Guerra e armonia tra particelle
Christian Corda, Professore di Fisica Teorica presso il SUNY Polytechnic Institute, 13502 Utica, New York, USA
E-mail: cordac.galilei@gmail.com
(https://levocidisophia.it/2025/11/04/editoriale-6/)
(https://www.doi.org/10.14672/VDS20256ED20)
First online: 14/12/2025
Qui il sesto numero della rivista.
Il concetto di particella in fisica è abbastanza nebuloso. Se vogliamo definirlo con un certo rigore possiamo parlare di costituente microscopico della materia. In passato, prima dell’avvento della meccanica quantistica, la particella era associata al concetto di punto materiale, ossia un modello semplificato ed ideale che rappresenta un corpo fisico come un punto geometrico dotato di massa, ignorando le sue dimensioni e la sua estensione. Con l’avvento della meccanica quantistica, le cose cambiarono profondamente. Albert Einstein è universalmente noto per essere il padre della maestosa teoria della relatività, ma è meno noto il fatto che gettò anche le basi per la meccanica quantistica, scienza che si consolidò nei primi 30 anni del ‘900 e che è oggi considerata la teoria fondamentale della fisica che descrive il comportamento di materia, particelle ed energia a scale atomiche e subatomiche. In effetti, Einstein vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1921 non per la teoria della relatività, ma per la sua interpretazione dell’effetto fotoelettrico datata 1905. Di che si tratta? È un fenomeno, per l’appunto quantistico, per cui degli elettroni vengono emessi da una superficie metallica quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica (come la luce), a patto che la frequenza della luce superi una certa soglia (soglia fotoelettrica) specifica del metallo in questione. Einstein propose che, per spiegare l’effetto, la luce debba avere un comportamento duale, ossia debba propagarsi nel vuoto come un’onda, ma comportarsi come un flusso di particelle, dette quanti o fotoni, quando interagisce con la materia. In seguito, nel 1924, il fisico francese Louis de Broglie generalizzò l’idea di Einstein anche al comportamento degli elettroni, e, più in generale, di ogni tipo di particella. La tesi di fu immediatamente sostenuta da Einstein e fu ben presto confermata dagli esperimenti sulla diffrazione degli elettroni di Davisson, Germer e Thomson. De Broglie ottenne per questa scoperta il Premio Nobel per la fisica nel 1929. Un altro punto chiave relativo alla concezione moderna della particella come grandezza fisica di deve al fisico tedesco Werner Heisenberg che nel 1927 propose il celeberrimo principio di indeterminazione che oggi porta il suo nome. Heisenberg sostenne che non siamo in grado di misurare, nel mondo dell’infinitamente piccolo della meccanica quantistica, con assoluta precisione la velocità e la posizione di una particella, ossia, più vogliamo misurare con maggior precisione la velocità di una particella, meno siamo in grado di misurarne con precisione la posizione, e viceversa. Il principio di indeterminazione di Heisenberg trova una sua spiegazione teorica nell’analisi matematica della struttura delle onde, trovando così anche in questo caso consistenza con l’idea di dualità di Einstein e De Broglie, ed è stato successivamente confermato da innumerevoli esperimenti. Il principio di indeterminazione ha conseguenze devastanti sull’idea di determinismo in fisica. La meccanica quantistica ci dice infatti che, proprio a partire dal principio di indeterminazione, se sappiamo con precisione quale sia lo stato di un sistema fisico ad un determinato istante, non siamo in grado di sapere quale sarà il suo stato ad un istante successivo. Pur conoscendone alla perfezione quali sono le equazioni che ne governano l’evoluzione, siamo in grado di dire solo quale sarà la probabilità di trovarlo in uno tra tanti possibili stati successivi. La meccanica quantistica faceva pertanto a pezzi l’idea di determinismo scientifico che era tanto cara ad Einstein portandolo ad allontanarsi da quella creatura scientifica di cui era stato il padre fondatore. Il pensiero di Einstein in proposito era la celeberrima frase che era solito usare contestando i convegni dei fisici quantistici in cui diceva Dio non gioca a dadi con l’Universo, alla quale il suo grande amico, ma oppositore filosofico in questo contesto, il fisico danese Niels Bohr, un altro gigante della fisica teorica, era solito replicare con la frase Einstein, non dire a Dio cosa deve fare. L’interpretazione probabilistica di Bohr e dei suoi allievi, gli allora giovani fisici di quella che venne chiamata la scuola di Copenaghen, vinse quella che all’epoca venne chiamata diatriba Bohr-Einstein sull’aspetto probabilistico o deterministico della Natura. È oggi infatti convinzione generale che particelle come elettroni e fotoni mostrino una doppia natura, comportandosi sia come onde che, come particelle, (dualismo onda-particella) e che le loro proprietà sono definite probabilisticamente, non deterministicamente, come nel mondo della fisica classica di Galileo e Newton, fino ad arrivare all’ultimo grande fisico deterministico che è stato Einstein e che rimase un convinto determinista sino alla sua morte. La meccanica quantistica è la base della fisica moderna, spiegando fenomeni microscopici e portando allo sviluppo di tecnologie come i semiconduttori, pur risultando contro-intuitiva alla nostra esperienza quotidiana. Essa è anche in grado di generare degli incredibili paradossi che ci portano al titolo di questo mio intervento, ossia all’idea di guerra e armonia tra particelle. La meccanica quantistica da un lato prevede la possibilità di una guerra tra particelle che potrebbe, in principio, portare alla fine del mondo. Ogni volta che inneschiamo una reazione nucleare, dovuta essenzialmente ad urti, e quindi ad una “guerra” tra particelle, l’indeterminismo quantistico ci dice che esiste una possibilità diversa da zero che si inneschi una reazione a catena in grado di bruciare l’intera atmosfera distruggendo il mondo. Però la meccanica quantistica è in grado di prevedere anche un’incredibile “armonia” tra particelle. Secondo le leggi della meccanica quantistica, infatti, esiste anche una possibilità diversa da zero che, se ci spariamo un colpo di pistola in testa, il proiettile possa attraversare la nostra testa senza fare danno. Si tratta di un caso di armonia massima sul modo in cui le particelle che costituiscono la nostra testa dovrebbero disporsi rispetto alle particelle della pallottola che attraversa la nostra testa. Ovviamente, non consiglio a nessuno di tentare questo tipo di esperimento. Le due probabilità di cui ho parlato, quella che ogni reazione nucleare che viene innescata possa distruggere il mondo e quella che sparandoci un colpo di pistola in testa il proiettile attraversi la nostra testa senza fare danno, sono più piccole della probabilità che un asteroide colpisca il nostro pianeta nei prossimi anni ponendo fine alla storia della razza umana, ma restano comunque, incredibilmente, diverse da zero.
Un altro esempio di guerra e armonia tra particelle riguarda il cosiddetto moto browniano. Si tratta del movimento irregolare e continuo di particelle microscopiche (come polline o polvere) sospese in un liquido o un gas, causato dagli urti incessanti e casuali con le molecole del fluido circostante. Osservato per la prima volta dal botanico Robert Brown nel 1827, fu spiegato da Einstein ancora nel 1905, quello che fu il suo Annus Mirabilis, come prova dell’esistenza e del movimento degli atomi. Einstein, dunque, fu in grado di mettere armonia in questa particolare guerra tra particelle.