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David Z. Albert

Meccanica quantistica e senso comune

Adelphi, Milano 2000

Recensione di:
Umberto Bottazzini

Il "colore" e la "durezza". Due concetti alla portata del senso comune, con i quali David Albert denota in maniera convenzionale due proprietà fisiche degli elettroni che la strumentazione contemporanea permette di misurare con precisione. Sono svariate le proprietà misurabili dei sistemi fisici che potrebbero servire altrettanto allo scopo, dice Albert. Per esempio, il movimento angolare associato al moto rotatorio dell'elettrone intorno a un asse passante per il suo centro e orientato come l'asse x e, rispettivamente, l'asse y. Quelle proprietà possono assumere soltanto due valori, diciamo bianco o nero per il colore, duro o tenero per la durezza.
Con questa concessione al "senso comune", che si rivela tuttavia ben presto illusoria, Albert prende le mosse nel suo racconto. Quella che racconta è "una storia sconcertante, che ha per protagonisti gli elettroni". Forse la più sconcertante emersa nel campo della fisica dai tempi di Newton, e tuttavia una storia vera. Gli esperimenti descritti sono stati effettivamente eseguiti, magari non tutti su elettroni.
Talvolta sono stati utilizzati neutroni o atomi di argento. D'altra parte, osserva Albert, "l'identità delle particelle risulterà del tutto ininfluente ai nostri fini". Albert descrive esperimenti con "scatole per il colore" e "scatole per la durezza", dispositivi cioè, per misurare "colore" e "durezza" degli elettroni.
La conclusione che si trae dagli esperimenti è sconcertante. Occorre riconoscere che la possibilità di affermare che "il colore di questo elettrone in questo momento è questo, e la durezza di questo elettrone, in questo stesso momento, è questa", sembra essere "al di fuori della nostra portata". In altre parole, "grandezze fisiche misurabili come il colore e la durezza sono dette "non compatibili" poiché le misurazioni dell'una (per quanto ne sappiamo) di necessità alterano l'altra".
Questi risultati sconcertanti sono manifestazioni del principio di indeterminazione. Che si parli di "colore" o di "durezza" si ha solo l'impressione di muoversi su un terreno familiare. In realtà Albert descrive esperimenti che appaiono lontani dal "senso comune" (per esempio mettere degli elettroni bianchi nella scatola per la durezza e chiedere quale sarà il colore all'uscita), così come lo è la conclusione che in quelle scatole gli elettroni fanno qualcosa che "non è mai stato neppure immaginato prima". Sembra che per essi siano disponibili "modi di essere, o modi di muoversi completamente estranei a quanto siamo in grado di concettualizzare". A questa "nuova modalità" i fisici hanno dato il nome di sovrapposizione, "nulla più che un nome dato a qualcosa non comprendiamo", afferma con tutta onestà Albert che insiste sul fatto che "le sovrapposizioni sono situazioni straordinariamente misteriose".
È questo il principale elemento che distingue l'immagine del mondo classica, alla portata del "senso comune" da quella della meccanica quantistica. Dal concetto di sovrapposizione nascono gli interrogativi che hanno accompagnato la meccanica quantistica dal suo sorgere. "Un elettrone bianco non può essere né un elettrone duro né uno tenero, e neppure (in qualche maniera) entrambe le cose o nessuna delle due. Dire che un elettrone è bianco deve esattamente equivalere a dire che è in una sovrapposizione dell'essere duro e dell'essere tenero". E d'altra parte, l'esperienza dice che qualsiasi misurazione di durezza fornisce il risultato "duro" oppure "tenero". Dunque, "a quanto pare l'esito di una misurazione di durezza effettuata su un elettrone bianco non può che essere una questione di probabilità".
Non aiuta molto, tanto vale riconoscerlo, parlare di "colore" e "durezza". Avremmo potuto chiamare le cose col loro nome. Senza farci illusioni sul "senso comune". Per discutere, "in modo più preciso e approfondito" di tutti questi problemi è necessario infatti un apparato matematico adeguato. E il formalismo matematico "che prevede in modo corretto tutti i comportamenti apparentemente insondabili" dell'elettrone, e che Albert presenta in una cinquantina di pagine dense di astratti concetti matematici e fisici. Il formalismo matematico, al quale Richard Feymnan ha dato un contributo determinante, consente di enunciare i principi della meccanica quantistica, "il più preciso meccanismo mai escogitato per prevedere i risultati di esperimenti condotti su sistemi fisici", afferma Albert. "Non si è mai scoperta alcuna eccezione a tali principi. E nessuno si aspetta che ve ne siano". Vi è un modo standard di interpretarlo, riconducibile in sostanza a Niels Bohr, secondo il quale "misurare il colore di un elettrone duro non consiste nell'appurare quale sia il colore di quell'elettrone duro; piuttosto consiste prima nel cambiare lo stato dell'elettrone oggetto di misurazione in uno stato al quale sia applicabile il predicato di colore ma non il predicato di durezza" (e questo è il cosiddetto "collasso") "e poi nell'appurare il colore dello stato, appena creato, che ammette ascrizioni di colore". I processi di misurazione sono dunque processi "estremamente attivi", modificano in modo drastico ciò che si misura.
Con la discussione degli argomenti proposti negli anni Trenta da Einstein, Podolsky e Rosen per sfuggire alle difficoltà dell'interpretazione standard della meccanica quantistica (argomenti scalzati da Bell negli anni Sessanta) comincia la parte più corposa (e difficile) del volume, dedicata all'esame del "che fare per il problema della misurazione". Albert discute il concetto di "collasso di funzione d'onda", compresa un'analisi approfondita dei più recenti progressi, l'interpretazione "a molti mondi" della meccanica quantistica, la teoria alternativa di de Broglie, Bohm e Bell.
Una lettura difficile ma stimolante, che val la pena di essere intrapresa. Con un'avvertenza. Il lettore che si aspetta una presentazione della meccanica quantistica accessibile al "senso comune" rimarrà deluso. Anzi, alla fine si accorgerà quanto ne sia lontana: Quantum mechanics and experience, suona il titolo inglese originale. Forse meno accattivante, ma certo più coerente con il contenuto.