CAPITOLO NONO
Pensiero scientifico e nuove scienze
9. Teoria dei quanti e meccanica quantistica
Altro contributo decisivo alla trasformazione dell'immagine scientifica del
mondo fu offerta dal fisico Max Planck (1858-1947) scopritore della
«teoria dei quanti». Egli fu tra i sostenitori del fatto che la
relatività di Einstein non autorizzava a fondare un relativismo
filosofico, perché essa non solo non dimostrava che «tutto
è relativo», ma neppure si poneva come negazione della fisica
galileo-newtoniana. Pur rivoluzionando i nostri concetti di spazio, tempo,
energia, massa, gravitazione, e pur mettendo in crisi dal punto di vista del
«fisico» la geometria euclidea, essa è da considerarsi
«classica». Non solo nel senso che non «demolisce»
la fisica precedente, bensí la considera solo un caso limite rispetto a
se stessa, che si pone come generalizzazione, ma anche in quello che non
esclude l'«assoluto».
Ogni nuova teoria - sostiene Planck - nasce come risposta ai problemi rimasti
insolubili nelle teorie precedenti, e si pone come completamento, su nuova e
piú generale base ipotetica, delle teorie precedenti.
Questo è il senso in cui bisogna intendere la sua stessa «teoria
dei quanti». Egli scoprí che l'energia delle radiazioni non
è un flusso continuo, ma una realtà discontinua; essa è un
insieme di «quanti» (unità quantitativa, quanto elementare
di azione); infatti in ogni fenomeno fisico la quantità di energia, sia
essa emessa o assorbita, risulta sempre multipla di un certo valore elementare,
da considerarsi non piú divisibile ma costante, che è, appunto,
il «quanto» (costante di Planck).
Nell'armonica immagine del mondo descritta fin qui, che sembrava adempiere al
suo compito in maniera quasi ideale, si è ora introdotta inaspettata,
con una nuova luce abbagliante, l'ipotesi dei quanti. Il nocciolo di questa
ipotesi è una nuova costante universale: il quanto elementare di azione.
Questa costante, nuovo messaggero misterioso del mondo reale, emerse
ripetutamente dalle piú svariate misurazioni e pretese ostinatamente un
posto per sé, ma si inquadrava cosí male nella cornice, troppo
stretta per lei, dell'immagine del mondo tracciata fino allora dai fisici, che
finí per spezzarla.
Ci fu un tempo in cui non parve impossibile un crollo completo della fisica
classica: ma a poco a poco chi conserva la fede nel continuo progresso della
scienza comprese che quella che si stava operando non era una demolizione, ma
una profondissima trasformazione, e per meglio dire una generalizzazione.
Infatti se si suppone che il quanto di azione sia infinitamente piccolo, la
fisica dei quanti è riconducibile alla fisica classica. Ma anche per il
caso generale i muri maestri dell'edificio della fisica classica si
dimostrarono incrollabili, non solo, ma mediante l'incorporazione delle nuove
idee acquistarono maggior solidità e imponenza. È quindi opportuno che
da essi noi cominciamo la nostra esposizione.
Citeremo anzitutto le costanti universali quali la gravitazione, la
velocità della luce, la carica dei protoni e degli elettroni, che sono
le vere pietre angolari dell'edificio, i segni meglio afferrabili di un mondo
reale, e che hanno conservato inalterato il loro significato nella nuova
immagine del mondo; poi i grandi principi della conservazione dell'energia e
della quantità di moto che, per quanto messi seriamente in dubbio per un
po' di tempo, Si sono però finora vittoriosamente affermati in tutti i
particolari dimostrando di non essere affatto delle pure definizioni, come
molti assiomatici tendevano a credere; i principi della termodinamica,
specialmente il secondo, che mediante l'introduzione di un valore assoluto
dell'entropia poté essere formulato con maggiore nettezza che nella
fisica classica, ed infine il principio di relatività, che ha dimostrato
di essere una guida fidata e sapiente anche sul nuovo terreno della fisica dei
quanti.
(La conoscenza del mondo fisico)
Ma che cosa la teoria dei quanti comporta di nuovo rispetto alla fisica
classica, che peraltro non nega? Essa, dice Planck completa la concezione
einsteiniana; se Einstein aveva posto l'equivalenza tra energia e massa, la
teoria dei quanti postula l'equivalenza di energia e frequenza di vibrazione.
Ed allora siamo tentati di domandarci: se tutti questi fondamenti della fisica
classica sono rimasti intatti, che cosa c'è di cambiato nella nuova
fisica? Per rispondere dobbiamo esaminare un po' piú da vicino che cosa
sia il quanto elementare di azione. Esso significa la fondamentale equivalenza
di un'energia e di una frequenza di vibrazione: E=hv. Di fronte a questa
equivalenza la fisica classica si arresta, perché è incapace di
intenderla. L'energia infatti è una grandezza dinamica, la frequenza di
vibrazione una grandezza cinematica. Però questa circostanza non
è essenziale: perché se mediante il postulato dei quanti si
collega la dinamica colla cinematica riconducendo le unità di energia e
di massa a quelle di lunghezza e di tempo, non si contraddice la teoria
classica, ma la si completa e se ne arricchisce il contenuto. Ma c'è un
fatto che è assolutamente incompatibile colla teoria classica, ed
è il seguente: la frequenza di vibrazione è una grandezza locale,
che possiede un senso determinato per un singolo luogo, sia che si tratti di
una vibrazione meccanica, o elettrica o magnetica: non c'è che da
osservare il luogo per un tempo sufficientemente lungo. L'energia invece
è una grandezza additiva. Non ha senso, nella teoria classica, parlare
di energia in un determinato luogo; bisogna piuttosto indicare prima il sistema
fisico di cui si vuol considerare l'energia, cosí come per parlare di
velocità in senso determinato bisogna indicare il sistema di
riferimento. E poiché il sistema fisico può esser scelto a
piacere, piú piccolo o piú grande, nel valore dell'energia
è sempre insito un certo arbitrio. Questa energia fino ad un certo punto
arbitraria deve ora essere uguale ad una frequenza di vibrazione locale! Si
vede quale abisso si apra fra questi due concetti. Per superarlo è
necessario compiere un passo fondamentale, che comporta effettivamente la
rinuncia ad idee che la fisica classica ha sempre utilizzato e considerate
ovvie.
(La conoscenza del mondo fisico)
Pertanto c'è bisogno comunque di un cambiamento di mentalità per
accettare la teoria dei quanti; essa infatti implica un modo diverso di
considerare il mondo fisico.
Mentre la fisica classica suddivide il sistema fisico osservato nelle sue
piú piccole parti, e quindi riconduce i movimenti dei corpi materiali ai
movimenti dei loro singoli punti materiali che vengono supposti invariabili, li
riconduce cioè alla meccanica corpuscolare, la fisica quantistica
suddivide invece ogni processo di movimento nelle singole onde materiali
periodiche che corrispondono alle vibrazioni ed alle funzioni proprie del
sistema in questione, e conduce cosí alla meccanica ondulatoria.
Perciò secondo la meccanica classica il movimento piú semplice
è quello di un singolo punto materiale, secondo la meccanica quantistica
è quello di un'onda a periodo semplice, e come nella prima il movimento
piú generale di un corpo è concepito come il complesso dei
movimenti dei suoi singoli punti, nella seconda esso è costituito dalla
cooperazione di tutte le possibili specie di onde materiali periodiche.
(La conoscenza del mondo fisico)
Inoltre con l'ipotesi dei quanti si può creare una vera e propria
meccanica ondulatoria.
Su queste prospettive si fondano i tentativi di HEISENBERG e di SCHRÖDINGER di elaborare una «meccanica quantistica».
Bisogna premettere comunque che la scoperta dell'elettrone, se da una parte
distruggeva la concezione dell'atomo come unità semplice della materia,
dall'altra spronava a scoprire quale ne fosse la struttura, quali gli elementi
componenti e quali relazioni li legassero; si elaborarono cosí due
modelli, uno da parte di J. J. THOMSON (18561940), un altro da parte del
giapponese H. NAGAOKA (1865-1950). Le ricerche ulteriori accreditarono il
modello di Nagaoka, che prevedeva la carica positiva condensata in un nucleo
centrale intorno al quale ruotavano gli elettroni. Sicché il modello di
Nagaoka fu perfezionato da ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) ed ebbe compiuta
elaborazione ad opera del danese NIELS BOHR (1885-1962), che, oltre a
dimostrare l'inapplicabilità dell'elettrodinamica ai sistemi atomici,
dimostrò che solo quando un elettrone passa dalla sua ad un'altra orbita
si ha emissione o assorbimento d'energia. Il che costituiva una conferma della
teoria dei quanti, perché convalidava che anche in un sistema atomico la
radiazione non è un «continuo», ma un
«discreto».
Werner Heisenberg (1901-1976) tentò appunto di costruire una
meccanica quantistica studiando la velocità delle particelle
subatomiche. Un fatto tuttavia s'impose alla sua attenzione, fatto che egli
formulò in termini di «principio d'indeterminazione»: non
è possibile stabilire con assoluta precisione la posizione, e, nello
stesso tempo, la velocità delle particelle subatomiche; quanto
piú precisamente si riesce a determinare la posizione di un elettrone
nello spazio, tanto meno esattamente risulta determinata la sua
velocità; e viceversa. Non si tratta, nota Heisenberg, di
un'incapacità tecnica dell'osservatore, ma di una questione di
principio; il che comporta necessariamente l'ammissione di una reciproca azione
del soggetto osservante (sia pure «attrezzato» scientificamente)
e dell'oggetto osservato; cosa che, a sua volta, dà un duro colpo alla
pretesa di una conoscenza «oggettiva» del reale (alla pretesa di
credere che il reale sia tal quale ce lo rappresentiamo) e del valore delle
«leggi di causalità».
Il principio di Heisenberg poi dimostrava che è assurda una scelta
esclusiva tra «teoria corpuscolare» e «teoria
ondulatoria»; esse si rivelano infatti complementari, come rileva Planck
quando, ad esempio, si studiano i fenomeni della luce.
È questa la prova piú efficace del fatto che né la teoria
puramente ondulatoria, né la teoria puramente corpuscolare possono
soddisfare da sole alle esigenze della fisica moderna. Le due teorie
rappresentano piuttosto dei casi limite estremi. Mentre la teoria corpuscolare,
che fa testo nella meccanica classica, rende bensí conto della
configurazione del sistema, ma fallisce quando si tratta di determinare i
valori proprii della sua energia e del suo impulso, viceversa la teoria
ondulatoria, caratteristica dell'elettrodinamica classica, può
bensí rappresentare l'energia e l'impulso ma è assolutamente
estranea al concetto di localizzazione delle particelle di luce Il caso
generale è rappresentato dal campo intermedio, in cui alle due teorie
spetta un valore praticamente uguale, ed a cui non ci si può avvicinare
che da una parte o dall'altra, per ora soltanto di piccoli tratti.
(La conoscenza del mondo fisico)
Solo assumendo insieme teoria corpuscolare e teoria ondulatoria si può
«comprendere la natura delle particelle elementari e render conto
dell'insieme delle loro proprietà, specialmente dei valori discreti
delle loro masse», concependo, come dice L. DE BROGLIE, «il
corpuscolo incorporato in un campo ondulatorio esteso del quale costituirebbe
un accidente ben localizzato».
Lo stesso Heisenberg poi cercò d'individuare il valore filosofico
dell'immagine della natura quale scaturisce dalla fisica moderna. Anzitutto,
egli rileva, la struttura matematica della materia non conferma il determinismo
e la legge di causalità come principi regolativi dei fenomeni fisici; la
fisica atomica introduce piuttosto la categoria della
«probabilità», alla luce della quale dev'essere compreso
il significato di «legge naturale»; questa infatti ha valore solo
in quanto indica la «probabilità statistica» che un
fenomeno si verifichi. L'immagine scientifica del mondo, dunque, non è
speculare rispetto al mondo stesso; non è oggettiva; essa è pur
sempre una costruzione umana che si situa tra l'uomo e la natura. Pertanto non
è legittimo neppure estendere l'«indeterminismo» alla
realtà, ricavando arbitrariamente che niente, né nel mondo
materiale né nel mondo umano, è determinabile;
dall'indeterminismo scientifico non è deducibile un indeterminismo
oggettivo, quasi che la materia avesse «libertà d'azione»,
né è deducibile il libero arbitrio dell'uomo.