I segreti della fisica quantistica su Rai Scuola

Jim Al-Khalili professore di fisica teorica, traccia la storia della teoria scientifica più importante, accurata e tuttavia perplessa di sempre: la fisica quantistica

In Onda su Rai Scuola – 21/10/2024 alle 23:00 e online su RayPLay 

La fisica quantistica è uno dei campi più affascinanti e misteriosi della scienza moderna. In questo contesto, il documentario “I segreti della fisica quantistica”, presentato dal fisico Jim Al-Khalili, offre una panoramica approfondita su alcuni degli aspetti più enigmatici di questa disciplina, ponendo domande che toccano il cuore della nostra comprensione della realtà.

L’incubo di Einstein: Il paradosso della fisica quantistica

Nella prima parte della serie, Al-Khalili racconta una storia intrigante che ha per protagonista uno dei più grandi scienziati della storia: Albert Einstein. Negli anni ’30, Einstein, pur essendo uno dei fondatori della fisica moderna, iniziò a nutrire dubbi sulla fisica quantistica, in particolare sulla sua interpretazione della realtà. L’incubo di Einstein ruotava attorno all’idea che questa teoria sembrava contraddire il concetto di una realtà oggettiva e indipendente dall’osservazione. Per Einstein, questa visione era inaccettabile e propose l’esistenza di un “errore” nella fisica quantistica che, però, non fu preso sul serio dalla comunità scientifica fino a diversi decenni dopo.

Einstein credeva che la meccanica quantistica fosse incompleta. Nella sua famosa disputa con Niels Bohr, un altro gigante della fisica, Einstein cercò di dimostrare che esistevano “variabili nascoste” che avrebbero potuto spiegare le stranezze della teoria quantistica. Bohr, d’altro canto, difendeva l’idea che la realtà, a livello quantistico, fosse effettivamente dipendente dall’atto di osservazione. Questo dibattito tra Einstein e Bohr segnò una delle fasi più interessanti della fisica teorica.

L’esperimento EPR e la conferma negli anni ’60

Al-Khalili nel documentario riprende l’esperimento EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), proposto da Einstein come prova delle sue idee. Secondo l’EPR, due particelle che sono state precedentemente in contatto possono rimanere “collegate” a distanza, in un fenomeno chiamato entanglement quantistico. Questo fenomeno sembra implicare che un’azione su una delle particelle possa influenzare immediatamente l’altra, anche se si trovano a grandi distanze l’una dall’altra, violando così il principio di località della relatività.

Einstein considerava l’entanglement un’assurdità, descrivendolo come “spooky action at a distance” (azione spettrale a distanza), e credeva che ci fosse una spiegazione classica nascosta dietro questo fenomeno. Tuttavia, questo esperimento non poté essere testato con le tecnologie del tempo e rimase una questione aperta per molti anni.

Fu solo negli anni ’60 che il fisico John Bell sviluppò un teorema che permetteva di testare sperimentalmente se Einstein avesse ragione. I successivi esperimenti condotti hanno dimostrato che, effettivamente, l’entanglement esiste e che la realtà a livello quantistico non si comporta secondo le regole intuitive della fisica classica. Questo fu un duro colpo per la visione deterministica e “solida” della realtà che Einstein aveva difeso con così tanta passione.

La realtà: esiste indipendentemente dall’osservazione?

Una delle questioni centrali sollevate da Al-Khalili è se la realtà esista veramente o se sia in qualche modo “creata” dall’atto di osservarla. Questo concetto, che emerge dalla meccanica quantistica, è noto come il problema della misurazione. Secondo l’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, sviluppata da Bohr e Heisenberg, le particelle subatomiche esistono in una sovrapposizione di stati fino a quando non vengono misurate, momento in cui “collassano” in uno stato definito.

Questo porta alla domanda filosofica: l’universo esiste indipendentemente da noi, oppure l’osservazione è un atto necessario per dare realtà al mondo? Anche se questo concetto sembra sfidare il buon senso, la meccanica quantistica ha prodotto previsioni estremamente accurate e gli esperimenti sembrano confermare questa visione controintuitiva.

Il Principio di Indeterminazione e la natura

Un’altra legge fondamentale della meccanica quantistica è il Principio di Indeterminazione di Heisenberg. Questo principio afferma che non è possibile conoscere contemporaneamente e con precisione assoluta sia la posizione che la quantità di moto di una particella. Questa incertezza non è dovuta a limiti nella nostra capacità di misurare, ma è intrinseca alla natura della realtà quantistica stessa.

Al-Khalili mostra come questo principio, apparentemente astratto, abbia implicazioni concrete nel mondo naturale. Durante il documentario, si esplora come il Principio di Indeterminazione giochi un ruolo fondamentale in processi biologici come la fotosintesi. Le piante e gli alberi, infatti, utilizzano la luce solare attraverso meccanismi che sembrano rispettare le leggi della fisica quantistica, in particolare nella gestione dell’energia fotonica a livello molecolare. Questo solleva la domanda se la meccanica quantistica possa non solo spiegare i processi fisici, ma anche aiutare a risolvere i misteri biologici, come l’evoluzione stessa.

L’evoluzione e la meccanica quantistica

Un’altra affascinante ipotesi esplorata nel documentario è se la meccanica quantistica possa spiegare l’evoluzione, uno dei più grandi misteri della biologia. La fisica quantistica, con la sua natura probabilistica e la capacità di influenzare fenomeni a livello molecolare, potrebbe aver avuto un ruolo nell’origine della vita e nei meccanismi che governano la selezione naturale. Sebbene questa sia ancora un’area di ricerca in fase esplorativa, le connessioni tra biologia e meccanica quantistica sono un campo emergente che promette di aprire nuove prospettive sul modo in cui la vita si è evoluta sulla Terra.

“I segreti della fisica quantistica” non è solo un’esplorazione delle leggi della fisica, ma anche una riflessione profonda sulle implicazioni filosofiche di queste leggi. Jim Al-Khalili porta il pubblico a riflettere su domande fondamentali: la realtà esiste indipendentemente da noi o è modellata dal nostro atto di osservazione? E se la meccanica quantistica può spiegare i misteri della biologia, quali altre aree della scienza potrebbero essere rivoluzionate da questa teoria?

Attraverso esempi concreti, come il Principio di Indeterminazione applicato alla fotosintesi, e attraverso la ripetizione degli esperimenti che hanno segnato la storia della fisica, il documentario guida lo spettatore in un viaggio che sfida le nostre nozioni tradizionali di realtà, causalità e tempo. La meccanica quantistica, con tutte le sue stranezze, rimane uno dei pilastri della fisica moderna e continuerà a suscitare domande fondamentali per molti anni a venire.

Chi volesse rivedere le due puntate RAI, sono disponibili online