Onde, buchi, particelle e altri efficaci rimedi contro l'insonnia.

La meccanica quantistica ha portato nelle conoscenze umane una ventata di novità così rivoluzionarie che solo in un futuro abbastanza lontano se ne potrà apprezzare completamente la portata. Mi sbilancio fino a sostenere che la valenza filosofica di questa teoria sia, nella storia della cultura umana, più unica che rara.

Sebbene la comprensione profonda di questa branca della fisica richieda delle conoscenze scientifiche elevate, tali da renderne proibitivo  uno studio rigoroso a chi non ha una preparazione almeno universitaria, le linee essenziali della teoria e i concetti fondamentali che introduce possono (e dovrebbero) essere capiti da tutti. Si può rinunciare ai dettagli matematici e alle complicate formule senza perdere di vista l'essenza delle cose.

Uno degli aspetti che, per esempio, io trovo affascinante e accessibile a tutti è la doppia natura (ondulatoria e corpuscolare) che le entità fisiche possiedono. Parlo di "entità fisiche" non per riferirmi a qualcosa di esotico e astruso, ma anzi per indicare in modo molto generale tutto ciò che esiste: un atomo, un elettrone, una sedia, un pianeta, un raggio di luce...

Ogni cosa si presenta alla realtà sotto due modalità tra loro incompatibili, nel senso che non si tratta semplicemente di due formalismi diversi ma equivalenti di schematizzare uno stesso oggetto, ma proprio di due modi di esprimersi della natura completamente diversi. A volte gli oggetti sono dei "corpi", altre volte -gli stessi oggetti- sono delle "onde". E' un po' come se il movimento del mare (non l'acqua ma il suo altalenare su e giù) potesse essere anche una barca o un libro o un gelato...  

Nell'esperienza quotidiana i nostri libri e i nostri gelati appaiono sempre nella loro natura corpuscolare per una di quelle questioni tecniche un po' complicate a cui abbiamo deciso di rinunciare. In generale gli oggetti macroscopici hanno una natura ondulatoria con caratteristiche tali (fondamentalmente una lunghezza d'onda troppo piccola) per cui non riusciamo né a percepirla né a misurarla. Gli oggetti con una piccola massa, come un elettrone, invece, possono  comportarsi come delle onde che danno luogo a fenomeni osservabili. Dire che un elettrone a volte si comporta come un'onda non vuol dire che si mette a oscillare come una boa quando il mare è agitato ma che lui -l'elettrone- è come l'onda  (non la boa, non l'acqua) del mare agitato. Per esempio, significa che non ha senso parlare della posizione in cui si trova perché non ha senso chiedersi dove si trova un'onda.

Questa doppia natura è una caratteristica che possiedono anche le onde elettromagnetiche: la luce, i raggi x, le microonde, le onde radio. In tutti questi casi le caratteristiche corpuscolari (che comunque ci sono sempre) si fanno sempre più difficili da rilevare, anche con strumenti sofisticatissimi, man mano che la lunghezza d'onda cresce. Non si riesce a percepire la "corpuscolarità" di un'onda radio, ma si può mettere facilmente in evidenza quella della luce e dei raggi x.

La doppia natura è un modello che la fisica quantistica ha "dovuto" introdurre per spiegare come funziona la realtà perché non ha trovato un'alternativa migliore. Può dare un po' di fastidio, infatti, dover spiegare il comportamento di una cosa seguendo due protocolli diversi. Ci piace vedere ogni oggetto come un elemento caratterizzato da qualità che non lo abbandonano mai, che possono rimanere nascoste ma non vengono mai annullate o contraddette. Vi piacerebbe avere un animale domestico che a volte (e voi magari non sapete quando) è (non "sembra": "è") un gatto, altre volte è una gallina? Sarebbe difficile affezionarcisi (o forse no?) e allo stesso modo la doppia natura di un elettrone rende più difficile affezionarsi a questa minuscola particella... pardon, volevo dire onda.

Questo dualismo ha fatto penare non poco i fisici del '900 che cercavano un modello più consono al senso comune, ma alla fine la questione è stata accettata e metabolizzata dalla comunità scientifica che -diciamo così- se ne è fatta una ragione e ci convive con soddisfazione. 

In effetti, una volta che ci si abitua, la doppia natura non disturba più e anzi fa molto comodo.

Io penso che ci siano anche situazioni macroscopiche che possano essere utilmente spiegate da un modello di questo tipo. Più in generale, mi incuriosisce la ricerca di fenomeni comuni che possano essere interpretati nell'ottica della meccanica quantistica. Non voglio dire che la meccanica quantistica  debba essere applicata per spiegare fenomeni macroscopici (per la descrizione dei quali essa perde di utilità ed è sufficiente la fisica classica) ma che i "modelli quantistici" -ricontestualizzati- si possono usare in ambiti macroscopici. 

Non è facile trovare fenomeni reali che si prestino a tale scopo ma con un po' di fantasia qualcosa può venire fuori.

Il "buco" è facilmente individuabile.

Una situazione che ricorda, magari solo vagamente, il dualismo onda corpuscolo potrebbe essere la seguente: riempite una scacchiera con le pedine della dama lasciando solo una casella vuota.

Pensate a quel "buco" come qualcosa di reale: il nostro oggetto in studio (qualcosa di simile alle “lacune” in elettronica, ma con differenze sostanziali). Quando una pedina adiacente alla casella vuota si sposta su di essa il "buco" si è spostato nel senso opposto. In realtà il movimento è avvenuto in modo strano: il buco si è rimpicciolito da una parte e contemporaneamente si è ricreato da un'altra.

il "buco", a suo modo, si sposta.

La cosa è ancora più evidente se anziché spostare una sola pedina ne spostiamo contemporaneamente una colonna. Il buco si può spostare così da un punto ad un altro, anche lontano, senza passare per le posizioni intermedie (può essere interessante analizzare se il movimento del buco può avere una velocità maggiore di quella della luce). Ancora però, tutto sommato, il nostro strano oggetto si comporta in modo corpuscolare, ha una posizione e una velocità definita (anche una massa?). Cosa succede se cominciamo a muovere le pedine disordinatamente, senza preoccuparci di rispettare l'ordine "una pedina in ogni casella"?

Il "buco" dov'é?

Le pedine hanno forma circolare, le caselle sono quadrate (oh no, ancora la diatriba tra circonferenza e quadrato!...) per cui c'è un margine con cui si possono sistemare i pezzi sulla scacchiera. Ma che fine fa la casella vuota? sparpagliando le pedine il buco può perdere la sua individualità distribuendosi un po' dappertutto. Se spostiamo le pedine qua e là, spingendole disordinatamente, il contorno vuoto si muove e cambia forma. Ha una velocità? Ora il buco è qualcosa di diffuso, fluttuante, indistinto, più simile ad un'onda che ad una particella. Poi, magari, poche mosse

giuste lo fanno riapparire tutto intero: eccolo là, lo riconosciamo di nuovo, più corpuscolare che mai.

Con tutto questo non voglio dire che una bolla di vuoto sia un oggetto quantistico, ma solo che, in barba al rasoio di Occam,  quando non si riesce a dormire, ci sono tanti sentieri che il nostro cervello può percorrere, magari provandoci anche gusto. Perché viene abbastanza spontaneo a questo punto porsi domande del tipo: e se quella che comunemente consideriamo materia (e che segue le straordinarie regole della meccanica quantistica) in realtà fosse il vuoto lasciato da qualcos'altro? Se i nostri familiari elettroni e quark fossero caselle vuote di un altro universo (quello vero?) di cui il nostro è solo l' "insignificante" contorno? In quest'ottica, il post precedente a questo, che può sembrare un giochetto ozioso, si riveste di un nuovo significato: anziché scrivere con le lettere, come sarebbe normale, non è che stiamo scrivendo con gli spazi vuoti?

Preferisco fermarmi qui, anche perché mi sta venendo in mente una situazione macroscopica che potrebbe essere  descritta appropriatamente tramite gli stati di sovrapposizione. Me la tengo per un prossimo post. O magari per la prossima crisi di insonnia.