un’ulteriore strada per raggiungere lo schermo.
Sembra quasi che un atomo, quando passa attraverso una fenditura, sappia se l’altra fenditura è aperta o chiusa e si comporti di conseguenza. O forse, in maniera leggermente meno rovinosa per il nostro intelletto, un atomo inizia la traiettoria sotto forma di minuscola particella e arriva sul secondo schermo nella stessa forma, come indicato dal puntino luminoso che si accende. Ma nel mezzo, quando passa attraverso le due fenditure, la natura dell’atomo passa da particellare a ondulatoria: si forma un’onda che si divide in due componenti che emergono dalle due fenditure e interferiscono l’una con l’altra. Se una fenditura è chiusa, l’interferenza non si può verificare.
L’ipotesi non è facile da accettare, ma non è finita qui.
Posizioniamo un rilevatore di atomi dietro una delle due fenditure: gli atomi che passeranno di lì saranno intercettati e sarà possibile contarli e magari anche verificare se passi una parte di atomo, con l’altra parte dell’atomo-onda che transita attraverso l’altra fenditura. Il rilevatore indica l’effettivo passaggio di una parte degli atomi emessi (figura 3A), e fin qui tutto regolare. Solo che sullo schermo fotoluminescente non si produce alcuna figura di interferenza: gli atomi ora passano solo attraverso una fenditura alla volta, come quando l’altra fenditura era chiusa. È come se ogni atomo si comportasse da particella già prima di arrivare al primo schermo, «avvertito» della presenza del rilevatore oltre una delle due fenditure.
La logica con cui siamo abituati a interpretare i fenomeni del mondo fisico a questo punto vacilla. Manca ancora il colpo finale. Ripetiamo l’ultimo esperimento, ma questa volta con il rilevatore spento (figura 3B). Si osserva la ricomparsa della figura di interferenza. Come dire che gli atomi rimangono particelle dall’inizio alla fine solo quando li «guardiamo», sia pure indirettamente attraverso il rilevatore. È il processo di osservazione a essere cruciale.
La conclusione che l’esito di un esperimento dipende dal fatto che ci sia oppure non ci sia un’osservazione urta violentemente contro ogni logica cui siamo abituati. Si potrebbe avere la tentazione di considerare quanto descritto finora come un cumulo di fandonie o, nell’ipotesi più comprensiva, il risultato di esperimenti mal condotti e male interpretati. Dobbiamo però rassegnarci: non solo tutti i risultati sperimentali ottenuti in oltre un secolo sono stati coerenti con il modello probabilistico della meccanica quantistica, non solo l’apparato matematico che sostiene la meccanica quantistica è perfettamente coerente e capace di descrivere con precisione le bizzarrie del comportamento microscopico della materia, ma praticamente tutti gli apparecchi elettronici che usiamo, dai telefoni cellulari ai GPS, dai televisori alle centraline di controllo dei motori delle auto, utilizzano con successo i principi della meccanica quantistica (figura 4).
Uno sciatore che si comportasse come una particella quantistica, dovendo evitare un albero durante la discesa, passerebbe da tutte e due le parti del tronco contemporaneamente. Nel mondo macroscopico in cui viviamo, ciò non potrebbe mai accadere. Ma è esattamente ciò che succede nel mondo dei quanti.
Inoltre, come ormai da qualche decennio un numero crescente di scienziati comincia a intuire, molti processi fondamentali della vita, dalla fotosintesi clorofilliana alla sintesi di ATP, si basano su fenomeni quantistici dai nomi esotici e vagamente inquietanti come effetto tunnel, sovrapposizione, decoerenza, non località, correlazione quantistica.
L’effetto tunnel
L’effetto tunnel consiste nel superamento da parte di una particella quantistica di una barriera energetica che non potrebbe valicare, perché priva dell’energia minima sufficiente. Se si rappresenta la barriera come il profilo di una collina e la particella come una sfera rotolante lungo il pendio, per la meccanica classica il superamento della barriera è impossibile, se la sfera non possiede l’energia sufficiente per raggiungere la sommità del valico (figura A). La presenza della particella oltre la barriera, per esempio l’emissione di una particella alfa con energia inferiore a quella che sarebbe necessaria per sfuggire al nucleo, corrisponde all’attraversamento di un tunnel che «perfora» la collina a bassa quota e la cui imboccatura può essere facilmente raggiunta dalla particella (figura B). Se vogliamo andare oltre l’analogia con oggetti del mondo macroscopico, possiamo pensare che la funzione d’onda che descrive la particella sia in sovrapposizione ai due lati della barriera contemporaneamente. La funzione d’onda abbraccia entrambi i versanti della barriera; l’osservazione fa collassare la funzione d’onda e allora noi troveremo la particella su un versante oppure sull’altro. La probabilità di trovare la particella su un dato versante dipende dalle caratteristiche della funzione d’onda, in particolare dal quadrato del suo valore che esprime la probabilità di trovare la particella in un dato punto dello spazio.
Figure 1 – 4: La chimica di Rippa. Dalla struttura atomica alla nomenclatura. Secondo biennio, Bovolenta, Ferrara 2016
Figura: Al-Khalili, La fisica dei perplessi, Bollati Boringhieri, Torino 2014