Sulle leggi fisiche

Quindi questa sera, prima di mettermi a studiare, vi dirò alcune cose. Sempre se mi volete stare a sentire, chiaramente. Dunque, da cosa partiamo? Ah sì, con questo: pochi giorni fa sul NY Times è uscito un articolo di Paul Davies nel quale affronta l'annoso problema della natura delle leggi fisiche. E' un po' il vecchio quesito che vi ponevo alcuni anni fa: cosa è nato prima, le leggi che descrivono la Natura? Oppure è nata prima la Natura, e le leggi le abbiamo costruite noi perché le cose le vediamo in una certa maniera? In effetti rispondere a queste domande non è affatto facile. Davies dice che la migliore spiegazione è “le leggi fisiche sono quelle che sono in quanto sono”, ovvero una sorta di non-spiegazione. Beh, c'è da riflettere. Inoltre porta alla luce un problema che anche io mi ero posto tempo fa: ma se ad esempio cambiamo di universo, continuano a valere le stesse leggi che descrivono quello nostro? Anche questa è una domanda non banale che richiede una risposta ragionata.
Ebbene, varie notti insonni mi hanno fatto credere che in questo universo le cose funzionano in un certo modo perché siamo noi che le vediamo così. Le leggi fisiche sono quelle che sono perché, comunque siano andate le cose, è il genere umano che le ha derivate. So che mi sto spingendo ben oltre quello che dovrebbe essere, ma provate a pensarci un momento. Immaginate di poter cambiare universo: chi vi dice, ad esempio, che anche lì la forza di gravità sia attrattiva? Non potrebbe forse avere qualche altra strana proprietà di cui noi non ne siamo a conoscenza? Io dico che è un po' come il Principio di Indeterminazione in meccanica quantistica: l'operazione di misura influenza la misura stessa. Cioè, prendiamo sempre la gravità: noi diciamo che è una forza attrattiva perché vediamo che c'è qualcosa che tiene unite le galassie, le stelle, eccetera. Ma potrebbe benissimo non essere così da altre parti; io dico quindi che le leggi fisiche che applichiamo sono una conseguenza del fatto che noi le abbiamo sviluppate a partire da quanto noi abbiamo osservato. Lo so, non mi sono spiegato per niente bene, però spero che si sia capita la mia linea di pensiero generale.
E secondo questa mia linea, io credo che se esistessero altri universi oltre al nostro, potrebbe – dico potrebbe – darsi che le leggi che valgono qui, lì non abbiano senso. E' certo che mi piacerebbe da matti conoscere qualcuno di un altro universo: diavolo che figata sarebbe.
Tuttavia ammetto che il fatto stesso dell'esistenza di un altro universo mette profondamente in crisi il concetto di Natura che noi di solito usiamo.
Bene, dette queste cavolate, me ne torno a studiacchiare le nostre leggi fisiche. Perché agli esami vogliono saperle, e se ne fregano se in altri universi questo non vale. Qui vale, eccome.

La nascita della QM

Sapete, giustamente alcuni post fa mi è stato detto che alcuni argomenti “fisici” che ho scritto ultimamente sono un po’ incomprensibili. In effetti, rileggendoli, mi sono accorto che è davvero così. Ad esempio, quasi tutti parlano della fisica delle particelle elementari, più o meno, e ho menzionato la teoria che ci sta alla base, ovvero la teoria quantistica dei campi (QFT). Tuttavia, a parte qualche spiegazione vacillante nel post sulle interazioni fondamentali, non ve l’ho illustrata a dovere. Quindi, cari amici non-fisici, prestate bene attenzione perché adesso mi propongo proprio questo. Come al solito cercherò di trattare la cosa nel modo più semplice possibile, anche facendo tesoro di quanto mi è stato detto. Bene, allacciate le cinture: stiamo per partire per un viaggio che ci porterà davvero distanti. Distanti dai concetti che siete abituati ad usare quotidianamente; abbandoneremo ogni senso comune del dove, del quando, del come e perfino del perché. Let’s go.
Dunque, per spiegarvi ben bene la QFT dobbiamo fare qualche passo indietro e occuparci della sua versione “classica”, la Meccanica Quantistica (QM). Mi sa che in questo post parleremo soltanto di questo. Siccome il modo più facile di spiegare un concetto astratto è di partire da una sua applicazione facilmente verificabile nel quotidiano, comincio con qualche esempio (spero) semplice.
Anzi, farò così: vi porrò delle domande che forse vi siete fatti ma che non avete saputo dargli una risposta. Innanzitutto, la più ovvia: che cos’è la luce? Provate a pensarci: cosa mai potrà essere? Quando accendete la lampada del vostro salotto, vi siete mai chiesti come mai prima era scuro e adesso è chiaro? Certo, la risposta è: diavolo, è chiaro: ho acceso la luce! Sì, ma perché la luce fa luce e non fa, ad esempio, ancora più scuro? Perché non colora tutto, ad esempio, di rosso? E, visto che ci siamo, che cosa sono i colori? Sono tutte domande legittime, se non conoscete la QM. Voglio dire, se io non so dell’esistenza della QM, non c’è nessun motivo valido perché la luce non possa fare buio! Potreste dire, se vi documentaste, che la lampada fa luce non-buia perché il filamento di tungsteno, sfruttando l’effetto Joule, diventa incandescente e rilascia un fascio luminoso. Certo, ma così avete aggirato il problema perché vi siete concentrati sul funzionamento della lampadina (che emette luce) piuttosto che sul funzionamento della luce (emessa dalla lampada). Ebbene, vi dico, la luce è un grande insieme di particelle. Ma andiamo per ordine.
Durante il XVIII secolo un certo Isaac Newton mise in evidenza la natura particellare della luce indagando i fenomeni di riflessione e rifrazione (la riflessione della luce e la sua rifrazione sono i tipici comportamenti delle particelle durante urti elastici e anelastici). Verso la seconda metà dell’800, con la scoperta dell’elettricità, si cominciarono ad effettuare degli esperimenti con luce artificiale per verificarne la vera natura. In particolare, un tipo chiamato Young dimostrò che, sotto certe condizioni, la luce si comportava come un’onda esibendo le ben conosciute figure di diffrazione e interferenza. Quindi, in alcuni casi la luce si dimostrava essere un’onda e altre volte, invece, sembrava essere costituita da particelle. E questo, per via dei risultati a cui tali esperimenti conducevano, è stato causa di un dibattito piuttosto accanito tra chi sosteneva che la luce fosse onde o particelle; si parlò pertanto di dualità onda-particella. Ma, come da sempre accade in Fisica, arrivò qualcuno che tagliò la testa al toro, dimostrando una volta per tutte che la luce è particelle: questo tizio risponde al nome di Max Planck. Quello che costui ha fatto è stato quello di prendere le equazioni che fino ad allora governavano la luce (quelle di Maxwell) e le altre onde elettromagnetiche (tipo i raggi X e gamma, gli ultravioletti e gli infrarossi, le microonde e le onde radio) e “modificarle” per rendere conto della loro natura particellare. Quello che è venuto fuori è la nota legge di corpo nero: la luce emessa dalle lampadine è approssimativamente descritta da questa legge fondamentale. In pratica, vi chiederete, cosa ha cambiato Planck? Ebbene, lui ha avanzato la geniale proposta che la luce viene trasmessa in pacchetti ben definiti: la luce emessa dalla vostra lampadina non è bianca e basta. Essa è bianca perché è la sovrapposizione di tanti di questi pacchetti, ognuno caratterizzato da un colore diverso. Ecco quindi che possiamo rispondere alla domanda “che cosa sono i colori?”. L’idea è estremamente semplice: se disponeste di uno strumento adatto (detto spettrografo) vi accorgereste che la luce della lampada è composta da tantissimi colori: c’è il rosso, il giallo, il verde, il blu e così via. Ogni colore fa parte di un ben preciso pacchetto, caratterizzato da alcune proprietà che lo distinguono dall’altro. Se pensate ad un’onda, parliamo della sua lunghezza d’onda. Se pensiamo ad una particella, parliamo della sua energia. Vedetela come volete, basta che abbiate capito il concetto: a seconda dell’energia di questi pacchetti, abbiamo un colore piuttosto che un altro. Pertanto, l’energia trasportata dalla luce è costituita da quantità discrete, dette appunto quanti di energia. In particolare, siccome ci sono anche altri tipi di quanti, come vedremo, quelli che portano luce si chiamano fotoni. Capite quindi la rivoluzione di Planck: questo qui ha spezzato le fondamenta della Fisica fino ad allora conosciuta dicendo che, almeno nel caso della luce, l’energia è quantizzata. Nasce in questo contesto la Meccanica Quantistica e continuerò a parlarvene un’altra volta, se ne avete voglia.

Non so se quanto ho detto qui lo sapevate già, amici non-fisici, ma, vi prego, ditemi se dico banalità che già conoscete: vi (mi) evitereste un sacco di post noiosi e potremmo, finalmente, occuparci della QFT.