Sono stato abituato a pensare, sin dalla più giovane età, che non si fa veramente propria una nozione senza averla capita. Solo così può cambiare, di poco o di tanto, il nostro bagaglio di conoscenze e rimanerci dentro, anche se, con il trascorrere del tempo, non dovesse più essere immediatamente reperibile a livello puramente mnemonico. Se invece ci si limita a memorizzarla, senza realmente capirla, essa non entra nel nostro patrimonio culturale, non diventa parte di noi; in seguito non potrà essere elaborata in modo originale, estesa e collegata con altre nozioni, anche lontane. Del resto, tra le tante definizioni di Cultura che sono state proposte, quella che prediligo suona così: “Cultura è tutto ciò che ti rimane, quando hai dimenticato tutto”.
Poi, quando ho avuto la responsabilità di trasmettere delle nozioni, ho sollecitato generazioni di studenti a seguire questo sano principio, molto presente nella nostra formazione italiana ed europea, e li ho valutati su questa base.
Per inciso, del tutto opposto è invece l’approccio statunitense, tradizionalmente basato sulla memorizzazione veloce di grandi quantità di nozioni, e, per onestà intellettuale, si deve riconoscere che il risultato finale, almeno per gli studenti postgraduate, non è dei peggiori. Tuttavia, il fatto inoppugnabile, che i nostri laureati e i nostri dottori di ricerca siano molto richiesti e apprezzati all’estero ed in particolare negli USA, si spiega, secondo me, proprio in ragione di questa diversa impostazione di fondo.
Recentemente però questa mia convinzione si è un po’ incrinata, essendosi scontrata con l’impossibilità intrinseca di capire certi fenomeni.
La meccanica quantistica è già entrata da tempo nella nostra vita quotidiana e sempre di più ci accompagnerà in futuro. Basti ricordare poche applicazioni note: il microscopio elettronico, la TAC e la risonanza magnetica, di largo uso ormai da molti anni, e il quantum computing, che sta diventando sempre più presente in particolari ambienti avanzati di ricerca e di sviluppo.
La meccanica quantistica è molto rigorosa sul piano teorico e funziona benissimo empiricamente; è la teoria più verificata e di maggior successo nella storia della scienza. Eppure non riusciamo a capirla veramente fino in fondo. Proprio così – e non è una mia carenza personale, ma la convinzione di tanti esperti e dei padri stessi di questa disciplina. “Se pensi d’aver capito la Fisica quantistica, allora non hai capito niente”, Niels Bohr, premio Nobel per la Fisica; e, più recentemente, “Se pensate di capire la meccanica quantistica, non capite la meccanica quantistica”, Richard Feynman, altro premio Nobel per la Fisica.
Consideriamo solo un paio di esempi. Immaginiamo di sparare un gran numero di pallottole verso una barriera antiproiettile, sulla quale siano state praticate due fenditure, larghe poco più del calibro delle pallottole e abbastanza vicine tra di loro (∆μ<5,2σ), ancorché separate. Dopo un po’ sullo schermo posto in fondo, ad una certa distanza dalla barriera, si formeranno due bande di proiettili distinte, la cui distribuzione delle frequenze tenderà ad essere di tipo normale (μ, σ). Se invece spingiamo verso le due fenditure delle onde d’acqua, sullo schermo si formerà una figura diversa (detta figura d’interferenza), che, per effetto dell’incrociarsi delle onde provenienti dalle due fenditure, si presenterà come un’alternanza di diverse bande, più chiare e più scure, a seconda che le onde che escono dalle fenditure si presentino in fase o in opposizione di fase, rispettivamente.
Ora, modificando opportunamente le distanze e l’ampiezza delle fenditure, immaginiamo di “sparare”, uno alla volta e nello stesso modo di prima, un gran numero di elettroni, che dovrebbero comportarsi come delle pallottole. Effettivamente, se teniamo aperta una sola fenditura alla volta, alla fine sullo sfondo si formeranno due figure con caratteristiche simili a quelle generate dalle pallottole. Se, invece, le apriamo entrambe, sullo schermo si formerà una figura d’interferenza, analoga a quella prodotta dalle onde d’acqua, che si spiega soltanto se ciascun elettrone, che ha superato la barriera, è passato attraverso entrambe le fenditure. Nessun’altra traiettoria è in grado di giustificare la figura d’interferenza ottenuta, dato che la posizione e la velocità dei neutroni non sono determinabili contemporaneamente, se non con un’approssimazione superiore ad un limite inferiore invalicabile (dato dalla costante di Planck divisa per due) – vale il principio d’indeterminazione di Heisenberg.
Questo risultato potrebbe non sorprenderci più di tanto, ricordando che tutte le particelle sono oggi pensate (ovvero si comportano) sia come corpuscoli che come onde. Però, incuriositi, cerchiamo di verificare come vadano effettivamente le cose e poniamo subito dietro la barriera, in corrispondenza di ciascuna delle due fediture, un’emittente di fotoni (banalmente una lampadina). Quando un elettrone colliderà con un fotone, si osserverà un piccolo bagliore, da un lato, dall’altro o da entrambi contemporaneamente, a seconda di dove sarà passato l’elettrone. Ebbene, in questa configurazione le piccole scintille appaiono solo in corrispondenza di una fenditura o dell’altra e la figura che si forma sullo schermo si presenta esattamente come quella prodotta prima dalle pallottole. Il che significa che la nostra osservazione ha restituito all’esperimento la fisionomia che siamo abituati ad aspettarci (con la meccanica classica), cioè che il nostro intervento, per quanto accuratamente neutrale, ha modificato il risultato dell’esperimento.
L’altro esempio è quello, davvero molto intrigante, del c.d. entanglement quantistico, per il quale, se si modifica lo stato quantico (tipicamente lo spin) di una di due particelle “gemellate” (secondo una sola funzione d’onda), distanti quanto si vuole[1], anche l’altra risulterà modificata in modo identico. E questo non per effetto della trasmissione istantanea della relativa informazione, che dovrebbe avvenire ad una velocità superiore a quella della luce – il che non è dato – ma per qualche altro motivo, ancora non ben compreso. Inoltre è la nostra osservazione a determinare il loro stato, che altrimenti sarebbe indefinito per entrambe.
In altre parole (non del tutto precise), se lancio in aria una moneta non contraffatta e quando cade vedo “testa”, posso dire con certezza che sul retro c’è “croce”; e croce c’era anche durante la sua permanenza in aria, perché così vengono coniate le due facce di una moneta, prima della sua immissione sul mercato. Viceversa, se si tratta di due particelle entangled, prima di osservarne una, entrambe sono sia “testa” che “croce” e solo la mia osservazione di una delle due determina l’effettiva configurazione su entrambe.
Questa “stranezza” della meccanica quantistica ha prodotto il suggestivo quanto truce paradosso del gatto di Schrödingher. In questo esperimento mentale s’immagina che un gatto venga chiuso dentro una scatola, nella quale scatta in modo aleatorio un fantomatico meccanismo quantistico, che lo uccide o lo risparmia. Quando aprirò la scatola vedrò se il gatto è vivo o è morto. Ma la cosa interessante è che, secondo la meccanica quantistica, prima di aprire la scatola il gatto sarebbe, allo stesso tempo, sia vivo che morto. Naturalmente il punto debole di questo paradosso, utile peraltro per fissare drammaticamente le idee, è che un gatto non ha un corpo microscopico, non è una particella.
Questa della meccanica quantistica è una vera rivoluzione del pensiero, oltre che della Fisica. Per diversi aspetti è controintuitiva e non la si capisce se si cerca di forzarla entro gli schemi classici, che ci sono familiari da sempre. Se e quando riusciremo a liberarcene e ad acquisire quelli meglio adatti alla nuova impostazione, allora certe contraddizioni e certi paradossi si scioglieranno.
Ma c’è un altro ambito, diametralmente opposto a quello dell’infinitamente piccolo, che in anni relativamente recenti ci ha messo di fronte ad un accadimento controintuitivo, che non riusciamo a capire fino in fondo (almeno per il momento). Da sempre siamo stati abituati a pensare (anche prima di Newton) che lanciando in aria un oggetto, dopo una prima fase di accelerazione poi tenderà a diminuire di velocità, sempre di più, fino a cadere per effetto della gravità. Per molto tempo abbiamo ipotizzato che il nostro universo, alla cui origine avevamo posto il noto Big Bang, espandendosi tendesse a rallentare. Questo, tra l’altro, aveva originato l’affascinante teoria che, rallentando sempre di più, l’espansione ad un certo punto si sarebbe fermata e invertita, dando luogo ad una contrazione (il Big Crunch), che avrebbe riportato l’universo alle sue dimensioni minime originarie, per poi esplodere nuovamente. Noi staremmo vivendo dentro una di queste fasi, tra le molte (infinite?) precedenti e le molte (infinite?) future.
Una bella immagine, che però cozza con le più recenti scoperte: l’universo è sì in espansione, ma la sua velocità di espansione non sta rallentando; anzi, sorprendentemente, aumenta.
Noi esseri umani abbiamo vissuto il nostro percorso evolutivo in un mondo “di mezzo” e a quello ci siamo adattati con successo, per sopravvivere, sviluppando una serie preziosa di meccanismi e di automatismi, anche cognitivi.
Ora, abbastanza recentemente rispetto ai tempi dell’evoluzione naturale, abbiamo formulato delle brillanti teorie dell’estremamente piccolo e dell’estremamente grande, che però hanno delle implicazioni, che noi umani non riusciamo a cogliere fino in fondo. Forse ci arriveremo, ma non credo di fare una previsione azzardata immaginando che ci arriverà prima di noi l’AI, o che, più semplicemente, non si porrà nemmeno la questione, non avendo alcun bisogno della nostra modalità di “comprensione”; che richiede di poterci formare una rappresentazione visiva, sulla quale si è sempre basata la descrizione dei fenomeni naturali.
[1] Credo che la massima distanza raggiunta finora sperimentalmente sia di 1.200 km, in una triangolazione tra un satellite e le città di Delingha e Lijiang, in Cina, nel 2017.