Storia dei Quanti: dall’era pre-quantica al trionfo della non-località

Di Chiara Zagonel

Questo libro è dedicato a tutti coloro che vogliono avvicinarsi in maniera semplice e piacevole al mondo della fisica quantistica, partendo dai fatti storici che hanno cambiato il corso dell’evoluzione della scienza e del pensiero filosofico e che hanno contribuito a creare nuove tecnologie e soprattutto una nuova visione del mondo.
Da quando la teoria quantistica ha cominciato a prendere forma è passato più di un secolo e molte cose sono cambiate, sia a livello culturale sia nella quotidianità dove la tecnologia è sempre più presente.
Il testo segue uno sviluppo storico ed è accompagnato da varie immagini, da numerosi aneddoti sulle storie personali dei personaggi e contiene un esauriente Dizionario scientifico.

• Lingua: Italiano
• Editore: Anima Edizioni
• Data di uscita: 30 apr 2019
• ISBN: 9788863655032

Anteprima del libro

COLLANA

SAGGI PER L’ANIMA

CHIARA ZAGONEL

STORIA

DEI QUANTI

Dall’era pre-quantica al trionfo della non-località

Anima Edizioni

© Anima Edizioni 2019

© Chiara Zagonel 2019

© Immagine di copertina, LanaPo by fotolia.com

I diritti di traduzione, memorizzazione elettronica, riproduzione e adattamento totale o parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche) sono riservati per tutti i Paesi. Per i diritti di utilizzo contattare l’editore.

Direzione: Jonathan Falcone

Redazione: Camilla Ripani

Amministrazione: Loredana Brondin

Editing: Angela Falcone

Impaginazione: Emanuele Bellisario

ANIMA s.r.l.

C.so Vercelli 56 – 20145 Milano

e-mail: [e-mail]

www.animaedizioni.it

Tipografia Italgrafica

via Verbano, 146

28100 Novara

Edizione digitale: aprile 2019

ISBN: 9788863655032

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Versione digitale realizzata da StreetLib Srl

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Dedicata a te che stai leggendo

PREFAZIONE

Prima di dare libero spazio alla storia che sto per raccontare, vorrei precisare alcune cose.

Ho insegnato fisica alle scuole superiori per sedici anni e poi ho deciso di fare la mamma a tempo pieno. In realtà c’era la voglia di sperimentarmi in ambiti decisamente lontani dal rigore scientifico che mi aveva accompagnato nella prima parte della mia vita e mai mi sarei aspettata di tornare a parlare nuovamente di fisica. È successo un po’ per caso (se il caso esiste) per il desiderio di accontentare degli amici curiosi, e poi la cosa mi ha preso la mano!

Al di là della battuta, questo libro è dedicato a tutti coloro che vogliono avvicinarsi in maniera semplice e piacevole al mondo della fisica quantistica, partendo dai fatti storici che hanno cambiato il corso dell’evoluzione della scienza e del pensiero filosofico e che hanno contribuito a creare nuove tecnologie e soprattutto una nuova visione del mondo.

Da quando la teoria quantistica ha cominciato a prendere forma è passato più di un secolo e molte cose sono cambiate, sia a livello culturale sia nella quotidianità dove la tecnologia è sempre più presente.

Personalmente credo che sia importante ai nostri giorni che ciascuno si senta in grado di dialogare di scienza in modo consapevole, al livello che ritiene e riesce, ed è in tal senso che questo libro vuole essere uno strumento facile da utilizzare, pur mantenendo una correttezza nei contenuti e nella terminologia usata. Insomma, un primo passo per un eventuale approfondimento successivo, l’inizio di un grande e appassionante viaggio!

Il testo segue uno sviluppo storico ed è accompagnato da varie immagini e da numerosi aneddoti sulle storie personali dei personaggi. In questo modo ho cercato di dare allo sviluppo della teoria quantistica una dimensione più vicina e umana, priva di quell’alone di eccezionalità da cui spesso è accompagnata e che molte volte inibisce chi non ha una specifica formazione scientifica.

Per favorire un processo didattico, in ogni capitolo ho aggiunto un sottotitolo che mette in evidenza gli argomenti scientifici affrontati al suo interno.

Inoltre, ho contrassegnato alcuni termini con un asterisco, che rimanda a una loro spiegazione nel Dizionario scientifico alla fine del libro.

Fatte queste precisazioni non mi resta che augurarvi buona lettura!

marzo 2019

Chiara Zagonel

RINGRAZIAMENTI

Scrivere questo libro è stata per me un’esperienza completamente nuova e ci sono riuscita con l’aiuto di tantissime persone. Le voglio ringraziare, sperando di ricordarmele tutte.

Prima di tutto i miei genitori, Pierisa e Gilberto, a cui devo il dono più grande, quello della vita. E non solo…

Ringrazio anche il resto della mia famiglia: mio fratello Massimo e Alessandra, tutti gli zii e i cugini, davvero numerosi, e mio nonno Didi, che ho sentito particolarmente vicino.

Ringrazio la Comunità di Avalon, dove questo libro è stato concepito, e tutte le amiche e gli amici che mi hanno supportato e sopportato nel processo. In particolare e in ordine sparso: Alessandra, Delsa, Frida, Paola, Patrizia, Margherita e Roberto, Francesca e Leonardo, Teresa, Anita e Andrea, il Mosaica Book Bar, Massimo, Cisca e Angelo, Giada e Marco, Giulietta, Carmen, Antonio, Lidia, Silvia, Lucy, Marzia, Laura, Raika, Debora e Igor, Sabrina, Etain, Clara, Sorrisa, Roberta, Elisa, Daniela, Barbara, Michela, Allison e Cristiana.

Da un punto di vista più tecnico, sono stati per me fondamentali gli aiuti che ho ricevuto da Mario Fiorio, Leonardo Colletti, Francesca Proto, Luca Bertillo, Laura Aimo e Stefano Filippi.

A tutti quanti voi la mia più profonda gratitudine. Grazie, grazie, grazie!

Lascio per ultimi i più importanti e più vicini al mio cuore: Claudio e Leonardo, che hanno condiviso nella quotidianità la scrittura di questo libro.

Grazie Claudio per la tua presenza e il sostegno profondo che ho ricevuto e che continuo a ricevere attraverso te. Per tutto questo e molto altro, provo una gratitudine infinita.

Grazie anche a te, Leonardo: la tua nascita ha rivoluzionato la mia vita e l’ha riempita di opportunità di crescita, compresa questa.

Infine e soprattutto, grazie alla Vita, prodiga di doni ed esperienze trasformanti, e a me stessa che me li sono concessi. Di nuovo grazie, grazie, grazie!

1. L’ERA PRE-QUANTICA

La nascita della parola quanto e una breve panoramica sulla fisica prima della fine del Milleottocento

Era il 14 dicembre dell’anno 1900 e a Berlino la Società tedesca di fisica si era riunita per condividere le ultime novità. Era previsto l’intervento di Max Planck, titolare della cattedra di fisica teorica presso la stessa università berlinese. Planck, che allora aveva quarantadue anni, già da qualche tempo si stava occupando del cosiddetto problema del corpo nero, uno dei rompicapi più famosi a cui la comunità dei fisici non era ancora riuscita a trovare una soluzione (si veda il capitolo 5). La breve comunicazione di Planck si intitolava Sulla teoria della legge di distribuzione dell’energia nello spettro normale e successivamente ne illustrò più in dettaglio il contenuto in un articolo dal titolo Sui quanti elementari della materia e dell’elettricità (1901). Nel suo intervento e nel suo articolo Planck utilizzò per la prima volta il termine quanto, dal latino quantum, ossia piccola quantità. Egli infatti ipotizzava che un corpo caldo emettesse e assorbisse energia sotto forma di «pacchetti», i quanti appunto.

Era la prima volta che nella fisica una grandezza come l’energia, generalmente considerata infinitamente divisibile e definita quindi continua, veniva descritta come fatta di granelli, ossia discreta, costituita da elementi distinti tra loro. È proprio da qui e con questo significato che

deriva l’aggettivo quantico o quantistico usato in fisica.

Per capire la differenza tra continuo e quantistico, si può pensare all’acqua che esce da un rubinetto come disponibile in modo continuo: è possibile mettere in un contenitore il quantitativo di acqua che si vuole. Invece, un distributore automatico di bottigliette può fornire solamente un numero intero di bottigliette, che in questo caso sono le unità discrete d’acqua. Perciò, la fornitura d’acqua di un distributore è quantizzata e la bottiglietta è il quanto d’acqua.

La scienza, fino agli inizi del Millenovecento, non si era mai dovuta confrontare con la discontinuità delle grandezze fisiche fino a quando Planck non si rese conto che nel caso del corpo nero l’energia si presentava quantizzata.

Ma se l’energia fu la prima grandezza fisica riconosciuta come quantizzabile, non è stata di certo l’ultima. In pochi anni anche altre grandezze fisiche, come la carica elettrica o il momento della quantità di moto* (per citarne solo due), rivelarono una natura discontinua, quantizzata, e i modelli fisici che descrivevano la realtà si dovettero modificare di conseguenza.

Per arrivare a comprendere questa svolta rivoluzionaria nello sviluppo del pensiero scientifico occidentale facciamo un passo indietro e andiamo a vedere come è nata la fisica e cosa aveva scoperto prima di quel fatidico anno 1900.

FIGURA 1.1 – Max Planck.

In realtà non ha davvero senso mettersi a cercare una data di nascita precisa per la fisica. Di sicuro fin dai tempi più antichi ci sono state persone che si sono fatte domande su ciò che osservavano attorno a loro e che hanno cercato delle risposte. Lo sviluppo di modelli astronomici, praticamente da parte di tutte le civiltà antiche, è sicuramente una testimonianza importante di questa curiosità innata dell’essere umano, che di notte non si accontentava di ammirare con stupore il cielo tempestato di lucine, ma ne osservava il moto e se ne chiedeva il motivo. I babilonesi, ad esempio, fecero delle osservazioni astronomiche così accurate da riuscire a prevedere con precisione quando ci sarebbe stata un’eclissi.

Che dire poi dello studio delle leve e dell’idrostatica* da parte del siracusano Archimede nel III secolo a.C., o delle ricerche sui fenomeni ottici di Tolomeo, che nel II secolo d.C. già aveva individuato una legge per la riflessione? Sono solamente altri due esempi di questo interesse tipicamente umano per il mondo circostante, ma l’elenco è decisamente molto più lungo.

Eppure a cavallo tra il Millecinquecento e il Milleseicento, durante quel periodo così speciale che va sotto il nome di Rinascimento, in Occidente si assistette a una vera e propria rivoluzione, che gli storici della scienza hanno chiamato la Rivoluzione copernicana. Nell’anno 1543 venne pubblicato il De rivolutionibus orbium caelestium, scritto dall’astronomo polacco Niklas Koppernigk (1473-1543), italianizzato in Niccolò Copernico. Al suo interno vi era descritto un Universo in cui la Terra non occupava più la posizione centrale, come si era creduto fino ad allora, ed era invece il Sole il fulcro attorno a cui tutto ruotava. Al posto del modello geocentrico* di Platone e Aristotele, Copernico ne proponeva uno eliocentrico*.

Era un’idea ardita e decisamente in contrapposizione alla filosofia scolastica insegnata nelle università e addirittura contraria alla dottrina della Chiesa. Infatti a quel tempo la Chiesa riteneva la Bibbia una fonte di verità di fede ma anche di conoscenza in altri ambiti del sapere e, pertanto, andava presa alla lettera. Così il racconto di Giosuè, che per poter vincere una delle sue battaglie fermò il Sole con una mano, era considerato una vera e propria conferma del moto della nostra stella attorno alla Terra.

FIGURA 1.2 – Niklas Koppernigk.

Copernico, probabilmente per l’incompiutezza di alcuni capitoli, ma soprattutto per il timore di mettersi contro il pensiero dominante, esitava a pubblicare il suo libro, che infatti venne stampato solamente subito dopo la sua morte. Eppure, anche altri scienziati la pensavano come lui e trovarono in questo libro il loro manifesto.

La Rivoluzione copernicana non si limitò all’astronomia, ma toccò anche altri ambiti e influenzò tutto il pensiero occidentale. Un importante cambiamento avvenne a livello della metodologia con cui venivano condotte le indagini sulla realtà fisica. Furono fautori di questa trasformazione scienziati come l’italiano Galileo Galilei (1564-1642), l’inglese Francis Bacon (1561-1626) e il francese René Descartes (1596-1650), italianizzato in Cartesio.

Per capire in cosa consisteva questo nuovo metodo scientifico possiamo fare riferimento a quanto scritto da Galilei nel Saggiatore (Galilei, pp. 261-264), pubblicato nel 1623, dove egli sostanzialmente distingue tra le cosiddette qualità primarie e le qualità secondarie della materia. Le prime, come la posizione o le dimensioni di un corpo, sono misurabili e pertanto oggettive e condivisibili da osservatori differenti. Le qualità secondarie invece, come il sapore, l’odore o la sensazione di calore, non possono essere prese in considerazione dalla scienza perché soggettive, ossia dipendenti dall’osservatore e variabili con esso. Questi nuovi scienziati, per definirsi tali, dovevano perciò escludere le loro percezioni e le loro idee sul mondo, concentrandosi solamente sui risultati delle misure sperimentali, ossia su dei numeri. A questo punto era necessario trovare leggi di tipo matematico che riassumessero tali numeri e una teoria che le comprendesse. Il passo finale era poi costituito dalla verifica sperimentale della teoria, anche in casi diversi da quelli che l’avevano generata.

FIGURA 1.3 – Johannes Kepler (1571-1630): agli inizi del Milleseicento descrisse il comportamento dei pianeti attorno al Sole con tre leggi matematiche.

FIGURA 1.4 – Galileo Galilei.

In questo metodo sperimentale i procedimenti di misura e gli esperimenti assunsero sempre più un ruolo primario. Da questo momento in poi, infatti, furono gli esperimenti a confermare la validità di una teoria scientifica e non più il prestigio dell’autore. Una teoria scientifica deve essere controllabile tramite esperimenti ed è l’esperimento che ha sempre l’ultima parola.

Galilei per tutta la sua vita operò in questo modo. Ad esempio, durante una funzione religiosa nel duomo di Pisa si era accorto che le oscillazioni di un grande lampadario, anche se gradualmente diminuivano in ampiezza, sembravano durare sempre lo stesso intervallo di tempo. Forse si tratta di una leggenda, sta di fatto che Galileo di sicuro fece delle misurazioni che lo portarono a enunciare la cosiddetta legge dell’isocronismo del pendolo, ossia che nel caso di piccoli angoli l’intervallo di tempo necessario al pendolo per compiere un’oscillazione completa è sempre lo stesso e non dipende dall’ampiezza del moto.

Nel 1609, poi, per la prima volta nella storia Galileo puntò un telescopio verso il cielo stellato. Il telescopio era stato già inventato nel 1607 da un artigiano olandese, ma fu Galileo ad avere l’intuizione di utilizzarlo per indagare la natura della Luna e degli altri corpi celesti. Nel 1610 scrisse un libretto intitolato Sidereus nuncius in cui descriveva le sue scoperte: la presenza di crateri sulla Luna, che non era quindi perfettamente liscia; l’esistenza di molte più stelle di quelle osservabili a occhio nudo; l’individuazione di quattro satelliti che orbitavano attorno a Giove. Assieme alle successive osservazioni delle fasi di Venere e delle macchie sulla superficie del Sole, le scoperte fatte da Galileo costituivano una prova della falsità del sistema geocentrico, che prevedeva cieli perfetti e immutabili al di là della Luna.

A differenza di Copernico, Galilei sostenne apertamente le sue idee, tra cui anche l’adesione all’eliocentrismo, e per questo ne dovette rispondere in prima persona: nel 1633 fu definitivamente accusato, imprigionato, minacciato di tortura, processato e condannato dal tribunale della Santa Inquisizione. Solo l’abiura delle sue teorie e il confinamento fino alla fine dei suoi giorni nella casa di Arcetri lo salvarono da una morte sicura e di certo non indolore. Solamente 350 anni dopo la Chiesa ha riconosciuto il suo errore e riabilitato la figura del fisico toscano.

Anche lo statista inglese Francis Bacon si occupò di fisica e sostenne che la conoscenza deriva dall’osservazione diretta. Per lui, come per Galilei, gli esperimenti erano molto importanti e solo a partire da questi si potevano formulare le teorie.

Il Milleseicento vide anche la nascita delle accademie scientifiche, luoghi alternativi alle università, che invece erano ancora legate al pensiero della filosofia classica greca. A Roma venne fondata l’Accademia dei Lincei (1603), a Firenze l’Accademia del Cimento (1657), a Londra la Royal Society (1660) e a Parigi l’Académie royale des sciences (1666). Fu proprio in queste accademie che i nuovi scienziati portarono avanti e divulgarono le loro idee.

In questo periodo cambiò anche l’atteggiamento degli uomini di scienza nei confronti della Natura. Nei secoli precedenti, in Europa, la maggior parte delle persone sentiva una profonda connessione con la Natura, che veniva considerata come una madre. Una madre