La nuova fisica Meccanica Quantistica
o
Fisica Quantica
Meccanica Quantistica o Fisica Quantica
La scienza che studia la struttura della materia e le sue particelle elementari si chiama Fisica Quantica, Fisica delle Particelle o Meccanica Quantistica.
Prima di esporre le proposte della Meccanica Globale è conveniente capire cos’è la Meccanica Quantistica, il suo sviluppo, i suoi limiti e le sue debolezze. Tutto ciò da un punto di vista non accademico e rivolto sia ad esperti di questa branca della Fisica delle Particelle Elementari che al pubblico in genere.
Il fatto di non essere una scienza ultraspecializzata ha un vantaggio, ovvero che la mia prospettiva coinciderà abbastanza con le domande che si può porre un lettore medio sul contenuto e sul significato della Meccanica Quantistica.
Le idee più rilevanti sullo sviluppo e sull'evoluzione della Fisica Quantica, dopo un lungo giro per Wikipedia, si possono riassumere come segue:
Origine storica.
La teoria della Meccanica Quantistica nacque negli anni 20 del XX secolo, con le prime teoria sulla struttura dell'atomo e le sue particelle elementari, proprio a seguito dell'effetto fotoelettrico spiegato da Einstein,facendo un passo verso l'approccio fisico del concetto della costante di Planck.
Contesto scientifico iniziale.
Credo che ci siano due aspetti basici che segnano la Meccanica Quantistica da un punto di vista scientifico. Da una parte era stata del tutto scartata l'esistenza del famoso etere, proposto da René Descartes come mezzo di supporto della luce e, dall'altro, era appena stata accettata la Teoria della Relativitàdi Einstein.
La rigidità nell'inesistenza dell'etere formulato dalla teoria della Meccanica Classica impedirà alla Fisica delle Particelle di fornire una spiegazione delle forze di gravità in modo logico e la condannerà ad una giustificazione matematica della realtà fisica.
Al contempo, i due effetti necessitano infatti l'uno dell'altro, l'accettazione da parte della scienza del concetto di relatività del tempo costringe a cambiare la stessa filosofia della scienza, che finirà per diventare filosofia della tecnica e dell'utilità invece di conoscenza logica-obiettiva.
Evoluzione.
Il grande esito della teoria della Meccanica Quantistica è stato di stabilire un limite alla conoscenza fisica di quel tempo, con il Principio di Indeterminazione di Heisenberg, in modo che da quel limite in poi si potessero creare struttura logico-matematiche della realtà.
Man mano che si è osservata la natura o realtà fisica, sono stati designati nomi e sono state create leggi che spiegassero il suo comportamento. Per questo, due delle cose che più mi colpiscono della Fisica Quantica sono la moltitudine di nomi senza struttura logica, in contrapposizione ai nomi della chimica organica, e le numerose leggi o principi, con i loro rispettivi nomi, che dettagliano la realtà.
Diagramma di Feynman
Disegno quantico
Ovvero, le cose avvengono perché lo dicono i principi, principi o leggi di solito di carattere descrittivo e carenti di logica fisica.
Chiaramente i principi e le leggi si realizzano finché si osserva una violazione degli stessi e si creano nuove leggi e principi per delimitare queste violazioni, con nuove teorie ed i corrispondenti nomi delle violazioni, i nuovi principi e le suddette teorie.
Sviluppo tecnologico quantico.
Al contrario delle poche applicazioni pratiche della Teoria della Relatività di Einstein, questa branca della scienza è responsabile dell'impressionante sviluppo tecnologico del XX secolo dell'elettronica e dei sistemi della comunicazione, con tutte le implicazioni sulla scienza e sull'economia in genere.
Contesto scientifico attuale.
La spiegazione matematica della realtà che infrange la logica più elementare finisce col pagarsi e col creare limiti artificiali allo sviluppo scientifico e, ancora peggio, stabilisce l'abitudine di accettare come scienza ciò che non ha niente a che fare con essa e che a me sembra stregoneria e mi ricorda i vecchi stregoni fattucchieri.
Nella teoria della Meccanica Quantistica convivono parecchie teorie “scientifiche”. Fin dal suo inizio, con la corrente denominata Interpretazione di Copenhagen, un po’ per volta sono state incorporate numerose teorie nella misura in cui venivano scoperte nuove caratteristiche della struttura della materia e le nuove possibilità che si facevano cammino.
Fra tali teorie possiamo menzionare la Teoria Quantistica dei Campi (QFT, cioè Quantum Field Theory) ed nel suo seno l'Elettrodinamica Quantistica (QED acronimo di Quantum Electrodynamics) e successivamente la Cromodinamica Quantistica (QCD dall'inglese Quantum Chromodynamics)
Su Wikipedia, per giustificare la bontà del Modello Standard, si dice che fino a adesso è stata comprovata l'esistenza di tutte le particelle dello stesso tranne il bosone di Higgs. Non spiega con sufficiente chiarezza che il Modello Standard è stato sviluppato per spiegare le osservazioni compiute con scarsi progressi del modello rispetto alle osservazioni, com’è il caso del bosone di Higgs.
Per l'incompatibilità fra la Meccanica Quantistica e la Teoria della Relatività di Einstein sono emerse diverse teorie di unificazione.
La più famosa è la Teoria della Stringhe (Teoria delle Corde) con le sue ancora più famose 10 dimensioni addizionali. Più o meno le stesse dimensioni che ha la Teoria delle Superstringhe, in funzione della variante specifica o di quella che cerca di unirle tutte, la Teoria M.
La Gravità Quantistica e la Gravità Quantistica a loop (LQG dall'inglese Loop Quantum Gravity) sono in concorrenza con la precedente Teoria delle Stringhe, ma hanno meno seguaci.
Meno note, ma più simpatiche, sono le correnti di Interpretazione Transazionale e l'Interpretazione dei Molti Mondi o Mondi Multipli.
L'Interpretazione Transazionale sostiene che in un fotone c’è un’onda che è più avanti nel tempo e un’altra in senso opposto che viaggia indietro nel tempo. Di conseguenza o di fatti, scompare la logica della causa-effetto e appare qualcosa di nuovo, chiamato logica quantistica, che io però chiamerei in un altro modo…
L'Interpretazione di Molti Mondi si esprimer sul collasso della funzione probabilista d'onda che, quando si manifesta una realtà concreta, gli oggetti delle probabilità non realizzate effettivamente saranno le realtà concrete in altri mondi o universi paralleli.
Ho qualche sospetto che ci vorrà tempo per dimostrare empiricamente una qualsiasi di queste ultime teorie menzionate, sebbene, alla luce di altre già ipoteticamente dimostrate, potrebbe succedere di tutto.
Come si può osservare, questo ripasso dello sviluppo storico della Meccanica Quantistica e molto breve orientato alla finalità di questo libro; da una parte vuole spiegare e riconoscere sia i successi ottenuti e la sua impressionante complessità matematica che le sue enormi lacune o debolezze e dall'altra, proporre soluzioni logiche sull'interpretazione fisica della realtà, in modo tale che la matematica impiegata ottenga la dovuta coerenza.
La Fisica delle Particelle e una branca molto giovane della scienza ed in pieno sviluppo, ragion per cui le manca una base solida e strutturata dei suoi apporti alla conoscenza scientifica.
Seguendo la logica quantica dell'essere o non essere, spero che adesso sia aumentata la probabilità di intendere lo scopo positivo della presentazione delle seguenti caratteristiche negative della Meccanica Quantistica:
Natura discreta della realtà.
Questa proprietà delle cose è i consonanza con il concetto greco di atomo. Un’altra cosa è che venga assegnata la stessa natura discreta a concetti astratti come lo spazio, il tempo, la forza o la velocità.
Accettazione della magia.
Si basa su forze di campi virtuali con proprietà precise senza causa materiale o tangibile, per quanto sia minima. Ovvero, fra le tante altre cose si mantengono a distanza le forze che infastidivano così tantoNewton.
Influenza della matematica.
In realtà, la Fisica Quantica, più che una teoria fisica, è una teoria matematica che cerca di descrivere la realtà rinunciando a capirla.
Se nel modello matematico di particelle elementari non c’è posto per le proprietà necessarie di un oggetto con massa, allora si dice che la particella non ha massa. La cosa più curiosa è che non dicano neppure che ha un’altra cosa di questo mondo e che continuino a chiamarla particella!
Se qualcosa nasce dal nulla, lo chiamano particelle virtuali, e tutti felici e contenti, come i bosoni W e Z, la cui esistenza è stata provata nel 1983 nell'acceleratore del CERN di Ginevra: dopo la loro predizione dalModello Standard come bosoni intermedi per spiegare, a loro volta, altre particelle.
Logica quantica.
Poiché la logica brilla per la sua assenza, in numerose occasioni è stato coniato questo nuovo termine da parte della stessa comunità scientifica.
Un esempio della nuova logica quantica può essere ciò che si dice su Wikipedia parlando dei Bosoni W e Z virtuali “… che nel mezzo ci fu un’asimmetria di massa-energia così breve che è come se la realtà non se ne fosse resa conto”.
Altri esempi possono essere la comparsa di teorie con molte dimensioni, mondi e viaggi nel tempo.
Si arriva al punto estremo di dire che il cervello umano non si è evoluto per intendere la realtà. Insomma, suppongo che sarà per la storia della logica quantica o per descrivere tipi di cervelli un po’ speciali. Come quelli che usano solo l'uno per cento della loro capacità!
Citazioni sulla meccanica quantistica o fisica quantistica.
Dio non gioca a dadi con l'universo.[1] (Albert Einstein)
È sempre divertente imparare qualcosa di nuovo sulla meccanica quantistica. (Benjamin Schumacher)
[Sulla critica alla meccanica quantistica di Einstein] Einstein [...] sbagliò quando disse: «Dio non gioca a dadi». La considerazione dei buchi neri suggerisce infatti non solo che Dio gioca a dadi, ma che a volte ci confonda gettandoli dove non li si può vedere. (Stephen Hawking) [Attribuita anche aRichard Feynman]
Espressioni come "la natura corpuscolare della luce" o "la natura ondulatoria degli elettroni" sono ambigue, perché i concetti di corpuscolo e di onda sono ben definiti solamente in fisica classica, nel cui ambito ovviamente luce ed elettroni sono, rispettivamente, onde elettromagnetiche e corpuscoli materiali. (Niels Bohr)
La fisica quantistica ha reso maturi i tempi per un cambiamento, ritrovandosi in perfetta sintonia con le posizioni di James. Il collasso della funzione d'onda esibisce le stesse caratteristiche di scelta e determinazione della realtà attribuite alla coscienza. (Piergiorgio Odifreddi)
Nella fisica prequantistica, non c'era alcun dubbio sul modo di intendere queste cose: nella teoria di Newton, la realtà era rappresentata da punti materiali nello spazio e nel tempo; nella teoria di Maxwell, dal campo nello spazio e nel tempo. Nella meccanica quantistica, la rappresentazione della realtà non è cosi facile. Alla domanda se una funzione ψ della teoria quantistica rappresenti una situazione reale effettiva, nel senso valido per un sistema di punti materiali o per un campo elettromagnetico, si esita a rispondere con un semplice "si" o "no". Perché? (Albert Einstein)
Non mi piace, e mi spiace di averci avuto a che fare. (Erwin Schrödinger)
Penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica. (Richard Feynman)
Piantala di dire a Dio che cosa fare con i suoi dadi. (Niels Bohr, rispondendo ad Einstein)
Più la teoria dei quanti ha successo, più sembra una sciocchezza. (Albert Einstein)
Se credete di aver capito la teoria dei quanti, vuol dire che non l'avete capita. (Richard Feynman)
PER APPROFONDIRE:
Dalla Fisica Classica alla Fisica Quantistica
La Fisica sviluppata prima del 1900 (la ``Fisica classica'') consta della meccanica classica, basata sulle equazioni di Newton, della teoria di Maxwell (elettricità, magnetismo, onde elettromagnetiche), della termodinamica e della teoria cinetica dei gas.
Alla fine del secolo XIX vari esperimenti mostrarono risultati che erano in profonda contraddizione con i fondamenti della fisica classica e portarono alla costruzione di nuove teorie: a) la teoria della relatività di Einstein, b) la meccanica quantistica.
L' effetto della relatività nei sistemi chimici è piuttosto limitato poiché le velocità in gioco all'interno delle molecole sono assai inferiori velocità della luce (
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m/s); sebbene la relatività sia importante per la comprensione delle proprietà elettroniche degli atomi pesanti, possiamo dire che essa non svolge un ruolo molto rilevante nello studio della struttura molecolare e nella reattività chimica (a parte la radioattività e altri fenomeni specifici) e pertanto essa non viene generalmente insegnata, se non per sommi capi, nei corsi di laurea in Chimica.Al contrario la Meccanica Quantistica costituisce il fondamento su cui è costruita tutta la chimica. La nostra attuale comprensione della struttura atomica e molecolare è basata sui principi della Meccanica Quantistica che, a buon diritto, costituisce il fondamento della struttura della materia. Vediamo ora sinteticamente alcuni esperimenti cruciali che imposero un mutamento nel pensiero scientifico agli inizi del secolo XX.
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