È possibile attraversare un muro

Quando parliamo di fisica possiamo vederla su tre scale di misura. La prima è quella degli oggetti enormi come stelle, pianeti e buchi neri, che seguono le leggi della relatività di Einstein. Questo tipo di fisica non ci serve tutti i giorni; quella che invece ci serve (e ci fa piangere quando il prof interroga) è la fisica classica, descritta da Newton. Per capirci, si tratta delle leggi che possiamo sperimentare in camera nostra lasciando un libro sulla scrivania e scoprendo che rimane sulla scrivania, oppure dormendo sotto un albero di mele nella stagione di raccolta. Questi due tipi di fisica sono collegati perché entrambi si basano sulla gravità: infatti, le leggi di Einstein derivano dagli studi di Newton.

L’unico tipo di fisica completamente differente (e meno conosciuto) è la fisica quantistica, ovvero la fisica delle particelle mooolto piccole. Per far capire quanto è differente la fisica quantistica dalla fisica classica possiamo fare un esempio con qualcosa che ha a che fare con le probabilità: la roulette da casinò. Se prendiamo una roulette classica e conosciamo tutti i fattori necessari (velocità a cui gira, vettore di lancio della pallina, massa della pallina, composizione e umidità dell’aria ecc.) possiamo teoricamente, con calcoli molto precisi, capire dove la pallina finirà. Se invece prendiamo un’immaginaria “roulette quantistica”, pur conoscendo tutti i dati necessari, la pallina molto probabilmente non finirà dove abbiamo calcolato che finisca. Questo fa sembrare la fisica quantistica apparentemente casuale, ma secondo alcuni scienziati siamo noi a non capirla perché ci manca qualche elemento.

La teoria attualmente più diffusa è quella secondo cui la fisica quantistica segue le leggi della probabilità e gli eventi si distribuiscono secondo la classica “campana” di Gauss. Infatti, facendo un esperimento sempre nelle stesse condizioni, i risultati formeranno la nota curva. Nell’esempio della roulette quantistica, possiamo ipotizzare che la maggiore probabilità di trovare la pallina sia sul numero 18, ma nelle medesime condizioni in cui nel tentativo precedente è uscito il numero 18 potrebbe anche uscire il numero 1. È questo il motivo per cui la fisica quantistica sembra casuale.

Giusto per complicare le cose, le particelle non si comportano sempre allo stesso modo, ma variano a seconda che le osserviamo o non le osserviamo. Con “osservare” le particelle si intende colpirle con altre particelle oppure con della luce. Se costruiamo un “cannone di elettroni” e iniziamo a sparare a un rilevatore, esso vedrà precisamente dove gli elettroni arrivano e noi ne vedremo precisamente tutto il percorso. Se tra il cannone e il rilevatore mettiamo un muro con due buchi, gli elettroni per arrivare al rilevatore o passano per il buco di destra o passano per il buco di sinistra. Quando però li lasciamo in uno spazio in cui non possono essere “visti”, essi smettono di essere particelle ma diventano onde, come quelle del mare, e si comportano come tali. Questo lo possiamo capire perché il rilevatore di prima non vedrà più gli elettroni passare nella fessura di destra o di sinistra, ma disporsi in file ordinate verticali e parallele che man mano che si allontanano dal centro si fanno più piccole, come se delle onde fossero passate da questi buchi e si fossero increspate. Questo fenomeno viene chiamato “dualismo onda-particella”.

Perché gli atomi decadono?

Perché noi grazie al carbonio 14 possiamo datare reperti antichi e perché l’uranio emette radiazioni pericolose per il nostro corpo? Indovina un po’, colpa della fisica quantistica. Per farlo capire farò un esempio: una pentola piena di polpette e sugo. Se riempiamo una pentola con delle polpette e poi la sigilliamo stiamo creando una specie di atomo. La pentola è la cosiddetta forza nucleare forte, che tiene tutto insieme anche quando viene riscaldata. Se però la pentola è molto piena e viene riscaldata si crea pressione al suo interno. In uno scenario normale la pentola dopo un po’ esploderebbe, ma in uno scenario quantistico le polpette potrebbero fare le furbe e creare il cosiddetto “effetto tunnel”. Le polpette infatti possono esistere in più posti contemporaneamente.

Ok, il discorso si fa complicato, ma cerca di seguirmi. Ci servirà ancora la curva a campana di prima. Ogni tanto gli atomi radioattivi hanno una maggiore probabilità di perdere una particella (nel nostro esempio una polpetta). Ogni atomo radioattivo impiega in media un certo tempo a decadere (più precisamente a perdere metà della sua massa); questo valore è chiamato tempo di dimezzamento. Ciò però non esclude che un atomo che decade ad esempio una volta ogni cento anni non possa decadere due volte in un solo giorno. Tornando alle nostre polpette con la nostra pentola, in un momento casuale in cui è altamente probabile che la nostra pentola decada, le polpette creano un tunnel, chiamato tunnel quantistico, e solo loro escono dalla pentola riducendo la pressione e rendendola più stabile.

In realtà non solo le particelle subatomiche possono usare questo effetto tunnel. Se sei abbastanza fortunato, tutti gli atomi del tuo corpo potrebbero creare un tunnel nello stesso momento e tu potresti passare attraverso un muro. Con la stessa logica gli atomi si possono fondere nel nucleo del sole. Ovviamente, mentre nel sole c’è un’alta pressione e la probabilità che due atomi si fondano è molto alta, in condizioni normali la possibilità che una persona attraversi un muro è talmente bassa da considerarsi nulla.

Il principio di indeterminazione

Heisenberg è uno studioso della fisica quantistica e a lui si deve il principio di indeterminazione. Secondo questo principio se noi conosciamo la posizione di un atomo non possiamo saperne la velocità e viceversa. Potresti chiederti come sia possibile. Te lo spiego. Se passa una macchina e voglio vedere precisamente il modello, le faccio una foto con il telefono. Se poi voglio vedere a che velocità va, le faccio altre foto e, sapendo precisamente a che distanza di tempo le ho fatte, ne ricavo la velocità. Se invece prendiamo un protone e gli facciamo una foto ci servirà un flash molto forte per poterlo vedere. Abbiamo quindi la nostra foto del protone e sappiamo precisamente dove sta; ora vogliamo calcolare la sua velocità. Facciamo la stessa cosa che abbiamo fatto per la macchina, ma ci rendiamo conto che sembra che il protone si muova a una velocità irregolare e con una direzione strana. Questo avviene perché il nostro flash è troppo forte per il protone e ogni scatto è come una cannonata per lui. Quindi riduciamo la forza del flash per poterne calcolare la velocità, ma a questo punto l’immagine del protone diventa meno definita. Così abbiamo due estremi: possiamo sapere dov’è il protone ma non conoscerne la velocità, oppure non possiamo sapere precisamente dov’è il protone ma siamo in grado di calcolarne la velocità.

Ci sono tante altre cose che potremmo raccontare sulla fisica quantistica. Se volete approfondire vi consiglio il libro Se fosse tutto quanto di A. Giannone e M. Fadel, da cui ho tratto ispirazione nella stesura dell’articolo. E comunque ricordatevi che, in accordo con lo scienziato Richard Feynman, “penso di poter dire con sicurezza che nessuno comprende la meccanica quantistica”.