Il ‘900 fu secolo di grandi cambiamenti nell’ambito della fisica. La meccanica classica, forte
da un lato della fisica Newtoniana e dall’altro delle recenti leggi dell’elettromagnetismo di
Maxwell, sembrava ormai in grado di poter descrivere adeguatamente ogni tipo di
fenomeno. Ne sono infatti un’importante conseguenza prima la scoperta del pianeta
Nettuno, e successivamente la scoperta delle onde elettromagnetiche da parte di Heinrich
Rudolf Hertz.
Rimanevano però alcuni fenomeni che la meccanica classica non era in grado di spiegare,
principalmente concernenti l’emissione della luce. In particolare, era stato messo in
evidenza il comportamento indipendente della propagazione della luce rispetto al
movimento del sistema di riferimento, facendo così cadere il principio galileiano della
composizione delle velocità. Fu Einstein che, mettendo in luce questa ed altre
contraddizioni della fisica classica, si incaricò di costruire un nuovo modello che
eliminasse tali contraddizioni. Nello stesso periodo Einstein si occupò anche di spiegare
un fenomeno fino ad allora inspiegabile, l’effetto fotoelettrico, il quale consiste
nell’emissione di elettroni da parte di una superficie metallica soggetta a radiazione
elettromagnetica. Einstein giustifica questo fenomeno assumendo che la radiazione
elettromagnetica viene emessa sotto forma di quanti (pacchetti) di energia chiamati fotoni,
che contengono una quantità discreta di energia. Questo fenomeno sarà anche oggetto di
studio di Max Planck, che avrà un ruolo chiave nell’elaborazione della teoria dei quanti.
La ricerca di Einstein si concretizzò per la prima volta nel 1905 con la pubblicazione di un
articolo sulla relatività ristretta, basata su due importanti postulati, l’invarianza delle leggi
fisiche (che era già alla base della fisica galileiana) e della velocità della luce, validi in
questa fase della teoria relativistica solo per sistemi di riferimento inerziali. Le dirette
conseguenze della coesistenza di questi due postulati, la dilatazione dei tempi e la
contrazione delle lunghezze, erano alquanto “scandalose” per i tempi. Cade infatti la
nozione di tempo assoluto, assieme al concetto di simultaneità, per lasciare spazio a
quella di tempo dilatato. Ciò implica che dato un determinato evento, un osservatore che
sia solidale a tale evento percepirà una determinata durata di tempo dall’inizio alla fine,
mentre un osservatore esterno misurerà una durata maggiore per il compimento del
medesimo evento, come risultato della dilatazione dei tempi. In altre parole, spostandoci
da un punto A a un punto B a una velocità v, il tempo Δt misurato da noi per eseguire tale
spostamento risulterà infinitesimamente minore rispetto al tempo Δt’ misurato da un altro
osservatore che è rimasto fermo nel punto A al momento della nostra partenza. È chiaro
che fenomeni di questo tipo sono assolutamente impercettibili e anche trascurabili nel
quotidiano, e iniziano a essere rilevanti solo oltre un decimo della velocità della luce c. La
contrazione delle lunghezze (o contrazione di Lorentz-FitzGerald) prevede invece che un
osservatore statico che osservi un corpo spostarsi a velocità prossime a quelle della luce
lo percepirà più corto della sua lunghezza effettiva.
Per quanto riguarda invece la relatività generale, pubblicata nel 1916, essa nasce dal
tentativo di applicare i principi della relatività ristretta ad un’innovativa teoria fisica sulla
gravitazione, che sostituisca quella di interazione a distanza tra corpi massivi di Newton.
Tale interazione viene costruita su un nuovo modo di concepire lo spazio e il tempo, che
non costituiscono più entità separate ma sono due aspetti dello stesso ente fisico, lo
spazio-tempo, la struttura quadridimensionale dell’universo. Per spiegare le forze
gravitazionali tra diverse masse viene spesso usata la metafora del tappeto elastico.
Immaginando di porre un corpo su un tappeto elastico (bidimensionale) quest’ultimo si estenderà verso il basso (lungo la terza dimensione) causando una curvatura. Ponendo
ora altri corpi di massa minore sul medesimo tappeto elastico, il loro effetto sarà sulla
curvatura del tappeto sarà meno significativo, e “scivoleranno” verso il corpo di massa più
grande. Analogamente, in un interazione tra corpi in uno spazio tridimensionale, ogni
corpo dotato di massa darà origine a una curvatura nello spazio-tempo verso la quarta
dimensione (il tempo). Le interazioni tra diversi corpi con masse differenti avranno come
conseguenza la dilatazione del tempo, che trova in questo modo una collocazione e una
spiegazione specifica all’interno di un nuovo modello fisico.
In linea di massima quindi gli effetti della teoria della relatività, considerata tutt’ora valida,
sono significativi per velocità prossime a quelle della luce e per masse molto grandi. Ma in
parallelo alla teoria relativistica, sempre nello stesso periodo storico, si è sviluppata
un’altra teoria fisica, altrettanto valida nel sostituirsi al modello della meccanica classica.
Agli inizi del ‘900 infatti lo scienziato Max Planck era già alle prese con lo studio dei
fenomeni subatomici che la meccanica classica non era in grado di spiegare. Come già
accennato, un primo passo verso questo nuovo modello viene fatto da Einstein che
ipotizza la quantizzazione della luce che trasporta una quantità “discreta” di energia,
concetto che sarà poi elaborato nella futura teoria dei quanti. La storia e le tappe di questa
teoria sono estremamente complesse e sarebbe impossibile fornirne una sintesi completa,
ma si possono comunque mettere in luce i suoi assunti fondamentali.
I presupposti della fisica quantistica poggiano sul dualismo onda-particella, che stravolge
completamente quanto fino ad allora detto dalla fisica classica. Distaccandosi dalla teoria
corpuscolare, concepisce la luce né solo come composta da fotoni né solo come onda
elettromagnetica, ma come entrambe. A partire da alcuni esperimenti, come quello sulla
diffrazione dell’elettrone di Davisson e Germer (esperimento di Young), Bohr enunciò così
il principio di complementarità, per cui il duplice aspetto di alcune rappresentazioni fisiche
(a livello subatomico) non può essere osservato contemporaneamente. Una conseguenza
di ciò è il concetto di misurazione: un fenomeno non è mai osservato “passivamente”,
poiché è impossibile osservare una particella senza perturbarla in maniera irreversibile,
alterando quindi il suo stato precedente all’osservazione che di conseguenza è impossibile
misurare accuratamente. Una formalizzazione di questo concetto fu operata da
Heisenberg attraverso il suo principio di indeterminazione, secondo cui alcune coppie di
quantità fisiche possono essere misurate con precisione inversamente proporzionale. Ad
esempio, volendo misurare la posizione di una particella in un determinato istante, sarà
impossibile misurare anche la sua velocità in quello stesso istante poiché questa avrà
subito una perturbazione imprevedibile, e viceversa. Già da questi pochi concetti ci si
rende conto come la meccanica quantistica, pur essendo un modello funzionante
esclusivamente per fenomeni subatomici, fa leva sull’impossibilità di conoscere certe
proprietà dei fenomeni presi in esame, e si serve quindi del concetto di probabilità,
successivamente formalizzato da Schrödinger, fondatore della meccanica ondulatoria,
nella sua equazione d’onda. Questa, in breve, esprime appunto la probabilità di trovare
una particella in una determinata regione di spazio. È chiaro che le conclusioni della
meccanica quantistica hanno solo senso a livello atomico e subatomico, e perdono validità
in ambito macroscopico, come ci tiene a dimostrare lo stesso Schrödinger attraverso
l’esperimento mentale del gatto: supponiamo di mettere un gatto in una scatola, in modo
tale da non poter conoscere le sue condizioni, con un meccanismo che ha il 50% di
probabilità di avvelenarlo. Secondo le tesi della meccanica quantistica, il gatto all’interno
della scatola sarebbe sia vivo che morto contemporaneamente, poiché noi osservatori non
abbiamo modo di conoscere il suo stato. È chiaro che una tale conseguenza non avrebbe
senso se considerata su un fenomeno fisico quale un gatto, ma pare che funzioni se
applicata a singole particelle, in particolare elettroni, che possono essere misurate nella
stessa posizione nello stesso istante, essendo quindi in uno stato di “sovrapposizione quantistica” o “entanglement”. Per un quadro più completo sulla fisica quantistica sarebbe
opportuno indagare altri fenomeni tra cui prima di tutto il principio di esclusione di Pauli,
ma che richiederebbero precisazioni che ai fini dell’articolo potrebbero risultare superflue o
troppo complesse.
Dunque l’innovazione della relatività sta nel “correggere” le falle che incontra la fisica
classica per velocità approssimabili a quella della luce e per grandi masse, mentre la fisica
quantistica descrive i fenomeni subatomici che sono al di fuori della portata della
meccanica classica, ma presentano diverse incongruenze non trascurabili che
impediscono di trarne un modello unitario, tra cui prima di tutte la contraddittoria
definizione di spazio e tempo che ne deriverebbe. Nella relatività generale, la concezione
dello spazio-tempo come “tessuto” in cui i corpi si spostano implica che sia lo spazio che il
tempo siano in qualche modo continui e infinitamente divisibili. Al contrario, i fenomeni
descritti dalla meccanica quantistica non hanno più significato se considerati sotto certe
misure di tempo e di spazio, ovvero la lunghezza di Planck (1,6∙10 -35 m) e il tempo di
Planck (5,4∙10 -44 ). Inoltre con la meccanica quantistica, anche per via del principio di
indeterminazione, si perde l’unità in unico ente fisico che la relatività aveva conferito a
spazio e tempo.
Numerosi sono stati i tentativi di conciliazione tra i due modelli in uno unico e coerente,
l’esempio più noto rappresentato dalla teoria delle stringhe, ma in nessun modo è stato
trovato un compromesso che metta in relazione entrambe le teorie in un modello privo di
contraddizioni. Ciò non toglie che le due teorie funzionino adeguatamente nei loro rispettivi
campi di applicazione, e che una conciliazione potrebbe comunque essere possibile,
semplicemente non ancora alla nostra portata.
Giuseppe Gurgone
Galinews 