da Tempo Medico

FISICA

Natura facit saltus

ento anni fa, il 19 ottobre dell’anno 1900, un fisico tedesco geniale e conservatore, Max Karl Ernst Ludwig Planck, scopriva il quanto elementare d’azione. Meno di due mesi dopo, il 14 dicembre, quel fisico geniale e conservatore, con una nota scientifica, rendeva pubblica la sua scoperta. E dava inizio a quella che molti considerano la più radicale e profonda rivoluzione concettuale nella storia della fisica: la rivoluzione quantistica.

Come andarono le cose, è storia nota. Sul finire del XIX secolo, la fisica dispone di tre grandi teorie per spiegare il comportamento della materia e dell’energia nell’universo: la teoria di Newton descrive mirabilmente la meccanica e il moto dei corpi materiali; la teoria di Maxwell descrive mirabilmente la dinamica della radiazione elettromagnetica; la termodinamica, infine, descrive altrettanto bene gli scambi di energia. Così molti pensano che la ricerca teorica in fisica sia ormai sostanzialmente completa.

Max Planck, tuttavia, non ama l’interpretazione probabilistica con cui Boltzmann ha ricondotto la termodinamica nell’ambito della meccanica. Egli è convinto che la termodinamica sia governata da leggi generali e assolute. Ed è proprio per cogliere queste leggi di "validità universale e assoluta" che si impegna a cercare la soluzione di un problema in particolare: quello relativo alle proprietà della radiazione emessa attraverso un piccolo foro praticato nella parete di un forno e noto, nell’ambiente dei fisici, come "problema del corpo nero". Sembra una questione minima, di dettaglio. Invece si rivela, anche per Planck, insolubile. Proprio non si riesce, con i metodi e le teoria dell’intera fisica conosciuta, a prevedere l’esatta intensità di quella dispettosa radiazione. Per risolvere quella questione, in apparenza minima, occorre un salto di qualità. Una modifica profonda del pensiero fisico classico. E persino del senso comune. Planck, suo malgrado, se ne rende conto. Così, dopo lunghi studi e "dopo grande travaglio, angoscia e perplessità", abbandona il concetto, classico, di azione continua. E introduce quello, rivoluzionario, di azione quantizzata: l’intensità della radiazione emessa dal corpo nero non varia in modo continuo, ma secondo valori discreti. Multipli interi di un’unità elementare che Planck chiama "quanto elementare d’azione".

Il fisico conservatore si rende conto della portata rivoluzionaria della sua teoria. "Oggi ho fatto una scoperta importante quanto quella di Newton", annuncia al figlio Erwin. E ha ragione. Perché, studiando la radiazione emessa da un banale corpo nero, Max Planck ha scoperto, contro la sua indole, contro la sua volontà e persino contro il suo raziocinio, che "natura facit saltus". Che c’è discontinuità e non continuità nelle leggi fondamentali della fisica e nelle azioni elementari degli oggetti fisici. Su questa discontinuità, sul quanto elementare di azione, occorre costruire una nuova teoria della fisica e una nuova visione del mondo.

La novità introdotta dal conservatore Max Planck è talmente forte, che ben pochi, inizialmente, sono disposti ad accettarla. Tuttavia, ormai, il dado è tratto. E la fisica quantistica, sia pure lentamente, inizia a svilupparsi. Un passaggio fondamentale si verifica nel 1905, quando Albert Einstein dimostra che il quanto elementare della radiazione elettromagnetica, battezzato fotone, ha una sua intima ambiguità: si comporta sia da onda sia da corpuscolo. Un altro passaggio fondamentale si verifica nel 1913, quando Niels Bohr propone che gli elettroni che orbitano intorno al nucleo degli atomi non si muovono lungo traiettorie continue, ma lungo orbite quantizzate. Anche gli elettroni saltano.

Planck, Einstein e Bohr sono considerati, a ragione, i tre padri della fisica quantistica. Ma solo uno, il danese Bohr, si dimostra orgoglioso della sua intraprendente figlioletta e disposto a seguirla ovunque ella lo porti, nello spazio del pensiero.

Planck e Einstein, infatti, si ritirano inorriditi quando, a partire dagli anni venti, la fisica quantistica mette in discussione tutti i capisaldi del pensiero fisico e molti capisaldi del pensiero filosofico. Compreso il concetto stesso di realtà oggettiva. Niels Bohr, invece, non solo diventa il mallevadore della meccanica quantistica, il formalismo grazie al quale, alla fine degli anni venti, la fisica dei quanti si dota finalmente di una solida teoria fisco-matematica. Ma il fisico danese diventa anche il caposcuola di una interpretazione filosofica della nuova fisica, l’"interpretazione di Copenaghen", che è oggi considerata l’"interpretazione ortodossa" della meccanica quantistica. L’elaborazione del formalismo e la costruzione di una nuova visione, quantistica, del mondo hanno scritto, tra gli anni venti e gli anni trenta, alcune tra le pagine più belle, intense e profonde non solo della scienza, ma anche della filosofia e dell’intera cultura del XX secolo.

Grazie a quel formidabile sforzo intellettuale oggi non solo si dispone della più precisa teoria scientifica mai elaborata dall’uomo; non solo nelle case funzionano oggetti, dalla televisione al computer, che sembrerebbero impossibili a un fisico dell’Ottocento; ma si è creata una percezione del mondo radicalmente diversa rispetto a quella del XIX secolo e dei secoli precedenti.

In cent’anni la fisica quantistica ha dunque ottenuto successi straordinari. Tuttavia restano ancora aperti interrogativi formidabili. E’ ancora aperta, per esempio, la questione del realismo: davvero un oggetto quantistico esiste solo quando qualcuno (e chi?) lo osserva? E’ ancora da sciogliere il nodo del rapporto micro-macro: quando e come gli oggetti microscopici perdono le loro bizzarre proprietà quantistiche e il loro comportamento indeterminato, per assumere le proprietà classiche e i comportamenti deterministici degli oggetti macroscopici?

Finché queste questioni, fisiche e filosofiche, verrebbe da dire di filosofia naturale, resteranno aperte, non si potrà considerare chiusa la stagione rivoluzionaria inaugurata cento anni fa dal conservatore Max Planck.

Pietro Greco