Ma l’idea che apprezzo di più nel libro di Lucrezio è questa:
La scienza può rendere gli uomini più liberi e più felici.
Immersi nell’ignoranza, gli uomini sono come rinchiusi in una
prigione, smarriti di fronte a processi che non comprendono e
che sembrano i capricci di divinità irragionevoli. La scienza li
libera dalla paura e dalla superstizione e li aiuta a
raggiungere il massimo grado di autonomia di cui sono capaci,
senza mai illuderli di potersi separare dalla natura o rendersi
superiori ad essa.
Lo studio della natura come strumento di liberazione: ci può
essere un’idea più affascinante per un insegnante di fisica?
Purtroppo, le leggi della natura
non sono facili da scoprire e neppure da raccontare. Spesso sono
molto lontane dalle convinzioni o dalle credenze alle quali
siamo condotti dall’esperienza quotidiana e magari da una
fervida fantasia. Gli esseri umani hanno imparato a fatica
alcune tecniche utili a cercare quelle leggi. Ma capita che il
frutto dei loro sforzi resti ignoto alla maggior parte dei loro
simili, anche di coloro che si ritengono persone colte. Le
conoscenze ottenute grazie alla pazienza e all’immaginazione di
tanti ricercatori dovrebbero diventare un patrimonio di tutti.
Invece, alcune delle cose più importanti, o forse le più
importanti, che sappiamo sulla natura delle cose siano ancora
praticamente sconosciute, a più di ottant’anni dal completamento
di quella grande avventura intellettuale che oggi è nota come
meccanica quantistica.
I processi fondamentali
Lucrezio sapeva che non è possibile formarsi una corretta
visione del mondo ignorando i processi elementari che sono alla
base di tutti gli altri. Noi, oggi, proprio come Lucrezio 21
secoli fa, pensiamo che quei processi siano quelli che
coinvolgono gli atomi e le particelle che li costituiscono.
Lucrezio si basava sulle intuizioni di alcuni filosofi greci.
Noi abbiamo a disposizione un’enorme quantità di dati e
di informazioni: non ci deve stupire che la nostra concezione
dei processi fondamentali sia più complessa di quella esposta
nel De rerum natura. Ma non così complessa che degli
esseri umani come voi e me non possano capirla.
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Grandezze quantizzate
I fisici chiamano quantizzata una particolare grandezza
quando può assumere soltanto dei valori che sono multipli interi di
un valore minimo. Nel gergo degli adepti, si dice che una grandezza
quantizzata ha uno spettro discreto, o che può assumere
un insieme discreto di valori. La maggior parte delle merci ha
questa proprietà, come pure lo stesso denaro che usiamo per
acquistarla. Un fisico direbbe che, nelle transazioni in contanti,
gli euro hanno uno spettro discreto. E che il quanto di
euro è 0,01 euro, o 1 centesimo.
Finché parliamo di soldi, o di maccheroni, o di calzini, tutto fila
liscio. Anche se nessuno direbbe che il numero di calzini è una
grandezza quantizzata, troveremmo strano se dicesse che il suo
cassetto contiene un numero decimale di calzini. Forse penseremmo
che gli piacciono le risse con i cani randagi…
Ma quando parliamo di grandezze fisiche come la massa o la
lunghezza, cosa si vuol dire quando si dice che essa è quantizzata?
Se la mia massa fosse quantizzata,
io potrei aumentare di peso soltanto per multipli interi di un certo
quanto di massa. Se il quanto avesse il valore di 1 kg, io
potrei prendere peso soltanto 1 kg alla volta. Dopo un pasto in cui
avessi assunto cibo per meno di 1 kg, il peso non potrebbe variare
affatto. Niente male, no?
La carica elettrica è quantizzata proprio in questo senso. Ogni
oggetto può avere soltanto valori della carica elettrica che siano
multipli interi della carica elettrica elementare, e. Un
protone ha carica 1e. Un elettrone ha carica -1e.
La carica del nucleo di uranio vale +92e: non 91,5 e non
92,1. Quando si ionizza un atomo, facendogli acquistare della carica
elettrica, in unità pari a e la carica acquistata può
essere soltanto pari a 1, 2, 3, … o -1, -2, -3, … Mai, poniamo,
3,14.
Ma in fisica si possono incontrare grandezze quantizzate più
difficili da visualizzare.La direzione di un vettore, ad esempio. Se
la direzione nella quale posso rivolgere lo sguardo fosse
quantizzata, allora potrei voltare la testa soltanto a scatti; anzi,
le direzioni intermedie, o proibite, non potrebbero essere
toccate neppure per un istante. La mia testa passerebbe in un attimo
da una direzione consentita ad un altra. Questo sembra bizzarro. Ma
alcune delle grandezze quantizzate più importanti sono proprio di
questo tipo.
Mondo classico e mondo
quantistico
La meccanica quantistica prevede, correttamente, che molte grandezze
fisiche siano quantizzate. Eppure la nostra esperienza quotidiana
non ci dice nulla di simile. Che si tratti prendere peso, di voltare
la testa, di aumentare o diminuire l’intensità della nostra voce o
la forza applicata per sollevare un oggetto, noi non sperimentiamo
mai una sorta di granularità dei fenomeni, non li vediamo variare a
scatti. Come si conciliano le due cose?
Supponiamo che l’altezza di un
bambino sia quantizzata: il bambino può crescere soltanto "a salti"
e non, come si dice in termini tecnici, in modo continuo.
Ma supponiamo che il quanto di altezza sia pari a un decimo di
millimetro. Come potremmo accorgercene?
Ci sono molti fenomeni che hanno certamente una natura granulare. La
materia stessa è granulare, perché è costituita da atomi. Un
bicchiere d’acqua contiene un numero intero di molecole d’acqua: ma,
mentre ci dissetiamo, abbiamo la sensazione di inghiottire l’acqua
con continuità, e non molecole per molecola.
Il trucco, insomma, è che il quanto è piccolo, anzi
molto piccolo. La natura è quantizzata. Ma i nostri sensi sono
troppo grossolani per accorgersene. Per questo il mondo in cui ci
sembra di vivere è, come si dice nel gergo della fisica, un mondo
classico, descritto molto bene dalla fisica classica. Dove
qui, per "classico", intendiamo: tutto ciò che viene prima della
meccanica quantistica. Ante M.Q, per così dire.
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