La meccanica dell’interazione

La storia di Werner Heisenberg: Helgoland di Carlo Rovelli

Una farfalla azzurra svolazza a mezz’aria davanti agli occhi di due amici alla fermata dell’autobus. Il primo la vede e dice: «Ehi, guarda lì: io la vedo azzurra, tu?». L’altro risponde subito: «Sì, è azzurra anche per me».

Dialogo surreale forse, eppure l’aneddoto della farfalla è uno tra i tanti a rivelare l’abilità (forse anche la necessità) di Carlo Rovelli di raccontare complicati processi fisici con immagini efficaci. Nella fattispecie la metafora riguarda l’entanglement quantistico, un fenomeno di misteriosa correlazione tra due fotoni che, spediti a migliaia di chilometri di distanza l’uno dall’altro, vengono scoperti avere entrambi lo stesso colore a seguito della comunicazione tra due laboratori. Come vedremo, l’entanglement è uno di quei processi in cui l’interazione sembra ricoprire un ruolo fondamentale. Più in generale, tutta la meccanica quantistica svela come sia impossibile guardare alla realtà se non come a una fittissima rete di relazioni. Tutto è interazione, ci dice Rovelli.

helgoland di carlo rovelli

Ma facciamo un passo indietro.

Molti passi indietro. Sì perché l’autore del best-seller Sette brevi lezioni di Fisica (Adelphi, 2014), L’ordine del tempo (Adelphi, 2017) e numerosi altri saggi, lo studioso che mescola teoria dei quanti e gravità, si cimenta con il suo Helgoland in un avvincente racconto delle origini della meccanica quantistica, di alcuni assaggi della sua grandezza, dei nodi controversi e delle prospettive di risoluzione più e meno accreditate.

La teoria dei quanti ha chiarito le basi della chimica, il funzionamento degli atomi, dei solidi, dei plasmi, il colore del cielo, i neuroni del nostro cervello, la dinamica delle stelle, l’origine delle galassie… mille aspetti del mondo. È alla base delle tecnologie più recenti: dai computer alle centrali nucleari. Ingegneri, astrofisici, cosmologi, chimici e biologi la usano quotidianamente.

Helgoland è l’isola tedesca nel Mare del Nord in cui, nell’estate del 1925, a soli 23 anni, germina in Werner Heisenberg l’idea che darà il via a una delle più grandi rivoluzioni scientifiche di tutti i tempi.

Solo poco prima di questo evento la fisica classica era entrata in crisi. Le formule di Niels Bohr avevano previsto elettroni imprigionati dentro orbite fisse attorno al nucleo, a meno di inspiegabili “salti” da un’orbita all’altra. Per fare maggiore chiarezza, Bohr si circonda di brillanti e giovani fisici tra cui proprio Heisenberg (e anche Wolfgang Pauli, suo grande amico). Secondo il tedesco è opportuno smetterla di immaginare l’elettrone come particella in moto su una traiettoria, ma analizzare solo quantità osservabili dall’esterno: l’intensità e la frequenza dell’elettrone. Seguendo questa pista, proprio a Helgoland, Heisenberg finisce col dare una prima, vaga forma alla meccanica quantistica: strane matrici in cui le cui righe e colonne sono in grado di spiegare i salti elettronici.

Ero profondamente allarmato – dirà poi Heisenberg – Avevo la sensazione che attraverso la superficie dei fenomeni stavo guardando verso un interno di strana bellezza; mi sentivo stordito al pensiero che ora dovevo investigare questa nuova ricchezza di struttura matematica che la Natura così generosamente dispiegava davanti a me.  

Dalle parole appassionate e chirurgiche di Rovelli si dispiegano i principali capitoli di una storia avvincente, che oltre ad Heisenberg coinvolge numerosi fisici eminenti quali Born, Jordan, Dirac o anche Schrödinger, De Broglie, Planck.

Da sinistra: Enrico Fermi, Werner Heisenberg e Wolfgang Pauli (ResearchGate)

Nella narrazione si intravede il fuoco del giovane Rovelli studente, il ragazzo che tanti anni prima si stufa in fretta della fisica classica e inizia ad affacciarsi alla relatività generale di Einstein e alla teoria dei quanti – iniziazione, quest’ultima, avvenuta con la lettura tutta d’un fiato del sacro libro di Paul Dirac.

Studente e professore si sovrappongono, dunque. Ma quello che può anche sovrapporsi secondo la teoria dei quanti, ci dice Rovelli, sono due proprietà “in un certo senso contraddittorie”, due proprietà che possono essere presenti nello stesso momento. Un oggetto che insieme può essere qui e là. È la sovrapposizione quantistica, una delle principali fonti di stupore della teoria.

Rovelli incontra per la prima volta la sovrapposizione quantistica in un esperimento di laboratorio a Innsbruck: un fotone (“quanto” di energia luminosa) appare passare contemporaneamente da due percorsi, generando un tangibile fenomeno di interferenza. Quando però si effettua una misura, cercando di capire da quale dei due percorsi stia passando, l’interferenza, e dunque la sovrapposizione, scompare.

L’osservazione sembra modificare l’evento in sé e questa – gioco di parole – sembra essere l’osservazione fondamentale.

Esempio celeberrimo di sovrapposizione è l’”esperimento mentale” del gatto di Schrödinger: un gattino in una scatola che può essere sveglio o addormentato a seconda del rilascio o meno di un sonnifero al suo interno. L’esperimento del gatto è un valido pretesto per accennare qui ad alcune formulazioni della meccanica quantistica e alle soluzioni proposte per “risolvere” (ad esempio) il problema della sovrapposizione. C’è la formulazione a molti mondi (che ipotizza un gatto effettivamente sveglio in una realtà e addormentato in un’altra); quella a variabili nascoste (in cui il gatto è certamente o sveglio o addormentato, con invisibili variabili responsabili degli effetti di sovrapposizione); quella del collasso fisico (secondo cui per tutti gli oggetti macroscopici come un gatto, non può esserci alcuna sovrapposizione rilevante: si “collassa” in una sola delle configurazioni possibili).

Heisenberg_Helgoland di Carlo Rovelli
Werner Heisenberg

Ma quella che Rovelli ha più a cuore è l’interpretazione relazionale.

Il cuore dell’interpretazione relazionale della teoria dei quanti […] è l’idea che la teoria non descriva il modo in cui oggetti quantistici si manifestano a noi (o a speciali entità che osservano). Descrive come qualunque oggetto fisico si manifesti a qualunque altro oggetto fisico.

Punto centrale dell’interpretazione relazionale è abolire l’idea di una realtà fatta di oggetti con proprietà. Una proprietà di un oggetto non può esistere se non c’è qualcuno ad osservarlo. All’esterno di una relazione, di un’interazione, non ha senso dire che un fotone è dotato di una certa frequenza, perché tale frequenza necessita di una misurazione; non ha senso parlare di una farfalla azzurra se non perché qualcuno l’ha vista così e magari ce lo ha comunicato; non ha senso, infine, dire che entrambi i fotoni dell’entanglement sono rossi se non dopo che due scienziati si sono scambiati un’informazione a riguardo.

 Invece di vedere il mondo fisico come un insieme di oggetti con proprietà definite, la teoria dei quanti ci invita a vedere il mondo fisico come una rete di relazioni di cui gli oggetti sono i nodi. […] Non ci sono proprietà al di fuori delle interazioni.

Tornando per un momento al nostro gatto, potremmo affermare che un osservatore interno dentro la scatola lo veda sveglio o addormentato a seconda del rilascio del sonnifero; un osservatore esterno invece può lecitamente vedere il gatto come né sveglio né come addormentato, in una sovrapposizione quantistica di stati diversi. Ognuna di queste cose è a suo modo vera, perché riguardante interazioni rispetto ad osservatori diversi.

Ma cosa c’è allora di tanto diverso dal tutto è relativo già magnificamente introdotto dalla relatività speciale di Einstein? Secondo Rovelli l’aspetto qui determinante nella teoria dei quanti è che tutte le proprietà di tutti gli oggetti sono relazionali. È abbastanza emblematica a tal proposito una citazione di Schrödinger riportata nel libro:

[…] È meglio considerare una particella non come un’entità permanente bensì come un evento istantaneo. A volte questi eventi formano catene che suscitano l’illusione di essere permanenti, ma solo in particolari circostanze e solo per un periodo di tempo estremamente breve in ciascun caso singolo…

È bello e sconcertante pensare a una realtà fatta esclusivamente di eventi istantanei, fitte catene di interazioni momentanee. Così come è bene ricordare che solo l’interazione tra esseri umani permette di concordare criteri di (fragile) oggettività per leggere il mondo e soppesarlo.

La scoperta della teoria dei quanti, io credo – dice Rovelli – è la scoperta che le proprietà di ogni cosa non sono altro che il modo in cui questa cosa influenza le altre. Esistono solo nell’interazione con le altre cose. La teoria dei quanti è la teoria di come le cose si influenzano e questa è la migliore descrizione della natura di cui disponiamo oggi.

Da leggere

Helgoland, Carlo Rovelli, Adelphi

Sette brevi lezioni di fisica, Carlo Rovelli, Adelphi

L’ordine del tempo, Carlo Rovelli, Adelphi