L’elettrone secondo la sua natura ondulatoria è dappertutto e non è da nessuna parte.

Affermazione che mi fa sentire come se precipitassi in un abisso. Insomma, quando tocco le mie braccia, la pelle, gli oggetti intorno a me, respiro l'aria, sono convinta che sono entità palpabili, concrete. O meglio: ho una certa idea di cosa significhi essere palpabile, concreto. Invece la fisica quantistica mi dice che fino in fondo, in me, le mie fondamenta, la mia materia è basata su delle particelle che si presentano anche ondulatorie, e quindi sono anche “un movimento oscillatorio continuo, diffuso in una regione di spazio" - come afferma Viktor Weisskopf -, oltre ad essere corpuscoli. [1]

Allora devo riformulare le mie idee per quanto riguarda il significato delle parole "palpabile" e "concreto".

Questa settimana propongo il libro di Louis de Broglie, I quanti e la fisica moderna, nella traduzione di Ubaldo Richard.

Per darvi un assaggio, ricapitolo in breve che significa quando de Broglie afferma che la materia ha doppia natura.

Esiste una sperimentazione che lo verifica: l’esperimento della doppia fenditura. Si fanno passare degli elettroni con un impulso specifico in una fenditura a forma di cerchio. Gli elettroni devono impattare una lastra posizionata trasversalmente. La lastra è dotata di rilevatori che sono in grado di percepire l’urto degli elettroni e di emettere un suono ogni volta che avviene un impatto. Quella che viene fatta passare è sempre la quantità di carica elettrica di un solo elettrone. Il risultato è che ogni sensore rileva sempre un solo elettrone e la sua energia. Questo è l’attributo delle particelle inseparabili classiche. Ora, se gli elettroni fossero corpuscoli classici dovrebbero impattare regolarmente nel punto in corrispondenza della fenditura a forma circolare. Gli elettroni invece dimostrano una certa inclinazione, come quella creata dal campo elettromagnetico in esperimenti simili. Questo fenomeno è chiamato interferenza quantistica. Secondo l’esperimento quindi anche l’elettrone interferisce come un’onda classica. Seguendo il risultato della sperimentazione, dobbiamo quindi immaginare l’elettrone come un’unità quantistica e non come una particella meccanica classica. Il quanto è l’ultima quantità dell’energia e dell’impulso che è coerente, unità non più separabile. Questa è la scoperta che ha comportato la modificazione del sistema di idee e la nascita di un nuovo sistema metaforico.

Adesso la faccenda diventerà più vertiginosa: viene fuori che le nostre fondamenta ci sfuggono pure dalle mani.

Quindi alla dualità particella-onda si collega il principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo cui non è possibile determinare la posizione esatta di una particella (in questo caso quella di un elettrone). Per esempio, se misuro la sua velocità non posso determinare con esattezza dove si trova, e viceversa. Heisenberg riconduce questo fenomeno all’interferenza dell’uomo che, misurando la posizione della particella, si intromette nel sistema e lo modifica.

Bene, se tutto succede perché interviene l'uomo: ammissibile.

Nel frattempo però è emerso che l’indeterminatezza che caratterizza i sistemi della meccanica quantistica non ha niente a che fare con la persona che effettua la misurazione. De Broglie ha affermato che l’elettrone può rimanere sulla sua orbita perché la sua ampiezza è fissa. “Un movimento oscillatorio continuo diffuso in una regione di spazio”.[2] In questo senso, l’elettrone, secondo la sua natura ondulatoria, è dappertutto e non è da nessuna parte determinabile. Successivamente Schrödinger trova l’equazione per la trascrizione della mappa ondulatoria dell’elettrone, e nel 1927 Max Born spiega il significato fisico di tutto ciò:

Non posso dire dov’è esattamente l’elettrone, posso soltanto affermare quanto sia probabile che, in uno spazio dato, troverò l’elettrone in una certa posizione. Se rileviamo la sua posizione, la funzione ondulatoria crolla e così si determina la posizione esatta dell'elettrone. La domanda dei fisici è stata la seguente: esiste qualche predeterminazione (“stati precedenti nascosti”) che si evidenzia nel momento in cui misuriamo la posizione, oppure non esiste una predeterminazione del genere, e dunque la posizione dell’elettrone si definisce veramente al momento della misurazione?

Allora, è questo il momento in cui io sto precipitando nell'abisso, e sembra che proprio non ha fondo.

Perché trovo importante ed interessante tutto ciò?

La meccanica quantistica e la teoria della relatività siamo noi. E le utilizziamo anche quotidianamente. Eppure ne sappiamo ben poco. Oltre agli elettroni che pulsano e fluttuano infidi nella profondità delle nostre cellule, vorrei menzionare un esempio più pratico: sapevate che i satelliti che creano la mappa dei Gps devono fare il calcolo della differenza fra come passa il tempo là su e come passa invece qua giù, e mandarci i segnali secondo questo calcolo, altrimenti non potremmo usare l'informazione in "tempo reale", perché, in effetti, il tempo, lassù, per davvero non passa come quaggiù?

In questo libro de Broglie descrive le stazioni dell'evoluzione della scienza della fisica che ci hanno portato alla scoperta di tutto ciò fino ad allora (1937). Mette in rilievo il loro collegamento alle scoperte nuove (Teniamo presente che la scienza della meccanica quantistica si evolve in continuazione!). Parte dalla meccanica e fisica classica, e cioè da dove partiamo noi, perché fondamentalmente impariamo quello a scuola. Dopo parla degli atomi e dei corpuscoli. Successivamente continua con le teorie della relatività, per poi immergersi definitivamente nelle questioni del quanto.

Il libro di de Broglie si fa leggere. Spiega tutto: è accurato, e attento a insegnare le casualità con uno stile semplice, senza entrare nei calcoli matematici, quindi è ben chiaro, fruibile, ma più che altro interessante e piacevole anche per chi non è del mestiere, e deve cominciare dalle nozioni basilari.

Anche l'edizione è eccezionale. L'ho trovato sulla bancarella di un signore che vendeva libri usati al mercatino, in campagna. Come vedete, si deve tenere insieme con l'elastico, talmente è vecchio.

Un altro suo pregio è che si vede che il proprietario precedentemente lo aveva usato tanto. Sono sempre contenta quando riesco a trovare una perla come questo libro vecchio, ma prezioso.

E' un pezzo della storia delle scoperte più importanti delle scienze naturali (Edizione Einaudi, 1942).

Ed è un onore informarsi di tutto ciò dalla penna del maestro.

 

[1] Viktor Weisskopf: Il privilegio d’essere un fisico, 04/05/2024.

[2] Idem.

 

Irisz Maar © novembre, 2023

Revisione e correzione: Anna Cavallini

 

Grazie a Gábor Marek che è stato il mentore costante dei miei studi della teoria della relatività e della
meccanica quantistica, e al Professor E. Szabó László che ha revisionato i brani scientifici.