Onde, particelle e il problema dell'osservatore

La meccanica quantistica nasce, fra il 1900 e il 1927, da una doppia crisi. Gli oggetti che la fisica classica chiamava “onde” — la luce, la radiazione di corpo nero — si comportano in certi esperimenti come quanti discreti di energia. E gli oggetti che chiamava “particelle” — elettroni, atomi — producono, nelle famose configurazioni a due fenditure, figure di interferenza che solo un’onda saprebbe generare. La risposta della nuova teoria è spiazzante: né “onda” né “particella” sono nozioni primitive. Sono entrambe linguaggi parziali, che descrivono fedelmente la stessa realtà sottostante in regimi sperimentali diversi. Il dualismo non è un paradosso: è il segnale che le categorie classiche non bastano più.

Lo strumento matematico introdotto dalla teoria è la funzione d’onda $\psi$, un oggetto a valori complessi che non vive nello spazio fisico ma nello spazio degli stati. Da $\psi$ si estraggono probabilità — non valori certi — per gli esiti possibili di una misura: $|\psi|^2 = \text{densità di probabilità di trovare la particella in un punto.}$ Questa natura statistica, non deterministica, della previsione fisica inquieta lo stesso Einstein, convinto fino alla fine che “Dio non gioca a dadi”. Bohr e Heisenberg gli rispondono che il non-determinismo non è ignoranza nostra, ma struttura della natura: il principio di indeterminazione $\Delta x\,\Delta p \geq \hbar/2$ pone un limite di principio alla precisione congiunta di posizione e impulso, indipendentemente da quanto raffinati siano gli strumenti.

Forse il fatto più sorprendente è che questa teoria, nonostante l’interpretazione filosoficamente disturbante, è la più accuratamente verificata di tutta la fisica. Il momento magnetico anomalo dell’elettrone, calcolato con l’elettrodinamica quantistica, coincide con la misura fino alla dodicesima cifra significativa: una precisione equivalente a misurare la distanza Roma–Milano con l’errore di un capello. Ogni laser, ogni transistor, ogni risonanza magnetica ospedaliera è un’applicazione diretta della meccanica quantistica. Da quel salto concettuale di un secolo fa dipende, letteralmente, la civiltà tecnologica in cui viviamo.

Eppure, a un secolo di distanza, le sue questioni fondative restano aperte: che cosa significa “misurare”? Che cos’è un “osservatore”? Perché le interferenze scompaiono nel mondo macroscopico? La meccanica quantistica è un esempio luminoso di come una teoria possa essere insieme tecnicamente risolta — sappiamo fare i conti — e concettualmente aperta — non sappiamo bene che cosa stiamo descrivendo. È forse il dono più profondo che la fisica del Novecento ci consegna: la lezione che il nostro buon senso, levigato dall’evoluzione su una scala intermedia di dimensioni e velocità, non è un’autorità affidabile sulle scale dove dimora la vera architettura del mondo.

▶ È così che appare la meccanica quantistica? — Veritasium

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Argomenti: Fisica quantistica Concetti: Dualismo onda-particella · Principio di indeterminazione

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