LA STAMPA 9 luglio 2004, p. 23

Fra tutte le teorie scientifiche, grandi o piccole, nate nel secolo scorso, nessuna ha contribuito, crediamo, a modificare tanto radicalmente la nostra vita quotidiana quanto la meccanica quantistica. Quando ascoltiamo la radio, guardiamo la televisione, usiamo il computer, il cellulare o qualsiasi elettrodomestico con componenti elettroniche, sfruttiamo fenomeni fisici – quelli che regolano il funzionamento di transistor, fasci di elettroni, microchip – che non appartengono al dominio della meccanica o dell’elettromagnetismo classici. Ma l’importanza e l’onnipresenza delle sue applicazioni non deve far dimenticare che la fisica quantistica (la cui nascita si fa tradizionalmente risalire a un articolo di Max Planck datato 1900) è stata anche la maggiore rivoluzione intellettuale degli ultimi cento anni, che ha definitivamente fatto a pezzi un’idea radicata fin dai tempi di Aristotele: la fiducia nel senso comune, se necessario adeguatamente affinato e scaltrito, come fondamento inconcusso dell’indagine scientifica.

Facciamo un piccolo esempio. Una pallina da tennis lanciata contro una parete con due finestre può uscire passando attraverso l’una o l’altra finestra, ma non attraverso le due finestre contemporaneamente – nessuno sano di mente metterebbe in dubbio una verità così lapalissiana, almeno all’apparenza. Tuttavia, un elettrone che incontri una barriera con due fenditure, passa attraverso entrambe contemporaneamente. E non solo. Nella fisica di Newton e di Maxwell un’onda e una particella sono due oggetti con proprietà differenti; nella meccanica quantistica un elettrone può rimbalzare come una particella e interferire con se stesso come un’onda. Il principio del terzo escluso va dunque a carte quarantotto nella teoria dei quanti, e insieme alla logica classica si devono rivedere profondamente anche altre strutture concettuali (in primo luogo quella di causalità) che contribuiscono a forgiare la nostra visione del mondo.

Malgrado la sua importanza nella storia delle idee del Novecento, la fisica quantistica rimane in larga misura ignorata nei programmi scolastici e continua a essere percepita dai più come un qualcosa di esoterico, che nulla avrebbe a che spartire con la cultura con la c maiuscola. Si deve dunque accogliere con favore la pubblicazione per i tipi di Cortina dell’ultima fatica di Amir Aczel (matematico ed esperto divulgatore), un volume dal titolo alquanto criptico, Entanglement (trad. it. Massimiliano Pagani, pp. XIX+260, € 21,00), che costituisce un’ottima introduzione ad uno dei concetti più elusivi e sorprendenti dell’universo quantistico.

Albert Einstein, universalmente noto per la formulazione della teoria della relatività, diede anche un importante contributo alla nascente fisica dei quanti. In un articolo del 1905 (indubbiamente il suo annus mirabilis) fornì, infatti, una brillante spiegazione dell’effetto fotoelettrico basata sull’ipotesi che la luce fosse composta da particelle discrete (successivamente dette fotoni). Negli anni a seguire, tuttavia, Einstein assunse il ruolo di osservatore critico degli sviluppi della meccanica quantistica e avversò con decisione quella formulazione in chiave probabilistica della teoria, dovuta principalmente a Niels Bohr, nota sotto il nome di «interpretazione di Copenaghen». Il duello fra Einstein e Bohr, che si protrasse per circa trent’anni, conobbe i suoi momenti di più intensa teatralità durante le Conferenze Solvay del 1927, 1930 e 1933: il primo inventava esperimenti mentali diabolicamente ingegnosi volti a mettere in scacco l’interpretazione di Copenaghen, il secondo parava i colpi cercando di individuare la falla nel ragionamento dell’avversario. Mentre nel 1927 e nel 1930 Bohr riuscì a neutralizzare efficacemente gli attacchi di Einstein, diverso fu il caso per l’argomentazione escogitata da quest’ultimo nel corso della Conferenza Solvay del 1933 ed espressa con maggior precisione in un articolo scritto in collaborazione con i fisici Nathan Rosen e Boris Podolsky pubblicato nel 1935. In meccanica quantistica, secondo il cosiddetto principio di indeterminazione di Heisenberg, è impossibile misurare con arbitraria precisione, a un dato istante, sia la posizione sia la velocità di una particella. Ma immaginiamo una particella che si disintegri in due particelle, che schizzino via in direzioni opposte a uguale velocità: se misuriamo la posizione di una delle due particelle e la velocità dell’altra, riusciremo, unendo le informazioni raccolte, a conoscere sia la velocità sia la posizione di ogni singola particella (abbiamo semplificato, ma l’idea è grossomodo questa). Insomma, due particelle opportunamente predisposte – particelle entangled, come si dice – rimangono soggette a una «correlazione» a distanza che agisce in maniera istantanea: più che un fenomeno fisico sembra magia nera. L’esperimento mentale di Einstein-Podolsky-Rosen lasciava aperte solo due possibilità: o esistono proprietà fisiche nascoste che eludono la descrizione della realtà fornita dalla meccanica quantistica (e allora questa teoria è incompleta) o si verificano effetti non locali che ci obbligano a rivedere radicalmente la nostra concezione dello spazio e del tempo.

Dovevano passare trent’anni perché le intuizioni puramente speculative di Einstein-Podolsky-Rosen fossero espresse in una forma suscettibile di verifica sperimentale. Il fisico irlandese John S. Bell (1928-1990) in un articolo magistrale del 1964 dimostrò in maniera matematicamente rigorosa, sulla base di certe disuguaglianze, che la meccanica quantistica è incompatibile con l’ipotesi dell’esistenza di «variabili nascoste». Nel 1972 John F. Clauser e Stuart Freedman dell’Università della California a Berkeley, effettuarono un primo esperimento ispirato alle idee innovatrici di Bell, seguiti l’anno successivo da Ed S. Frey e Randal C. Thomson della Texas A&M Univeristy. Ma fu nei primi anni ’80 che il fisico francese Alain Aspect realizzò una serie di esperimenti decisivi nel suo laboratorio dell’Università di Orsay, a Parigi: utilizzando atomi di calcio eccitati come sorgente di fotoni entangled Aspect mostrò che la disuguaglianza di Bell viene violata, fornendo così una inconfutabile prova sperimentale a sostegno del carattere non locale della meccanica quantistica. Nel 1997 Nicolas Gisin e la sua équipe dell’Università di Ginevra eseguirono con un successo una versione dell’esperimento di Apsect in cui i rivelatori si trovavano a un distanza di 11 chilometri l’uno dall’altro.

La più spettacolare applicazione del fenomeno dell’entanglement è il teletrasporto quantistico, una procedura che permette di trasferire lo stato fisico di una particella a un’altra particella, anche molto lontana dalla prima. Sembra un’idea davvero strampalata, concepibile solo in un film di fantascienza (chi non ricorda il transporter che, nella serie Star Trek, immediatamente materializza il capitano Kirk a bordo della nave spaziale Enterprise?). Eppure, nel 1997 due gruppi di ricerca – uno diretto da Anton Zeilinger a Vienna, l’altro da Francesco De Martini a Roma – riuscirono a teletrasportare un singolo fotone. Nessuno sa con certezza se il teletrasporto si potrà realizzare anche per atomi e molecole, o addirittura per oggetti macroscopici, esseri umani inclusi. Ma questo primo passo già compiuto dischiude orizzonti inimmaginabili fino a pochi decenni or sono. La fisica quantistica rivela una realtà molto diversa da quella ci suggerisce la nostra esperienza sensoriale, e molto più ricca di mistero.

Claudio Bartocci