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Titolo: Documento XL

Lederman: Tre qualità della meccanica quantistica
Funzionale e tuttavia controintuitiva e problematica: così Leon Lederman qualifica la meccanica 
quantistica, da una parte riconoscendole il merito di aver spiegato in modo convincente la struttura 
e il funzionamento dell'atomo, dall'altra sottolineandone la scarsa intuitività e la presunta 
incompletezza. Quest'ultima critica, sollevata nientedimeno che da Albert Einstein, trova una 
risposta metafisica nella confutazione di Niels Bohr, che per difendere la credibilità della 
meccanica quantistica dirotta l'accusa di incompletezza dalla teoria alla realtà fisica che essa 
descrive.
Tre cose da ricordare a proposito della meccanica quantistica
Si può dire che la meccanica quantistica abbia tre notevoli qualità: (1) è controintuitiva; (2) 
funziona; (3) ha aspetti problematici, che l'hanno resa inammissibile per quelli come Einstein e 
Schrödinger e ne hanno fatto una fonte di continui studi fin negli anni Novanta. Vediamole una per 
volta, queste qualità.
1. È controintuitiva. La meccanica quantistica sostituisce quantità continue con quantità discrete. 
Metaforicamente parlando, invece di versare un liquido in un bicchiere stiamo versando della sabbia 
fine. Il delicato mormorio che udite è provocato da un grande numero di atomi che stanno battendo 
contro i vostri padiglioni auricolari. C'è poi il fantasmagorico esperimento della doppia fessura, 
del quale abbiamo già parlato.
Un altro fenomeno controintuitivo è l'"effetto tunnel". Abbiamo già parlato della possibilità di 
scagliare degli elettroni contro una barriera d'energia. L'analogo classico è il far rotolare una 
pallina su per un pendio. Se date alla pallina una spinta iniziale sufficiente, essa riuscirà ad 
andare oltre la sommità. Se l'energia iniziale è troppo debole, la pallina tornerà indietro. O 
immaginate un vagoncino delle montagne russe fra due terrificanti cime. Supponete che il vagoncino 
salga una di queste per metà e poi perda spinta. Allora scivolerà indietro, poi risalirà quasi metà 
dell'altra montagna, poi andrà avanti e indietro, intrappolato nell'avvallamento. Se potessimo 
eliminare l'attrito, esso oscillerebbe per sempre, imprigionato fra due insormontabili salite. Nella 
teoria dei quanti un tale sistema è noto come stato "legato". Descrivendo quello che succede agli 
elettroni scagliati contro una barriera energetica o a un elettrone intrappolato tra due barriere, 
invece, dobbiamo usare onde di probabilità. Succede che qualcuna delle onde possa "sgusciare" 
attraverso la barriera (nei sistemi atomici o nucleari la barriera è elettrica oppure è 
un'interazione forte), e perciò c'è una probabilità finita che la particella si liberi dalla 
trappola. Questo non solamente era controintuitivo, ma era considerato un grave paradosso, poiché 
l'elettrone nel suo passaggio attraverso la barriera dovrebbe avere energia cinetica negativa, 
un'assurdità dal punto di vista classico. Ma, con l'evolversi di un'intuizione quantistica, si può 
rispondere che la condizione dell'elettrone nel tunnel non è uno stato osservabile e dunque non è un 
problema per la fisica. Ciò che si osserva è che l'elettrone esce. Questo fenomeno, chiamato 
"effetto tunnel", venne usato per spiegare la radioattività alfa ed è alla base di un importante 
strumento dell'elettronica dello stato solido conosciuto come "diodo tunnel". Per quanto strambo 
sia, l'"effetto tunnel" è essenziale per i moderni computer e per altri marchingegni elettronici.
Particelle puntiformi, "effetto tunnel", radioattività, il tormentone della doppia fessura: tutto 
ciò contribuì a sviluppare le nuove intuizioni di cui i fisici quantistici avevano bisogno nei tardi 
anni Venti e negli anni Trenta per attaccare fenomeni inspiegati con il loro nuovo armamentario 
intellettuale.
2. Funziona. L'atomo venne compreso. In quegli anni 1923-1927, precedenti all'era dei computer, solo 
atomi semplici - idrogeno, elio, litio e atomi nei quali erano rimossi (ionizzati) alcuni 
elettroni - potevano essere compiutamente analizzati. Un passo decisivo venne fatto da Wolfgang 
Pauli, uno dei Wunderkinder, uno che aveva capito tutto della teoria della relatività a diciannove 
anni e che era già un "senatore" della fisica quando ne era ancora un enfant terrible.
Una digressione su Pauli è, a questo punto, inevitabile. Famoso per l'eccellenza che richiedeva a sé 
e ai suoi collaboratori e per l'irascibilità, Pauli era l'avvocato del diavolo della fisica del suo 
tempo. Oppure lo faceva così, candidamente? Abraham Pais ricorda che una volta Pauli si lamentò con 
lui di non riuscire a trovare un problema veramente stimolante su cui lavorare: "Forse è perché ne 
so troppo". Non era una vanteria, solo una constatazione. Potete immaginare come fosse tosto con i 
suoi assistenti. Quando un nuovo, giovane assistente si presentò da lui a Zurigo - si trattava di 
Victor Weisskopf, che sarebbe diventato uno dei teorici di punta - Pauli lo squadrò, scosse la testa 
e borbottò: "Ach! così giovane e già così sconosciuto". Dopo qualche mese, Weisskopf andò da Pauli 
con un nuovo lavoro teorico. Pauli diede un'occhiata, ed esclamò: "Ach! non è neanche sbagliato!". A 
un ricercatore disse: "Non mi importa che siate lento di comprendonio. Mi preoccupa che cento ne 
pubblicate e una ne pensate". Nessuno era al sicuro da Pauli. Nel raccomandare un tipo come 
assistente ad Einstein, il quale, nei suoi ultimi anni, era perso dietro alle difficoltà matematiche 
della sua infruttuosa ricerca di una teoria unificata dei campi, Pauli gli scrisse: "Caro Einstein, 
questo studente è bravo, anche se non capisce che differenza c'è fra la matematica e la fisica. 
D'altra parte, è molto tempo che neanche voi la capite più, caro maestro". Il nostro Wolfgang era 
fatto così.
Nel 1924 Pauli aveva proposto un principio fondamentale che forniva la spiegazione della tavola 
periodica degli elementi di Mendeleev. Il problema era: noi costruiamo gli atomi degli elementi 
chimici più pesanti aggiungendo carica positiva a nuclei ed elettroni ai vari livelli energetici 
permessi dell'atomo (le orbite, nella vecchia teoria dei quanti). Dove vanno gli elettroni? Lo 
studioso formulò quello che divenne noto come "principio di esclusione di Pauli": due elettroni non 
possono occupare lo stesso livello. All'inizio solo un'audace ipotesi, il principio si rivelò essere 
conseguenza di una più profonda e notevole simmetria.
Vediamo come Babbo Natale fa gli elementi chimici, là nella sua bottega. Deve fare bene le cose 
perché lavora per l'Onnipotente, e Lei, si sa, è esigente. Per l'idrogeno è facile. Prende un 
protone - il nucleo - e vi aggiunge un elettrone, che va a occupare il livello energetico più basso 
possibile (nella vecchia teoria di Bohr, ancora utile per dare un'immagine visiva, l'orbita con il 
più piccolo raggio ammissibile). Babbo Natale non deve essere molto preciso, in questo caso: basta 
che metta l'elettrone giusto vicino al protone e quello "salta" per conto suo al più basso livello 
"fondamentale", emettendo fotoni durante il salto. Adesso l'elio. Dunque ha bisogno di due 
elettroni. E per il litio ha bisogno di tre elettroni per fare un atomo elettricamente neutro. La 
questione è: dove vanno questi elettroni? Nel mondo dei quanti, solo certi stati sono permessi. Si 
affollano forse tre, quattro, cinque e più elettroni nello stato fondamentale? Qui interviene il 
principio di Pauli. No, dice Pauli, due elettroni non possono trovarsi nello stesso stato quantico. 
Nell'atomo di elio, al secondo elettrone è consentito stare nel più basso livello energetico insieme 
al primo solo se il suo spin è contrario a quello del compagno. Quando aggiungiamo il terzo 
elettrone, per fare l'atomo di litio, esso non può più stare al livello più basso e deve andare nel 
più basso livello successivo. Questo ha un raggio molto più grande (per dirla ancora alla Bohr), e 
ciò spiega l'attività chimica del litio, vale a dire, la facilità con cui può usare questo elettrone 
solitario per combinarsi con altri atomi. Dopo il litio troviamo l'atomo con quattro elettroni, il 
berillio, in cui il quarto elettrone raggiunge il terzo nel suo "guscio", come sono chiamati i 
livelli energetici. Così procedendo allegramente - berillio, boro, carbonio, azoto, ossigeno, neon - 
aggiungiamo elettroni fino a che Pauli dice "Quel guscio è pieno! Si passi al prossimo". In breve, 
la regolarità delle proprietà degli elementi chimici proviene da questa architettura quantistica che 
obbedisce al principio di Pauli. Alcuni decenni prima, gli scienziati avevano deriso l'insistenza 
del buon Mendeleev nell'allineare gli elementi in righe e in colonne secondo le loro 
caratteristiche. Pauli dimostrò che questa periodicità era collegata in modo preciso a differenti 
gusci e agli stati quantici degli elettroni: due possono stare nel primo guscio, otto nel secondo, 
otto nel terzo, e così via. La tavola periodica degli elementi aveva in effetti un profondo 
significato.
Riassumiamo questa importante idea. Pauli aveva scoperto una regola secondo la quale gli elementi 
chimici cambiano la loro struttura elettronica. Questa regola rende conto delle proprietà chimiche 
(perché un gas è inerte, perché un metallo è attivo, e così via), collegandole con il numero e lo 
stato degli elettroni, specialmente quelli dei gusci esterni, là dove entrano più facilmente in 
contatto con altri atomi. Un'importante implicazione del principio di Pauli è che quando un guscio è 
pieno, è impossibile aggiungervi un altro elettrone. La forza di resistenza è possente. Questa è la 
vera ragione dell'impenetrabilità della materia. Sebbene gli atomi siano per il 99,99% fatti di 
spazio vuoto, noi non possiamo passare attraverso un muro. Ciò è indubbiamente frustrante. Perché? 
Nei solidi, dove gli atomi sono connessi da complicate attrazioni elettriche, l'incontro fra gli 
elettroni del nostro corpo e quelli degli atomi del muro deve obbedire al divieto imposto da Pauli: 
gli elettroni non possono avvicinarsi oltre un certo limite. Un proiettile è in grado di penetrare 
un muro perché spezza i legami atomici e, come un giocatore di football americano, apre spazi per i 
suoi elettroni. Il principio di Pauli gioca un ruolo cruciale anche nella spiegazione di quegli 
oggetti bizzarri e romantici che sono le stelle di neutroni e i buchi neri. Ma sto divagando.
Una volta che abbiamo ben compreso gli atomi, possiamo risolvere il problema di come si combinano 
per fare molecole, per esempio H2O oppure NaCl. Le molecole si formano grazie al complesso di forze 
esistente fra gli elettroni e i nuclei degli atomi che si uniscono a comporle, e la dislocazione 
degli elettroni nei loro gusci provvede a creare una molecola stabile. La chimica ha oggi un sicuro 
fondamento scientifico grazie alla teoria dei quanti. La chimica quantistica è un campo in grande 
fioritura, che ha prodotto nuove discipline come la biologia molecolare, l'ingegneria genetica, la 
medicina molecolare. Nella scienza dei materiali, la teoria dei quanti ci aiuta a spiegare e a 
controllare le proprietà dei metalli, degli isolanti, dei superconduttori e dei semiconduttori. I 
semiconduttori hanno portato alla scoperta dei transistor, gli inventori dei quali hanno 
riconosciuto la loro fonte di ispirazione nella teoria quantistica dei metalli. E da questa scoperta 
sono derivati i computer e la microelettronica, la rivoluzione delle comunicazioni e 
dell'informazione. E poi ci sono i maser e i laser, che sono sistemi quantistici.
Da quando le nostre operazioni di misura sono penetrate nel nucleo atomico - con una scala 100.000 
volte più piccola di quella dell'atomo - la teoria quantistica è diventata uno strumento 
indispensabile. In astrofisica, i processi stellari producono oggetti esotici come i soli, le stelle 
giganti rosse, le nane bianche, le stelle di neutroni e i buchi neri. Dal punto di vista 
dell'utilità sociale, dalla teoria dei quanti dipende, come abbiamo già stimato, circa il 25% del 
prodotto nazionale lordo delle potenze industriali. Pensate, da una parte ci sono quei fisici 
europei ossessionati dai loro atomi e dall'altra ci sono migliaia di miliardi di dollari di reddito 
derivante alla fin fine dalla loro ossessione. Se solamente un governo saggio e preveggente avesse 
messo una tassa dello 0,1% sui prodotti che fanno uso di tecnologia quantistica, utilizzandone i 
proventi per la ricerca e la pubblica istruzione... Comunque, questa roba funziona.
3. Ha aspetti problematici. Essi riguardano la funzione d'onda (psi, o Ø) e quello che essa 
significa. Nonostante il grande successo pratico e intellettuale della teoria dei quanti, non 
possiamo essere sicuri di sapere ciò che veramente significhi. Il nostro disagio può essere 
intrinsecamente dovuto al modo in cui è fatta la mente umana, oppure può darsi che un bel giorno 
arrivi un genio a produrre uno schema concettuale che farà tutti contenti. Comunque non 
preoccupatevi per il vostro disagio: non siete solo voi duri di comprendonio, ma avete buona 
compagnia. Planck, Einstein, de Broglie, Schrödinger e molti altri fisici erano scontenti della 
teoria dei quanti.
Esiste una ricca letteratura a proposito delle obiezioni alla natura probabilistica della teoria dei 
quanti. Einstein fu alla testa dei critici, in un duraturo sforzo (non facile da seguire) rivolto a 
mettere in crisi il principio di indeterminazione, ma trovò sempre pronto alla risposta Bohr, il 
quale stabilì, nel corso di questo dibattito, quella che oggi è chiamata "l'interpretazione di 
Copenaghen" della funzione d'onda. Bohr ed Einstein andarono veramente al cuore della questione. 
Einstein inventava un esperimento mentale che colpiva dritto al cuore la nuova teoria, e Bohr 
trovava il punto debole nel ragionamento di Einstein, in genere lavorandoci sopra duramente per un 
lungo fine settimana. Einstein era il Pierino della situazione. Come il ragazzino che fa domande 
imbarazzanti alla lezione di catechismo ("Se l'Onnipotente è davvero tale, può creare una roccia 
così pesante che nemmeno Lei riesce a spostare?"), Einstein continuava a produrre paradossi mentali 
per la teoria dei quanti. E Bohr era il prete che continuava a controbattere alle obiezioni di 
Einstein.
Si narra che molte delle loro discussioni avessero luogo durante delle passeggiate nei boschi. Mi 
immagino quello che sarebbe successo se avessero incontrato un orso. Bohr avrebbe immediatamente 
tolto un paio di Reebok Pump da 300 dollari dalla borsa e avrebbe cominciato ad allacciarsele. "Che 
cosa stai facendo, Niels? Lo sai che non puoi correre più veloce di un orso" avrebbe osservato, 
piuttosto logicamente, Einstein. "Ah! ma non devo battere l'orso, caro Albert" avrebbe risposto 
Bohr. "Devo solo correre più veloce di te."
Per il 1936 Einstein avrebbe ammesso, seppure con riluttanza, che la teoria dei quanti descrive 
correttamente tutti i possibili esperimenti, perlomeno tutti quelli immaginabili. Egli allora decise 
di cambiare obiettivo e di sostenere che la teoria non poteva essere una descrizione completa del 
mondo, anche se forniva le probabilità corrette per i risultati di diverse misurazioni. La difesa di 
Bohr fu che quell'incompletezza che disturbava Einstein non era un difetto della teoria, ma una 
proprietà del mondo in cui viviamo. Sono sicuro che questi due avranno continuato a discutere di 
meccanica quantistica anche nella tomba, a meno che il "Vecchio Uno", come Einstein chiamava Dio, 
non abbia risolto la questione una volta per tutte.
Il dibattito fra Einstein e Bohr richiederebbe dei libri interi per essere raccontato, ma io 
cercherò di illustrare il nocciolo del problema con un solo esempio. Ricordiamoci la proposizione 
fondamentale di Heisenberg: nessun tentativo di misurare simultaneamente la posizione nello spazio e 
la velocità di una particella può essere interamente coronato da successo. Si predisponga 
un'operazione di misura per localizzare l'atomo: questa la possiamo fare, precisa a piacere. Si 
predisponga un'operazione per misurare la sua velocità: anche questa la possiamo fare, precisa a 
piacere. Ma tutte e due insieme, no. Il frammento di mondo fisico che queste misurazioni rivelano 
dipende dalla strategia dello sperimentatore. Questa soggettività mette in crisi le nostre amate 
opinioni sulla relazione di causa ed effetto. Se un elettrone parte da un punto A e arriva a un 
punto B, sembra "naturale" assumere che abbia seguito un particolare percorso da A a B. La teoria 
dei quanti nega ciò, dicendo che il percorso non è conoscibile. Tutti i percorsi sono possibili, 
ciascuno con la sua probabilità.
Per mettere in luce l'incompletezza di questa teoria della traiettoria fantasma, Einstein escogitò 
un esperimento cruciale. Non cercherò di rendere pienamente giustizia alla sua idea, ma solamente di 
esprimere l'idea di base. È chiamato "esperimento mentale EPR", dai nomi dei suoi tre inventori, 
Einstein, Podolsky e Rosen. Essi presero in considerazione un esperimento con due particelle, dove 
il destino dell'una è legato a quello dell'altra. Ci sono dei modi di produrre un paio di particelle 
che si allontanano l'una dall'altra, e tali che se una ha spin "su" l'altra ha spin "giù", o se una 
ha spin "destro" l'altra ha spin "sinistro". Mandiamo una di queste particelle a Bangkok e l'altra a 
Chicago. Va bene, disse Einstein, accettiamo pure l'idea che noi non possiamo conoscere nulla di una 
particella se non quando effettuiamo una misurazione. Allora misuriamo la particella A, a Chicago, e 
scopriamo che ha spin "destro". Ergo, noi sappiamo qualcosa della particella B, quella che sta a 
Bangkok, e il cui spin deve ancora essere misurato. Prima che la misurazione venisse effettuata a 
Chicago, la probabilità che avesse spin "sinistro" piuttosto che "destro" era del 50%. Adesso, dopo 
la misurazione di Chicago, sappiamo che la particella B deve avere spin "sinistro". Ma come fa la 
particella B a sapere quale sia stato il risultato dell'esperimento di Chicago? Anche se è 
equipaggiata con una piccola radio, le onde radio viaggiano alla velocità della luce, e ci vuole 
qualche tempo prima che la notizia arrivi. Qual è dunque questo meccanismo di trasmissione, che non 
ha la cortesia di viaggiare alla velocità della luce? Einstein lo chiamò "azione fantasma a 
distanza". La conclusione suggerita dall'esperimento EPR era che l'unico modo di spiegare la 
connessone fra ciò che accade ad A (la decisione di misurarla a Chicago) e ciò che accade a B è 
quello di fornire una descrizione più dettagliata, che la teoria dei quanti non può offrire. Ah! 
ecco che la meccanica quantistica non è completa, esclamò Einstein.
Perfino il traffico si fermò a Copenaghen, quando Bohr si mise a pensare al problema EPR. Einstein 
stava cercando di bidonare il principio di indeterminazione di Heisenberg misurando una particella 
che era d'accordo con lui. La risposta di Bohr fu che non si possono separare gli eventi A e B, e 
che il sistema fisico in considerazione deve includere A, B e l'osservatore che decide quando fare 
le misurazioni. Questa risposta di tipo olistico sembrava contenere un certo alone di misticismo 
orientaleggiante, e (troppi) libri sono stati scritti su questa influenza. La questione è se la 
particella A e l'osservatore di A abbiano un'esistenza fisica reale, oppure siano degli irrilevanti 
fantasmi intermedi fra un'operazione di misurazione e l'altra. Tale questione particolare è stata 
risolta da una scoperta teorica e da un brillante esperimento (eccolo qua, l'esperimento!).
Grazie a un teorema formulato nel 1964 da un teorico delle particelle di nome John Bell, divenne 
chiaro che una forma modificata dell'esperimento mentale EPR poteva in effetti essere condotta in 
laboratorio. Bell stesso escogitò un esperimento che prevedeva differenti risultati per una misura 
di correlazione a grande distanza fra le particelle A e B, a seconda che l'interpretazione di 
Einstein oppure quella di Bohr fosse quella corretta. Il teorema di Bell è diventato quasi un 
oggetto di culto, e ciò è in parte dovuto al fatto che sta tutto su una T-shirt. C'è almeno un club 
femminile, mi sembra a Springfield, che si riunisce tutti i giovedì pomeriggio per discutere il 
teorema di Bell. Con grande dispiacere dello stesso studioso, il suo teorema è stato sbandierato da 
alcuni come una "prova" dell'esistenza di fenomeni paranormali.
L'idea di Bell ha ispirato una serie di esperimenti, il più riuscito dei quali è stato quello 
condotto a Parigi nel 1982 da Alan Apect e dai suoi colleghi. L'esperimento è consistito nella 
misurazione del numero di volte in cui i risultati dell'osservazione di A sono stati correlati con 
l'osservazione di B, cioè, spin "sinistro" e spin "destro" oppure spin "destro" e spin "sinistro". 
L'analisi di Bell permetteva di predire questa correlazione usando sia l'interpretazione di Bohr che 
sostiene che la teoria dei quanti è "completa" per quanto può esserlo una teoria dei fenomeni 
atomici, sia l'interpretazione di Einstein secondo la quale ci devono essere delle variabili 
nascoste che determinano la correlazione. L'esperimento di Aspect e soci ha dimostrato chiaramente 
che l'analisi di Bohr è quella corretta. Apparentemente, dunque, esiste in natura una correlazione a 
distanza fra le particelle.
È questa la fine del dibattito? Certamente no. Esso va avanti. Uno dei luoghi più affascinanti e 
intriganti in cui i fantasmi quantistici sono apparsi è la nascita dell'universo. Nelle primissime 
fasi della creazione l'universo aveva dimensioni subatomiche, e la fisica quantistica vale allora 
per l'intero universo. Posso pretendere di parlare a nome della massa dei fisici quando dico che io, 
per quanto riguarda il mio lavoro di ricerca, mi limito al mio acceleratore, ma sono veramente lieto 
che qualcuno stia ancora riflettendo sui fondamenti concettuali della teoria dei quanti.

 ha scritto nel messaggio 
news:XWYve.8033$h5.5...@news3.tin.it...


 la scarsa intuitività e la presunta incompletezza. [.............]
E' una sintesi, questo tuo lungo post, di Leon Lederman (con Dick 
Teresi), La particella di Dio, Mondadori 1996 [*] ?
[*/volume acquistato a febbraio 1997 e non ancora letto .. 
che vergogna!]
ciao
Giuseppe
--
www.keybooks.it
-- 
questo articolo e` stato inviato via web dal servizio gratuito 
http://www.newsland.it/news
 segnala gli abusi ad 
ab...@newsland.it


   Sě esattamente !! Lo acquisti e poi lo lasci nel dimenticatoio ?
Briccone !

Il problema e' che si confonde la cosa con un pensiero sulla cosa.
La teoria non e' la cosa.
Uriel


Certamente , ma č gią un bel passo avanti.


Dipende da chi legge la teoria.
Uriel
-- 
----
My Site: 
http://www.pagantribes.org
My blog: 
http://blog.pagantribes.org
Il mio ego si trova nei tuoi occhi.(Uriel)

    Sì esattamente !! Lo acquisti e poi lo lasci nel dimenticatoio ?
Ripensandoci .. dev'essere stato proprio in quel periodo che incominciai
ad approfondire la questione delle congiunzioni tra Giove e Saturno, che
poi mi avrebbe assorbito completamente fino alla consegna del manoscritto
alla SIAE a fine luglio 2000 ed anche oltre.
