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1. «LA FISICA DELLA COSCIENZA»

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Il termine "fisica" deriva dal greco physis = "natura" e sta ad indicare la scienza che studia le leggi naturali. Per quanto possa sembrarci oggi strano, all'inizio la fisica era una branca della filosofia e non a caso veniva detta filosofia naturale (filosofia deriva da philèin = amare e sophìa = conoscenza, sapienza - e indica appunto l'amore per la conoscenza). D'altronde secondo Cartesio: "Tutta la filosofia è come un albero, di cui le radici sono la metafisica, il tronco è la fisica, e i rami che sorgono da questo tronco sono le altre scienze, che si riducono a tre principali: la medicina, la meccanica e la morale". Questa visione era molto più unitaria ed olistica di quella odierna.


La Scuola di Atene

"La Scuola di Atene" di Raffaello Sanzio (Musei Vaticani).
Al centro Platone ed Aristotele, a sinistra i dialettici, a destra i fisici,
in primo piano a sinistra i matematici e a destra gli astronomi.


La frattura tra fisica e metafisica, tra materia e spirito, si realizza con la nascita del moderno "metodo scientifico" ad opera di grandi pensatori quali:

  • Francis Bacon, italianizzato in Francesco Bacone (1561-1626). Nel suo "Novum Organum" traccia una metodica induttiva (1) basata sull'osservazione e sulla sperimentazione più che sull'osservazione e sul ragionamento relativo a ciò che è stato osservato (come avviene nell'induzione aristotelica). Attraverso la compilazione di specifiche tavole, Bacone studia il fenomeno in oggetto fino ad arrivare all'esperimento cruciale che identifica l'ipotesi corretta.

  • Galileo Galilei (1564-1642). Galileo precisa il metodo scientifico sperimentale (non a caso detto anche "metodo galileiano") fondato sulla sensata esperienza - esperimenti che devono avere un'adeguata formulazione e che non diano risultati arbitrari - e sulla necessaria dimostrazione cioè la rigorosa analisi matematica dei risultati che dovranno poi essere ulteriormente verificati. Infatti: "Il libro della natura è scritto in lingua matematica" per Galileo.

  • René Descartes, italianizzato in Cartesio (1596-1650), è l'autore del famoso motto: "Cogito, ergo sum" ("Penso, dunque sono"), estende la concezione razionalistica di una conoscenza basata sulla solidità e la certezza della matematica ad ogni aspetto del sapere. Cartesio concepisce sì l'esistenza di un mondo spirituale (mentre oggi l'esasperazione della visione cartesiana porta i positivisti (2) a negarlo), solo che al mondo dell'anima e del pensiero - qualitativo - non può essere applicata la logica matematica - quantitativa - e quindi non può entrare a far parte della scienza moderna.

  • Isaac Newton (1642-1727). Il metodo scientifico viene ulteriormente affinato da Newton e diventa induttivo-deduttivo, in quanto le leggi scoperte - in modo induttivo, dal particolare al generale - devono poi permettere di dedurre tutti i fenomeni che ricadono sotto il loro ambito. Le regole del metodo newtoniano sono: 1) non sono ammesse spiegazioni superflue, ("Legge della Semplicità della Natura" - ved. il concetto del "Rasoio di Ockham"); 2) a uguali fenomeni corrispondono le stesse cause ("Legge dell'Uniformità della Natura"); 3) le qualità uguali di corpi diversi debbono essere ritenute universali di tutti i corpi (essendo la Natura regolare e stabile possiamo passare dalle singole esperienze alle leggi e dargli un valore universale; "Legge dell'Omogeneità della Natura"); 4) le proposizioni ricavate per induzione dagli esperimenti, debbono essere considerate vere fino a prova contraria (non basta formulare un'ipotesi contraria per invalidare un'ipotesi precedentemente verificata, servono delle verifiche scientifiche adeguate).

(1) Induzione: il ragionamento che dal particolare porta all'universale, nel tentativo di trovare le leggi generali dell'esistenza a partire dai singoli fatti. La deduzione è il passaggio opposto, che dal generale porta al particolare.
(2) Positivismo: è una corrente di pensiero caratterizzata dalla completa fiducia nel progresso scientifico e dal tentativo di applicare il metodo scientifico a tutte le sfere della conoscenza e della vita umana.

Il metodo scientifico ha, indubbiamente, fatto fare degli enormi passi avanti alla conoscenza e alla tecnica, allo stesso tempo, ha creato anche una dolorosa dicotomia tra la realtà interiore spirituale (soggettiva) e la realtà esteriore materiale (oggettiva). Cartesio è stato lo studioso che meglio ha definito questi due ambiti parlando di res cogitans e res extensa

  • Res Cogitans (in latino "sostanza pensante") - è il mondo psichico interiore, che non ha estensione in quanto è al di là di tempo e spazio (non occupa uno spazio definito e non vive un tempo determinato, è pura ed infinita dimensione spirituale). E' cosciente di sé.

  • Res Extensa (in latino "sostanza estesa") - è il mondo materiale, finito e determinato degli oggetti, a cui è possibile attribuire estensione e movimento. E' incosciente di sé.

Paradossalmente Cartesio sa di esistere in quanto res cogitans (cioè come pensiero, poiché il fatto di pensare lo porta all'evidente certezza di esistere come cosa pensante), ma non può neppure essere certo che la res extensa esista (il fondamento del metodo cartesiano, infatti è il dubbio). Se però esiste, avendo la materia un dominio completamente diverso dallo spirito, essa sarà priva di spiritualità. In questo modo Cartesio ha praticamente spezzato in due la realtà!

Una dualità analoga esisteva già anche in Platone (428- 347 a.C.) nella distinzione tra il mondo delle Idee (il piano dei "noumeni") e il mondo sensibile (il piano dei "fenomeni"). Per Platone le Idee sono la vera realtà, i principi primi (Archetipi), da cui tutti i fenomeni derivano. L'essere umano che sta solo dietro ai fenomeni sensoriali vive una realtà fittizia, fatta di mera apparenza.

Se oggi volessimo superare la dicotomia tra soggetto e oggetto, tra realtà psichica interiore e realtà fenomenica esteriore, potremmo considerare che questa distinzione non rappresenti altro che i punti estremi dello stesso spettro di realtà; ad un estremo c'è il soggetto e all'altro l'oggetto, da una parte la psiche e dall'altra il soma, ma l'insieme forma un unico continuum.

Spettro psiche soma

Ecco che da questo punto di vista possiamo affermare che "l'osservatore non è separato da ciò che osserva" e questo sta risultando sempre più evidente anche grazie alle scoperte fatte dalla fisica quantistica, che adesso andremo ad esaminare.

Separazione soggetto oggetto

La dicotomia soggetto-oggetto inizia a dissolversi nella fisica quantistica, quando possiamo verificare che il modo di osservare ciò che stiamo studiando ne modifica le proprietà!

Osservatore non separato dalla realtà osservata

La fisica quantistica (più correttamente meccanica quantistica) è nata dall'impossibilità di applicare la meccanica classica newtoniana (che studiava il moto dei corpi) alla realtà atomica e subatomica. La meccanica classica descrive molto bene la realtà che osserviamo attorno a noi, ma non è in grado di spiegare - ad esempio - come mai l'elettrone, ruotando attorno al nucleo, non perda progressivamente energia e non finisca per collassare sul nucleo stesso.
Questo ed altri quesiti rimasti insoluti portarono i fisici della fine dell'800 a formulare nuove ipotesi e, gradualmente, a scoprire la meccanica quantistica.

Il concetto di quanto (dal latino "quantum", quantità) formalmente nasce il 14 dicembre 1900 con una relazione fatta da Max Planck alla Società di Fisica Tedesca. Planck riesce a risolvere una "catastrofica" incongruenza della fisica classica nel predire la modalità con cui un corpo nero (cioè un oggetto che assorbe l'intera radiazione elettromagnetica in arrivo) emetta radiazioni.

La teoria classica prevedeva che, a seguito di un assorbimento finito di energia, l'oggetto avrebbe emesso un valore di energia infinito, cosa che è chiaramente assurda. Planck fu in grado di risolvere matematicamente il problema introducendo un artifizio: ipotizzò che gli scambi di energia tra gli atomi di un corpo qualsiasi e la radiazione elettromagnetica non avvenissero in modo continuo (come previsto dalla teoria classica), ma attraverso quantità discrete (i quanti appunto).

E' interessante notare come Planck non avesse alcuna idea di come questa intuizione avrebbe sconvolto la fisica del XX secolo, lui riteneva di aver soltanto "giocato" un po' con la matematica, ma che in futuro altri fisici avrebbero risolto la questione in modo migliore. Nel 1905 Einstein dimostrò, invece, come l'energia sia effettivamente composta da pacchetti discreti di energia (sia cioè quantizzata) nella sua spiegazione del cosiddetto Effetto Fotoelettrico, spiegazione da cui ottenne il Nobel per la Fisica nel 1921.

La rivoluzione non sta tanto nella scoperta dei quanti di energia in sé, ma nelle proprietà che questi quanti possiedono, prima fra tutte la proprietà di poter esistere in due forme distinte e apparentemente inconciliabili tra loro: una forma definita e ben oggettivabile (come corpuscolo) ed una forma più indefinita (come onda, che non va intesa come onda fisica ma come onda di probabilità, cioè la rappresentazione dell'insieme delle possibilità in cui la dimensione corpuscolare potrà manifestarsi).

Un corpuscolo ed un'onda hanno proprietà ben differenti, basti pensare al corpo e alla voce: il corpo è presente in un punto unico dello spazio, mentre la voce si propaga virtualmente ovunque, non ha una collocazione spaziale puntuale.
La scoperta che uno stesso oggetto fisico (ad es. un fotone di luce) potesse manifestarsi a volte in un modo e altre volte in un altro ha fatto "impazzire" gli scienziati. Era la prima volta che accadeva una cosa simile. In fisica non era mai stato infranto il Principio di Non Contraddizione di Aristotele, secondo cui A deve essere diverso da non-A. Negli esperimenti di fisica quantistica emergeva chiaramente che A corrispondeva a non-A: lo stesso oggetto a volte era un corpuscolo e altre volte un'onda… eppure restava sempre lo stesso oggetto.


IL QUANTO DI LUCE: IL FOTONE

Il primo quanto a manifestare questa doppia natura, negli esperimenti, è stato quello della luce (il fotone), ripercorriamo insieme le tappe di questa scoperta...

Isaac Newton aveva ipotizzato che la luce fosse un flusso di particelle, ma in un documento pubblicato nel 1803 ("Experiments and Calculations Relative to Physical Optics") il fisico inglese Thomas Young descrive un esperimento che porterà l'intera comunità scientifica a convincersi che la luce sia, in effetti, un'onda. Nell'esperimento di Young un fascio di luce viene fatto passare da un foro e davanti a questo foro c'è un pannello con due fenditure verticali, coperte da una stoffa. Dietro il pannello c'è un muro. Aprendo una fenditura il muro si illumina con la luce mostrando una striscia di luce, ma aprendo anche la seconda fenditura non compaiono due immagini luminose (corrispondenti alla forma delle fenditure), si osserva invece una serie di strisce alternate chiare e scure. Come è possibile? L'alternanza di luci ed ombre corrisponde a zone, rispettivamente, di potenziamento (strisce chiare) e di annullamento (strisce scure) tra onde di energia interferenti fra di loro. E' un tipico fenomeno della meccanica ondulatoria e non può verificarsi con le particelle. Per questo i fisici si convinsero che la luce avesse una natura ondulatoria, soprattutto dopo che, una decina di anni più tardi, Augustin Jean Fresnel riuscì a confermare e a rendere assai più preciso l'esperimento di Young.

Dualità onda-particella

Particelle ed onde che oltrepassano una fessura hanno un comportamento ben diverso! Nell'immagine a sinistra: in alto l'effettivo comportamento di due fasci luminosi
che interferiscono tra loro; in basso quello che ci saremmo aspettati considerando la luce
fatta di particelle, ma che in effetti non si verificava.


A questo punto, la comunità scientifica è convinta che la luce sia un'onda. Ecco che però altri esperimenti evidenziano una natura corpuscolare nella luce, esperimenti altrettanto verificabili e ripetibili come quelli che avevano prima convinto della natura ondulatoria, il più significativo dei quali è quello del 1923 di Arthur Holly Compton, Compton invia un fascio monocromatico di raggi X (si tratta quindi sempre di radiazioni elettromagnetiche, come quelle della luce, sebbene a frequenze ben più elevate) su un blocco di grafite e misura la direzione e l'intensità dei raggi X uscenti.
La radiazione uscente viene deviata in tutte le direzioni e la frequenza dell'energia in uscita è molto più piccola di quella del fascio in entrata. La logica spiegazione era che i singoli fotoni urtassero contro gli elettroni della materia e, colpendoli, fossero deviati e perdessero essi stessi energia; in pratica si comportavano come palle da biliardo che ne colpivano altre, in un modo che l'aspetto ondulatorio della luce non sarebbe stato in grado di riprodurre.

Effetto Compton

La scoperta del cosiddetto "Effetto Compton" convinse in maniera pressoché definitiva la comunità scientifica che la radiazione elettromagnetica possedesse anche una natura corpuscolare, confermando così la doppia natura dei quanti. A causa dell'importanza della sua scoperta, Compton ricevette il Nobel per la Fisica (1927). La doppia natura ondulatoria e corpuscolare dei fotoni (e, per esteso, di tutti i quanti di energia) era accettata e comprovata.

Nel 1924 il fisico francese Louis de Broglie ipotizza che anche la materia possa manifestare proprietà ondulatorie e grazie ad esperimenti sulla doppia fessura fatti con gli elettroni da Davisson, Germer e Thomson (1927) se ne ha la dimostrazione. Gli elettroni, veri e propri pezzettini di materia, mostrano anch'essi un modello di interferenza. In pratica il dualismo onda-particella (con tutti i paradossi quantistici che lo caratterizza) è dimostrato essere proprio di TUTTA la realtà, sia dei quanti di energia, come i fotoni, che dei quanti di materia, come gli elettroni.

Onda - Particella in Fisica Quantistica

Questa doppia natura ha sconvolto il mondo scientifico, tanto da far affermare a Niels Bohr: "Coloro che non sono rimasti scioccati quando si sono imbattuti per la prima volta
nella teoria quantistica non possono averla capita."


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