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L'unica cosa certa è una «verità incompleta» Sillabario della meccanica dei quanti L'unica cosa certa è una «verità incompleta» E? apparso la scorsa settimana un mio articolo in cui cerco di spiegare al lettore la natura della luce, quale appare nelle varie teorie finora proposte. Vorrei ampliare il discorso fino a includere tutte le forme di materia. La luce — come si è detto — ha natura duale, è al tempo stesso onda e particella. Meglio ancora, appare a volte come onda e In altre occasioni come particella, si tratta di due visioni complementari dello stesso oggetto. Se guardiamo una bolla di sapone abbastanza sottile, essa riflette luce colorata anche se il fluido da cui è costituita è praticamente incolore. Se pensiamo alla luce come composta da particelle, il fenomeno è inspiegabile. Se Invece la rappresentiamo come onda non si incontrano dlfficolrà. La luce incidente sulla bolla viene riflessa due volte, dalla parete interna e da quella esterna. Vediamo quindi in realtà la sovrapposizione di due raggi riflessi, con un lieve ritardo relativo dovuto allo spessore della bolla (meno di un millesimo di millimetro). Per particolari valori della lunghezza d'onda può accadere che le due onde uscenti si trovino in opposizione di fase. In questo caso 1 campi elettrico e magnetico che le costituiscono sono esattamente opposti tra di loro. Sommandosi non rimane più nulla, si ha la cosiddetta interferenza distruttiva. Questa avviene per spessori diversi a seconda del colore della luce Incidente. La bolla dunque riflette In modo diverso a seconda dei colori di qui il suo aspetto variopinto. Può accadere quindi che due onde si sottraggono tra di loro, la somma di due luci può dare il buio. D'altra parte nell'effetto fotoelettrico e nell'effetto Compton, la luce si comporta come se fosse fatta di particelle. Urtando contro un atomo trasmette a questo una quantità determinata di energia che è proporzionale alla frequenza («quanto» di luce), oppure gli trasmette una quantità di moto esattamente come potrebbe fare una palla da biliardo cozzando contro un'altra ferma. In questi casi 11 concetto di onda non serve a spiegare 11 fenomeno. Un'onda incidente sull'atomo dovrebbe trasmettere a questo energia hi modo continuo e graduale, proporzionale alla durata dell'esperimento e all'intensità della luce. Le misure non vanno assolutamente d'accordo con questo tipo di teoria La luce si comporta a volte come onda e a volte come Insieme di corpuscoli. La spiegazione della natura duale della luce richiede lo sforzo congiunto di molti fisici e 11 superamento di posizioni tradizionali. In particolare Einstein combatté da solo una lunga battaglia, durata quasi diciotto anni, per far accettare 11 concetto di «quanto» o particella di luce (fotone). De Broglie, infine, estese 11 concetto di dualismo ondaparticella a tutta la materia. In questo senso non esiste differenza sostanziale tra luce e altre forme di materia. L'ibrido onda-particella ha sollevato problemi di principio che non cessano di preoccupare 1 fisici. Bohr lo definiva una «Irrazionalità». In particolare, se pensiamo all'energia di una particella, la vediamo concentrata in un volume molto piccolo, pronta per essere trasmessa In un istante molto breve durante una collisione. Questa energia è indivisibile, e impensabile la divisione di un elettrone in due, non esiste la frazione del «quanto». Se guardiamo, Invece, all'onda, ci accorgiamo che per definirne la frequenza 0 la lunghezza d'onda, dobbiamo aspettare che faccia moltissime oscillazioni, dobbiamo quindi esaminarla su di una dimensione dello spazio che è molto grande. Eppure la meccanica undulr.toria sostiene che energia e frequenza sono proporzionali tra di loro, secondo la relazione di Planck. Fu Born a proporre una via di uscita dal dilemma che non manca di lati oscuri, ma che perlomeno permette un «modus operandi» ai fisici. Secondo Born l'onda descrive quello che noi sappiamo sulla particella, essa è più intensa là dove è probabile che si trovi 11 «quanto». In altre parole, l'onda ci dà la probabilità di trovare la particella in un dato luogo, è una lotteria regolata da equazioni differenziali. Se consideriamo un'onda molto ampia e uniforme, es¬ sa rappresenta una particella di cui non conosciamo con esattezza la posizione, essa può esistere con ugual probabilità dappertutto. D'altra parte noi possiamo misurare bene la frequenza di un'onda di questo tipo e quindi l'energia della particella. Dunque anche la velocità, che è legata direttamente all'energia. Se tuttavia vogliamo sapere dove si trova esattamente la particella, dobbiamo rappresentarla con un'onda concentrata In una regione piccola dello spazio tempo, mediante un «pacchetto» d'onda molto localizzato. In questo caso dobbiamo rinunciare a conoscere la velocità e l'energia dell'onda, questa infatti rimane localizzata solo per brevissimo tempo. Negli Istanti successivi si sparge in tutte le direzioni, senza avere una velocità determinata. Un oggetto del genere che partecipa della natura di onda e di particella non ha precedenti nella storia della fisica. Dal punto di vista epistemologico esso rappresenta un'altro esempio di «rinuncia a fare certe domande» già discusso da Kuhn in varie occasioni. La, teoria della gravitazione di Newton funziona molto bene pur di non pretendere da essa tutte le risposte al problemi che si poneva Aristotele. Occorre infatti restringere il contesto al solo campo gravitazionale e al moto dei pianeti; non dice nulla sugli atomi e sulle mutazioni biologiche. Slmilmente, la relatività restringe la meccanica di Newton a velocità inferiori a quella della luce. La meccanica dei «quanti» dà risposte In termini di probabilità e rinuncia a una certa forma estrema di determinismo per assestarsi su di una descrizione che ad Einstein pareva una «verità incompleta». Il principio di Incertezza di Heisenberg ci impedisce di conoscere simultaneamente la posizione e la velocità di una particella, di; conseguenza viene sviluppata una fisica in cui si rinuncia a chiederlo. Non credo assolutamente che la partita sia chiusa, altre sorprese ci attendono nel lungo cammino verso una teorìa finale. E nessuno ci garantisce l'esistenza di una teoria finale. Tullio Regge