Il principio di indeterminazione della fisica quantistica

Il principio di indeterminazione di Heisenberg racchiude in sè tutta la stranezza della meccanica quantistica, che rappresenta la migliore descrizione che l’uomo abbia del mondo microscopico. Ma siamo davvero sicuri che il mondo quantistico sia così bizzarro?

Il principio di indeterminazione è la chiave per comprendere la meccanica quantistica. E capirla non è affatto semplice, come diceva Richard Feynman: 

“Penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica”

Ma non disperate! Noi siamo La fisica che ci piace e il nostro compito è rendere accessibili anche le stranezze più complesse della fisica. Quindi, mettetevi comodi e preparatevi a intraprendere questo affascinante viaggio.

Iniziamo con la domanda fondamentale: cosa si intende per indeterminazione?

L’indeterminazione nella vita di tutti i giorni

Ogni oggetto che osserviamo nella vita quotidiana ha caratteristiche ben definite. Immagina di essere per strada e di vedere una persona in lontananza: anche se sappiamo che quella persona ha un preciso colore degli occhi, da quella distanza ci risulta impossibile percepirlo con certezza. Il colore degli occhi sarà quindi indeterminato per noi: non sapremo se è verde, azzurro o castano. 

In questo esempio, noi stessi siamo uno strumento di misura, come quelli utilizzati in fisica. La cosa interessante è che possiamo regolare la precisione di questo strumento come vogliamo: avvicinandoci al conoscente, possiamo osservare ogni sua caratteristica con grande precisione. Ogni caratteristica sarà cioè determinata, ad esempio, il colore degli occhi sarà verde. Quindi, nella vita quotidiana, l’indeterminazione non è una caratteristica intrinseca dell’oggetto in sé, ma è una questione operativa: il colore degli occhi del nostro conoscente è ben definito, ma resta indeterminato se non misuriamo con la giusta precisione.

L’indeterminazione nel mondo microscopico

In fisica, siamo interessati a studiare il comportamento delle particelle minuscole che costituiscono tutto ciò che ci circonda, come gli elettroni. Poiché queste particelle sono così piccole, misurare la loro posizione e velocità è estremamente difficile, e infatti è così. Ma la questione è ancora più complicata di quanto sembri! Qui entra in gioco il principio di indeterminazione, che afferma: 

“Non è possibile determinare contemporaneamente con precisione, tanto quanto si vuole, sia la posizione sia la quantità di moto di una particella.”

Per semplificare: se misuriamo con grande precisione la posizione di un elettrone, la sua velocità diventa indeterminata.

Immaginate il vostro conoscente per strada come un oggetto quantistico per rendere tutto più comprensibile. Immaginate di essere vicini al vostro “conoscente quantistico” e di poter quindi osservare con precisione il colore degli occhi, che scoprite essere, ad esempio, verdi. Subito dopo cercate di guardare il colore dei capelli, ma per quanto vi sforziate, tutto appare sfocato. Non riuscite a determinare il colore dei capelli in alcun modo: esso è completamente indeterminato.

Vi sta girando la testa? Tranquilli, c’è Niels Bohr a rassicurarvi: 

“Quelli che non rimangono scioccati, la prima volta che si imbattono nella meccanica quantistica, non possono averla compresa.”

L’indeterminazione è operativa o intrinseca?

Inizialmente, si pensava che questa indeterminazione fosse dovuta, come nella vita quotidiana, a una limitata sensibilità degli strumenti di misura. Ad esempio, quando vediamo un amico da lontano, è normale che le sue caratteristiche non siano nitide. La lontananza è il problema, e avvicinandoci possiamo fare misure più precise. 

Ma non è questo il punto. Anche se avessimo strumenti super precisi per misurare la posizione e la velocità, se uno fornisce un risultato preciso, l’altro risulterà impreciso. Il problema non sta negli strumenti, ma nell’elettrone stesso. È come se fosse un po’ riservato: se ci dice una cosa, come la posizione, non ci rivelerà affatto l’altra, come la velocità. L’indeterminazione è intrinseca alla natura delle particelle, non è una questione operativa.

Le caratteristiche incompatibili

Come è possibile? Quello che abbiamo appena detto ci appare strano perché siamo abituati a pensare in un certo modo: ogni oggetto ha delle caratteristiche precise che lo definiscono. Per esempio, il Professor Vincenzo Schettini ha i capelli bianchi e pazzi, ama la fisica e possiede una serie di tratti che possiamo misurare con precisione e che lo rendono inconfondibile. Tuttavia, nella fisica quantistica ci sono caratteristiche che vengono definite incompatibili, nel senso che non è possibile determinarle contemporaneamente con grande precisione.

Trovarne un esempio nella vita di tutti i giorni è piuttosto difficile, ed è proprio per questo che la meccanica quantistica è così complicata da comprendere. Ma cerchiamo comunque di fare un esempio per visualizzare meglio il concetto. Invece di pensare a caratteristiche incompatibili, pensiamo a attività incompatibili.

Immaginate di avere solo due ore di tempo e dover preparare sia l’interrogazione di matematica che la verifica di scienze per il giorno dopo, studiando tutto da zero. Il tempo è poco, e quindi dovete fare delle scelte: potreste decidere di studiare alla grande una delle due, andando bene in una e male nell’altra, oppure studiare qualcosa di entrambe, ma con risultati mediocri in entrambe le prove.

Allo stesso modo, come non riuscite a fare bene entrambe le cose contemporaneamente, ci sono caratteristiche di un oggetto che non si possono misurare simultaneamente con precisione. Si deve necessariamente scegliere di concentrarsi su una, a discapito dell’altra, oppure essere imprecisi su entrambe le misure.

La meccanica quantistica è strana?

Dopotutto, la meccanica quantistica non è poi così strana. In fondo, abbiamo visto che è del tutto sensato pensare a attività incompatibili, quindi perché non dovrebbero esistere anche caratteristiche incompatibili? Chi ha mai detto che un oggetto debba per forza possedere due proprietà definite contemporaneamente? Siamo semplicemente abituati così, e ci appare strana l’idea opposta. 

Ma la fisica ci invita ad aprire la mente e a non dare mai nulla per scontato. Per comprendere il mondo che ci circonda, dobbiamo liberarci dai preconcetti e imparare a ragionare nel modo più generale possibile. Questo è il primo passo per ogni scienziato alla ricerca della verità, ed è il grande insegnamento che la meccanica quantistica ci offre.

Il termine “strano” si riferisce a qualcosa che è difforme dal consueto, ma la vera lezione che dobbiamo imparare è che non è la meccanica quantistica a essere strana, quanto piuttosto il nostro modo di percepire il mondo, che è limitato, particolare, e quindi difforme rispetto al modo più generale in cui la realtà effettivamente funziona, cioè secondo le leggi della mitica fisica quantistica.

A cura di Giuseppe Mansi