Spiegare l’inspiegabile: un secolo di fisica quantistica

100 anni fa nasceva ufficialmente la fisica quantistica. L’Onu ha deciso di dedicare il 2025 a una teoria affascinante che da allora corre parallela alla fisica “tradizionale” basata sulla relatività. Due binari che forse mai si incontreranno. Da decenni, le migliori menti scientifiche del mondo provano a trovare una “teoria del tutto” che possa spiegare, in maniera semplice ed efficace, la fisica che regola la natura e l’universo. Fra loro c’è il Professor Angelo Bassi, ordinario di fisica teorica a Trieste, con oltre 150 pubblicazioni su riviste internazionali. “Il fisico che vuole rivoluzionare la meccanica quantistica” lo ha definito in un suo ritratto il New York Times. Lo abbiamo intervistato. Facendo un gioco di parole è corretto dire che la fisica quantistica, teorizzata da Heisenberg un secolo fa, nasce per spiegare l'inspiegabile? È un gioco di parole che cattura qualcosa, forse più in profondità di quanto si potrebbe pensare. Però una cosa bisogna chiarirla: quest’anno viene celebrato dall’ONU un secolo dalla nascita della fisica quantistica nella sua formulazione moderna, però di meccanica quantistica si è cominciato a parlare nel 1900, con Planck. E cosa è successo in quegli anni? È successo che non si capiva più nulla. Non si riusciva ad inquadrare più il comportamento a livello microscopico della materia e della radiazione in un contesto teorico coerente, comprensibile, di tipo classico, come uno ha sempre fatto nei secoli precedenti: palline che si toccano, si respingono, si attraggono. Questa visione che i fisici hanno sempre avuto, questa modellizzazione, anche delle onde, non funzionava più. 25 anni di buio completo. Quello che Heisenberg è riuscito a fare è trovare una formulazione matematica che metteva assieme il tutto dando – come ha detto lei – una spiegazione a quello che era inspiegabile, che però era coerente e funzionava e funziona tutt'ora a cent'anni di distanza. Lei ha accennato anche alle onde che è un concetto molto quantistico, perché, detto in maniera profana, passiamo proprio dalle classiche orbite a un’onda attorno all’atomo che prevede che gli elementi siano in più luoghi contemporaneamente… Gli atomi sono i mattoni della materia e la materia è più o meno tutto quello che abbiamo. Parlare dell'atomo vuol dire parlare di tutto il mondo naturale. Partiamo da quello di idrogeno che è l'atomo più semplice: è fatto da protoni, che sono al centro con una carica positiva e da elettroni che sono quelli della corrente elettrica. Uno potrebbe pensare, in maniera abbastanza semplice ma ragionevole, che gli elettroni girano attorno al protone, attorno al centro, come la terra attorno al sole. Questo modello, perché non dovrebbe funzionare? Non funziona, per ragioni diverse. La meccanica quantistica invece sostituisce il concetto di particella con il concetto di onda, l'elettrone non è più la particella che gira ma è l'onda che si avviluppa attorno al nucleo. Cosa significa che un elettrone si avviluppa attorno al nucleo? Schrödinger lo intendeva in senso letterario, come se l'elettrone fosse una gelatina. Invece la meccanica quantistica dice: no, questo non è vero. Quest'onda non va intesa come un'onda fisica ma come un'onda matematica di probabilità che l'elettrone sia qui o là se io vado ad osservarlo ma prima di osservarlo - su questo Heisenberg ha insistito molto - io non posso dire nulla. È questo il grande salto concettuale, la grande sfida della meccanica quantistica. L'onda non è fisica, è un'onda matematica, ed è quello che ha permesso di tentare di spiegare l'inspiegabile. Non si spiega ancora ma in qualche modo funziona. C'è chi ha provato a mettere insieme la fisica quantistica e la relatività. Parliamo dello scienziato più pop a cavallo tra XIX e XX secolo: Stephen Hawking. La sua teoria del tutto divenne anche il nome del film biografico dedicato al grande astrofisico. Ma questa teoria è possibile davvero? Io mi aspetto una teoria del tutto perché è nel gioco della fisica arrivare a una descrizione unitaria. L'obiettivo fondamentale della disciplina è descrivere la varietà dei fenomeni fisici nel loro infinito avvicendarsi, in termini semplici, unitari, con pochi concetti. Quindi a livello ideale avere un'unica teoria con pochi elementi che descrive tutto è la tensione che la fisica ha sempre avuto. E allora perché non ha funzionato? La verità è che le due teorie, la meccanica quantistica e la relatività generale, sono profondamente diverse tra di loro. Questa secondo me è la vera spiegazione del perché, banalmente, non funziona metterle assieme come tentato finora. La meccanica classica nella sua formulazione ortodossa, quella dei libri di testo, vuole riferirsi al mondo quantistico, ma in termini classici. Quindi esiste in qualche modo una realtà classica con uno spazio, un tempo classico, quello in cui viviamo noi e noi possiamo esprimere i fenomeni microscopici usando un linguaggio della fisica classica. Quindi la fisica classica in qualche modo o le strutture classiche sono un po’ un presupposto per la meccanica quantistica. La relatività generale, invece, ha una visione dello spazio diversa e quindi a livello fondamentale le due cose sono completamente incompatibili. Secondo me queste due cose rendono le teorie incompatibili tra di loro. Ci sono alcuni dettagli che sono troppo complessi da spiegare, però c'è un gatto diventato suo malgrado l'emblema della fisica quantistica. Allora la storia del gatto di Schrödinger è stata proposta nel 1935, quindi dieci anni dopo l'anno a cui stiamo facendo riferimento adesso. Schrödinger la propose per dimostrare l'assurdità della teoria. Sia chiaro è solo un esperimento mentale, mai nessuno farebbe una cosa del genere, è una discussione accademica! E allora Professore, col disclaimer che nessun gatto è stato maltrattato per questa intervista, cosa prevede l’esperimento? Uno prende un gatto, lo chiude in una scatola con un congegno Geiger, strumento per misurare la radioattività, collegato a un veleno che se la fiala si rompe il gatto muore, se invece la fiala rimane integra, il gatto continua a vivere. Allora cosa succede? La meccanica quantistica dice che le particelle radioattive, che sono contenute dentro a questo meccanismo, possono decadere o non decadere e qui entra in gioco il concetto di sovrapposizione, la funzione d'onda, quell'onda matematica che abbiamo detto prima. Questa è la somma di due termini: uno in cui l'atomo decade e attiva il congegno e l’altro in cui non decade e il congegno non si attiva. Ma il gatto è vivo o morto? Il gatto è rappresentato, secondo la teoria, da un'onda che è la somma di due termini, una col gatto vivo e una col gatto morto. E in questa situazione non si può dire che il gatto sia vivo o morto. La teoria lo vieta, questa è la storia del gatto di Schrodinger. Qual è la conclusione? La conclusione è che siamo di fronte a un assurdo, non si può immaginare che il gatto sia in questo limbo. Un gatto, come tutti i comuni mortali, ha uno stato di salute, si spera buono, quindi il fatto che la teoria preveda un altro stato denota un limite della teoria stessa. Quindi la teoria ha un problema e questa è una conclusione sufficientemente condivisa dalla comunità scientifica. Passando dalla teoria alla pratica, la fisica quantistica viene usata concretamente tutti i giorni. Penso al raggio laser… Sin dall'inizio ha avuto uno sviluppo tecnologico, già dagli anni ’20, all’epoca della prima rivoluzione quantistica. Lei ha citato il laser, ma forse ancora più importante è il transistor. Si tratta dell’elemento fondamentale dei chip, quindi di tutti i normali computer. Da questo punto di vista, senza la meccanica quantistica non avremmo il cellulare, non avremmo quel computer miniaturizzato che sta dentro un telefonino, ma avremo ancora i grossi elaboratori dei primi anni ‘50. Ma adesso stiamo vivendo la seconda rivoluzione: abbiamo il computer quantistico, un oggetto che fa calcoli col nuovo paradigma di queste onde, non quello della corrente che passa-non passa ma questo stato strano di passare e non passare allo stesso tempo. E questo, è stato dimostrato, permette di fare alcuni tipi di calcoli in maniera più veloce rispetto a qualunque computazione classica. C’è poi la comunicazione quantistica, ovvero un modo sicuro di scambiarsi chiavi per fare la crittografia. Un modo che non può essere intercettato, perché queste onde se vengono intercettate si modificano e quindi le modifiche sono tracciabili E poi i sensori con queste onde che vedono tutto e sentono tutto e si modificano. Sensori quantistici, comunicazione quantistica e computer quantistico sono le tre promesse di cui si sta parlando ai giorni nostri. Nel 2020 il New York Times Magazine le dedicò un bell'articolo definendola il fisico ribelle che voleva cambiare la storia della meccanica quantistica. Cosa è cambiato in questi 5 anni del suo lavoro e qual è la sua attività di ricerca in questo momento? Per risponderle torniamo al famoso gatto di Schrödinger. Cioè al fatto che questa teoria, se presa alla lettera, non può descrivere la natura come è realmente. Quindi l'idea è di modificare la teoria. Questa è la sfida da cui il titolo del servizio del New York Times. Insomma, il titolo chiaramente era un po' giornalistico, “il fisico ribelle”. La ricerca che io e altri colleghi facciamo, non è mainstream ma di frontiera. È una ribellione, non è una rivoluzione che vuole distruggere tutto, ma che vuole andare fino in fondo a capire le cose e tentare di modificare la teoria per renderla più ragionevole, più aderente alle nostre osservazioni. L'obiettivo nel futuro sarebbe quello di arrivare a una nuova teoria che rimpiazzi, la meccanica quantistica. Una teoria più coerente, più efficiente e che porti a una visione del mondo diversa. Quindi a superare quel gioco di parole dello spiegare l'inspiegabile, ma nell'aver spiegato un mondo semplicemente com’è. Quali sono i passi da fare? I passi sono lenti, perché la sfida è enorme. In questi cinque anni stiamo facendo progressi dal punto di vista teorico nel capire dove andare a modificare la teoria, dove poterla verificare sperimentalmente, dove invece non conviene andare a fare esperimenti. Perché queste teorie prevedono delle modifiche della meccanica quantistica ma chiaramente non sono modifiche distruttive altrimenti le avremmo già viste. Sono modifiche un po’ piccole ed è difficile andarle a vedere, ma le indicazioni sono chiare e bisogna lavorare a testa bassa. Professore, il fatto che la fisica che governa il nostro pianeta sia la stessa valida qui sulla Terra come a miliardi di anni luce, cosa comporta? Che idea si è fatto? Non c'è molta alternativa. Se lo spazio non fosse omogeneo da questo punto di vista e le leggi della natura che valgono qui non valessero anche altrove, andremo incontro a grandi problemi. Troverei un po’ strano che in altre parti del nostro universo la fisica debba avvenire diversamente. Lo dico per esempio perché la gravità, che è l'unica forza che noi vediamo su grandissime distanze, sulle distanze cosmologiche, si comporta ragionevolmente come ci aspettiamo proprio in base all'assunzione che sia la stessa ovunque. Onestamente sarei sorpreso se ci fossero diverse fisiche in diverse parti dell'universo, però concettualmente non lo posso escludere. Aggiungo un commento… Prego… Mi piace questa idea di unità, che poi anche comporta una semplicità. Perché se ci fossero diverse fisiche, diverse teorie, io perderei un po’ quella teoria del tutto. Rimane l'idea, forse un'ambizione un po’ avventata. Però, insomma, è l'ambizione umana che c'è sempre stata, sin dall'origine. Una teoria del tutto e dell’ovunque.. Tutto nello spazio e tutto nel tempo, quindi anche ovunque, sì. Non bisogna rinunciarci, anche se poi non ci arriveremo mai.

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Spiegare l’inspiegabile: un secolo di fisica quantistica

Roberto Palladino