Einstein, la teoria dei quanti e la battaglia per la realtà. “Penso di poter tranquillamente dire che nessuno capisce la meccanica quantistica.” Così scherzò il grande fisico Richard Feynman negli anni ’60 – e le sue parole si sentono altrettanto fresche oggi. La spiegazione quantomeccanica di come l’universo funziona a livello atomico offende l’intuizione. Il gatto di Schròdinger, lo sfortunato gatto intrappolato in una scatola con un atomo radioattivo il cui imprevedibile decadimento rilascerà gas velenoso, è sia vivo che morto finché non apriamo la scatola per guardare.
Una particella non ha una posizione definita finché non la misuriamo, la sua posizione precisa né qui né là, ma un groviglio di probabilità. Un attimo. Guardare, misurare: le nostre azioni fanno davvero la differenza? Non è quel povero felino sia vivo o morto già prima di aprire la scatola?
Veramente il mondo si comporta indipendentemente dalla nostra percezione di esso?
Albert Einstein lo pensava così: sosteneva il realismo, in cui l’universo può essere compreso e descritto senza riguardo alle nostre interazioni con esso. La sua nemesi era il fisico danese e ardente anti-realista Niels Bohr, il quale sosteneva che non è possibile un’immagine così oggettiva, solo una tela sovrastante che descrivesse ciò che possiamo osservare e misurare. Alla fine, l’anti-realismo ha vinto. La meccanica quantistica promossa da Bohr, che relega la realtà a un’irrilevanza, è l’immagine prevalente della natura a scala atomica e subatomica. Dovrebbe essere tutto rovesciato, secondo Lee Smolin, insieme al pensiero “magico” che lo accompagna.
Smolin, una figura di primo piano nella lotta per ripristinare il realismo come fondamento della scienza, insiste sul fatto che ora è il momento giusto per prendere le armi. “La scienza è sotto attacco“, scrive nella Rivoluzione incompiuta di Einstein , “e con essa la credenza in un mondo reale in cui i fatti sono veri o falsi… Quando la stessa fisica fondamentale viene dirottata da una filosofia antirealista, siamo in pericolo. Il rischio,” avverte, “è la resa del secolare progetto di realismo, che è il continuo aggiustamento, un po’ alla volta, di come la conoscenza progredisce, del confine tra la nostra conoscenza della realtà e il regno della fantasia.”
Smolin offre un’esposizione magistrale sullo stato della fisica quantistica, fondendo armoniosamente una storia con spiegazioni chiare, contesto filosofico e un’introduzione accessibile a nuove idee. La sua narrazione su come due prospettive in competizione sul comportamento quantistico si sono indurite nell’ortodossia controintuitiva di Bohr, è affascinante.
Einstein ha sparato il colpo iniziale abbracciando l’idea che la luce possa mostrare le proprietà sia di una particella, che occupa una posizione definita, sia di un’onda, che è più diffusa. Nel 1905, quando aveva solo 26 anni e lavorava come impiegato in un ufficio brevetti, dimostrò che la luce colpendo un metallo può liberare gli elettroni. Aveva scoperto quello che divenne noto come effetto fotoelettrico, dimostrando che la luce arriva in piccoli pacchetti o “quanti” (ora chiamati fotoni).
Gli avrebbe fruttato un premio Nobel nel 1921.
Niels Bohr notò che la teoria sulla luce di Einstein potrebbe essere utilmente applicata agli atomi. Un giovane aristocratico parigino di nome Louis de Broglie fornì quindi un’intuizione critica: se la luce può essere sia un’onda che una particella, potrebbe la stessa dualità bizzarra essere vera per gli elettroni e l’altra materia? Nel 1925, Erwin Schròdinger, dell’Università di Zurigo, venne a conoscenza della tesi di de Broglie e la fece sua. In pochi giorni, inventò le equazioni relative.
Bohr comprese che tutte queste scoperte stavano convergendo verso una teoria piena di sconcertanti probabilità e incertezze, una avvio scioccante, considerato che prendeva la stura dai risultati familiari e deterministici della fisica classica. Ma la nuova teoria della meccanica quantistica sembrava funzionare, se non intuitivamente, matematicamente.
Bohr ha colto il suo momento, scrive Smolin, “annunciando la nascita non solo di una nuova fisica ma di una nuova filosofia. Il momento di un radicale anti-realismo era arrivato e Bohr era pronto per questo“. Poiché l’istituto di Bohr, in Danimarca, era il punto di riferimento per queste idee, la filosofia divenne nota come interpretazione di Copenaghen. Quando il teorico tedesco Werner Heisenberg arrivò alla stessa formulazione della meccanica quantistica attraverso una strada diversa, Bohr ebbe ancora una volta ragione e Einstein dovette piegarsi alla dominazione danese, anche se il realismo non è mai morto del tutto.
De Broglie, in seguito, aprì la strada a un’idea unificante chiamata teoria dell’onda pilota, in cui la particella è guidata da un’onda “pilota“. È stato riscoperto negli anni ’50 e ha ancora i suoi seguaci. L’ultimo mezzo secolo ha dato origine ad altre idee innovative come la gravità quantistica del loop, di cui Smolin è un ricercatore leader. Ma lui e i suoi colleghi non si fanno illusioni sulla monumentale sfida futura: la necessità di inventare la nuova fisica, come hanno fatto Einstein e altri. Se Einstein è l’uomo del momento, è perché il 2019 segna il centenario della prova più spettacolare dei suoi poteri: lo sforzo britannico di confermare la sua teoria della relatività usando l’eclissi solare totale del 1919.
Questo esperimento e la sua eredità è il soggetto di No Shadow of a Doubt, di Daniel Kennefick dell’Università dell’Arkansas. Einstein aveva calcolato che la luce delle stelle deve piegarsi mentre supera un oggetto massiccio – il Sole, per esempio – perché la gravità dell’oggetto altera la trama dello spazio-tempo. L’eclissi del 29 maggio 1919 prometteva una rara possibilità di testare la sua previsione. Scienziati britannici colsero l’occasione e programmarono spedizioni in due località, l’Isola Principe nel Golfo di Guinea e Sobral in Brasile.
Quando la Luna passa davanti al Sole durante una tale eclissi, blocca la luce del disco solare e trasforma il giorno in notte. Il blackout temporaneo consente di vedere le stelle attorno al bordo del Sole (così come la corona del sole). Confrontando le vere posizioni delle stelle con le loro posizioni apparenti durante il blackout, gli scienziati dedussero se il Sole stava effettivamente deviando la luce stellare.
Kennefick porta un elettrizzante mix di ingredienti in una lettura densa ma gratificante: la faccia tosta di Einstein; il fascino, la fortuna e il senso dell’avventura dell’eclipse-chasing; l’audacia di pianificare un esperimento così impegnativo durante la prima guerra mondiale e di eseguirlo nelle sue conseguenze caotiche.
Un precedente tentativo di confermare la relatività terminò male: gli scienziati tedeschi che osservavano l’eclissi del 1914 in Crimea furono arrestati come spie dai russi. La guerra, inevitabilmente, gettò un’ombra sull’eclisse del 1919. La pianificazione toccò a due brillanti astronomi, entrambi “stravaganti” pacifisti: Sir Arthur Eddington, direttore dell’Osservatorio di Cambridge, e Sir Frank Dyson, poi Astronomer Royal con sede a Greenwich.
Eddington, renitente alla leva, si trovò di fronte alla prigione finché la sua università non fece un commovente appello al consiglio di leva, sostenendo che dopo le morti in tempo di guerra del primo e del secondo assistente dell’osservatorio, nessuno a Cambridge sapeva come osservare un’eclissi. Una carenza di navi civili creò difficoltà nel dispiegare le attrezzature necessarie. Ma le spedizioni in qualche modo salparono, il sole splendeva e le osservazioni necessarie erano assicurate. E quali osservazioni erano! Nel novembre del 1919, sei mesi dopo l’eclissi, Eddington e Dyson rivelarono di aver confermato la previsione di Einstein. Era una sensazione globale.
Quando la stessa fisica fondamentale viene dirottata da una filosofia antirealista, siamo in pericolo. La conferma influenzò persino la cultura della scienza: la disponibilità di Einstein a sottoporre le sue idee a un’indagine sperimentale convinse il filosofo Karl Popper a sviluppare la “falsificabilità” come cartina tornasole della verità scientifica.
Kennefick analizza lo scetticismo che da allora ha avvolto questo esperimento storico. Dopo la guerra, osserva, la maggior parte degli scienziati tedeschi ha affrontato l’ostracismo. Eddington e Dyson complottarono per dimostrare la relatività in un tentativo del dopoguerra di riunire gli scienziati e il resto del mondo? Hanno mostrato pregiudizi rifiutando alcuni dati? Anche il fatto che sia Eddington sia Dyson fossero bravi nelle pubbliche relazioni ha pesato negativamente sulla loro reputazione – in modo ingiustificato, secondo Kennefick. “È sbagliato credere che la verità non abbia bisogno di difensore“, scrive.
L’esperimento del 1919, egli ritiene, ha raggiunto il suo unico obiettivo: dimostrare Einstein sia nel bene che nel male. Non che il grande uomo avesse bisogno di tale affermazione. Alla domanda su cosa avrebbe fatto se i risultati fossero stati meno accondiscendenti, Einstein dichiarò: “Allora dovrei essere dispiaciuto per il mio caro Dio. La teoria è corretta“.
Fonte: Financial Times
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