Cambiamenti di paradigma

Il paradigma per definizione costituisce un modello rappresentativo di qualcosa. Così abbiamo paradigmi per descrivere varie rappresentazioni in varie modalità. Nel nostro caso ci riferiamo ai paradigmi che sono stati adottati in fisica per spiegare ed abbracciare delle tipologie di fenomeni. Vedremo come, nel corso dello sviluppo della scienza, alcuni di questi paradigma sono stati radicalmente cambiati, per comprendere in sé le nuove scoperte e le nuove conoscenze acquisite. Nei capitoli successivi vedremo i principali paradigmi ed i loro significati essenziali.

Meccanica classica - Newton

• Spazio e tempo assoluti
• Processo di misurazione controllabile

Con Newton siamo in piena fisica classica e il paradigma adottato è quello classico, già introdotto nei paragrafi precedenti. Con questa visione la scienza può spiegare tutto ciò che è fisico, e ciò che ancora non è spiegato e non ha leggi che ne descrivono il funzionamento sarà spiegato appena saranno noti tutti i parametri. Gli argomenti base sono che lo spazio e il tempo sono assoluti, e il processo di misurazione è controllabile. Ovvero abbiamo delle lunghezze (lo spazio) che sono quelle, rimangono costanti, ed un tempo universale uguale per tutti ed invariabile. Questo conduce al determinismo scientifico: possiamo conoscere e prevedere tutto di un evento, se abbiamo le leggi e i parametri che lo governano. Questo paradigma è alla base di tutta la fisica classica.

Relatività - Einstein

• Spazio e tempo non sono più assoluti

Con il genio di Albert Einstein si apre uno dei capitoli più diffusi della fisica: la teoria della relatività. È uno degli argomenti prediletti di divulgazione non solo per l'interessa scientifico insito in essa, ma per le notevoli conseguenze che ci hanno tanto affascinato. Il paradigma newtoniano comincia a vacillare e si allarga per dare posto a quello relativistico: spazio e tempo non sono più assoluti! Non c'è un orologio universale ma infiniti orologi diversi a seconda di chi li sta usando. Inoltre lo spazio subisce delle variazioni a seconda della velocità con cui viaggia il sistema di riferimento di chi sta effettuando l'osservazione. Anzi più aumenta la velocità più è grande questa variazione. È la cosiddetta dilatazione dello spazio e del tempo. Esiste però un limite: la massima velocità raggiungibile è quella della luce (della radiazione elettromagnetica quindi). Einstein fissa questo valore; vedremo che con i fenomeni di non-località ci siano delle incongruenze con questo dato. La relatività di cui ho accennato qui è quella definita "relatività ristretta", ed esiste anche una relatività speciale, che tratta degli aspetti della gravitazione e della geometria spazio-temporale.

Paradosso dei gemelli

È un esempio molto citato per descrivere gli effetti della relatività. Se abbiamo due gemelli, ed uno di essi viene fatto salire su un'astronave che lo porta a viaggiare nello spazio, a velocità molto elevata, e poi tornare indietro, mentre l'altro rimane sulla terra, quando si incontreranno quello che è rimasto sulla terra sarà più vecchio di quello che ha viaggiato. L'invecchiamento sarà maggiore se la velocità sarà stata ancora più elevata, vicina a quella della luce. Se i valori di velocità sono bassi, allora le differenze di età, pur esistendo, saranno talmente piccole da essere trascurabili. Questo paradosso ha moltissime verifiche sperimentali utilizzando delle particelle: misurando i tempi di decadimento di particelle quelle che vengono fatte viaggiare a velocità prossime a quelle della luce hanno tempi più lunghi. Va fatto notare, a questo punto, che tutto questo vale per l'osservatore che rimane sulla terra con il gemello, per il gemello che viaggia il tempo non subisce variazione. Esiste quindi un tempo soggettivo mentre sparisce il concetto di tempo oggettivo, universale. Ed insieme a questo anche lo spazio, inteso in senso geometrico, diventa "relativo": anche le lunghezze subiscono variazioni in funzione della velocità.

Meccanica Quantistica

• Mondo discreto (quanti)
• Processo di misurazione non controllabile

Ai primi del 1900 una serie di fenomeni non riusciva ad essere contemplata dal modello classico. Con una serie di geniali intuizioni abbiamo visto Planck riformulare le leggi di radiazione introducendo la quantizzazione dell'energia. Ovviamente non è solo l'energia ad essere quantizzata, ma anche altre variabili che sono tra di loro legate, come la quantità di moto per esempio. Il paradigma introdotto dice che la realtà, a livello molto piccolo, è discreta (vuol dire che ha valori discontinui). Inoltre per rappresentare cosa fa una grandezza in esame si ricorre alla "funzione d'onda": essa dà la probabilità che, ad esempio, una particella stia da qualche parte, o abbia una certa energia e costituisce l'equazione d Schrödinger e di Dirac. Entra nella fisica il concetto di osservatore. La MQ afferma che finché non c'è un'osservazione del fenomeno abbiamo solo una probabilità di accadere dello stesso. Quando effettuiamo l'osservazione è cose se avvenisse una scelta dei possibili valori, che fissa un valore che "osserveremo". Fino a che non osserviamo, potenzialmente abbiamo una serie di valori e non possiamo prevedere quale si manifesterà. Con l'osservazione è come se il sistema collassasse in un valore specifico. Questo apre a incredibili possibilità. È opportuno segnalare che ancora oggi questo fatto non è spiegato completamente. Esistono tuttora numerose interpretazioni della MQ, la più classica è quella dei suoi formulatori iniziali, Heisenberg e Bohr, detta Scuola di Copenhagen.

Dualismo onda particella

Con la MQ assistiamo ad una serie di fenomeni che sono molto diversi dalla nostra realtà ordinaria e dal nostro senso comune. Uno dei più noti è quello del dualismo onda particella. Se prendiamo una sorgente di luce ad esempio e facciamo passare i suoi raggi attraverso due fenditure, vediamo sullo schermo dietro le fenditure una figura di interferenza caratteristica delle fenomeni ondulatori delle onde quindi. Potete provare con le onde in una vasca. Se invece otturiamo una fenditura vediamo solo la linea luminosa della fenditura, effetto imputabile a delle particelle. Quindi abbiamo la verifica sperimentale che a volte la luce si comporta come un'onda, ed a volta come costituita da particelle. Gli effetti cambiano a seconda di come impostiamo l'osservazione, e quindi la percezione di essa. In realtà la luce è tutte e due le forme e diventa ai nostri occhi, anzi ai nostri strumenti di rilevazione, onde o particelle. Ancora oggi questo paradosso è rimasto insoluto, e costituisce uno degli elementi base della MQ.

Principio di indeterminazione

Secondo questo principio, enunciato da Heisenberg, non è possibile conoscere contemporaneamente e con precisione assoluta la velocità e la posizione di un particella, oppure la sua energia e quantità di moto (la quantità di moto, indicata con p, è uguale alla massa per la velocità: p=mv). Stiamo aggiungendo al paradigma la indeterminazione: il mondo non è misurabile a piacere, non possiamo avere le nostre grandezze tramite leggi deterministiche

Paradosso EPR

Einstein, insieme a Podolsky e Rosen, progettò un esperimento, detto EPR dalle iniziali degli autori, per verificare l'assunzione che la velocità della luce è il limite di velocità di trasmissione di tutti gli eventi. Secondo l'interpretazione della meccanica quantistica due particelle che hanno interagito rimangono in qualche maniera modificate, il termine che si usa è "entangled", "intrecciate". Quello che succede è che se una varia il suo stato l'altra è come se percepisse istantaneamente la variazione: è come se l'informazione viaggiasse a velocità infinita. Il termine entangled rende l'idea che le particelle rimangono in qualche modo connesse tra di loro, è come se sapessero in ogni momento cosa sta facendo l'altra. Questa cosa ad Einstein non piaceva, ma gli esperimenti fino ad ora confermano questo. Non si sa perché, ma si sa che le particelle "sentono" gli effetti a distanza e nello stesso istante. Forse nella nostra esperienza di lavoro, con il craniosacrale, e magari anche in altre situazioni, abbiamo a volte sperimentato qualcosa di simile? Per spiegarlo sono state adottate varie teorie, delle quali la più classica è quella della già citata scuola di Copenhagen.

Principio di sovrapposizione

Per capire meglio questo principio, un altro dei principi base della MQ, introdotto nel paragrafo sulla MQ, è meglio spiegare prima il concetto di "stato quantico". In MQ lo stato quantico è la rappresentazione di una delle possibili configurazione di una particella, o di un'onda (dualismo onda particella) in cui possiamo rilevarla. Le particelle hanno una serie di caratteristiche come la carica elettrica e lo spin[3] per esempio, così come una persona potrebbe essere identificabile secondo certe sue caratteristiche come il nome, la forma del viso, l'età, il sesso, ecc. Tutte queste informazioni costituiscono lo stato quantico della particella, o lo stato identificativo della persona. Il principio di sovrapposizione dice che una particella, o un'onda, sui può trovare in molti stati, ce esistono contemporaneamente e sono "sovrapposti", e nel momento in cui la rileviamo, facciamo la "misura" e quindi l'osservazione, uno solo di questi stati si manifesterà. Non possiamo prevedere quale sarà ma abbiamo soltanto una probabilità di manifestazione calcolabile tramite la funzione d'onda dell'equazione di Schrödinger e di Dirac.

[3] Per spin (trottola in inglese) si definisce il momento angolare intrinseco, ovvero la sua rotazione intorno al proprio centro. In MQ lo spin è il momento angolare intrinseco associato alla particella. Momento angolare = in maniera molto semplificativa la forza che si sente facendo ruotare un corpo.

Caos

• Elimina la prevedibilità deterministica (Laplace)

Per capire meglio dobbiamo definire cosa è un sistema statico ed uno dinamico. Un sistema statico non varia nel tempo, mentre un sistema dinamico è variabile nel tempo. Andiamo allora a vedere che un sistema dinamico è "caotico" se

• 1. può variare moltissimo a seconda delle condizioni iniziali, ovvero di cosa succede al momento i cui iniziamo a effettuare l'osservazione del sistema stesso;
  2. non è possibile prevedere cosa accadrà con assoluta certezza;
  3. tende ad assumere una situazione stabile anche se molto variabile.

Con l'ultima caratteristica si introduce l'"attrattore". Esiste un modo per tracciare graficamente l'evoluzione di un sistema in uno spazio che si definisce "spazio delle fasi" in cui ciò che accade diventa una traccia in questo grafico. Questa traccia nella descrizione di fenomeni inerenti il caos prende il nome di attrattore, perché si vede che forma una figura in cui queste varia tracce descrittive dei movimenti dell'oggetto di esame, anche se di volta in volta diverse, tendono a ricadere in un certo insieme di valori. La figura rende meglio l'idea. A seconda dei casi poi si potranno trovare vari tipi di attrattori, ma il concetto da tenere presente è che nel caso di un sistema caotico non possiamo sapere cosa farà esattamente ma possiamo prevedere ce seguirà un comportamento "entro certi limiti". Questi limiti sono gli estremi dell'attrattore, se vogliamo utilizzare n linguaggio un po' più matematico. Un tipico esempio della teoria del caos è quello della farfalla: un battito di ali di una farfalla può provocare un uragano in un'altra parte del mondo. È un famoso esempio della dipendenza dai fattori iniziali che possono essere anche molto piccoli e apparentemente insignificanti. Altri esempi che possiamo vedere tutti i gironi sono la forma delle nubi, la linea frastagliata della costa, una goccia di liquido che si espande nell'acqua, le evoluzioni del fumo di una sigaretta, tanto per citarne alcuni di facile sperimentazione. I ognuno di questi casi sappiamo cosa succederà ma on possiamo dare gli esatti modi di svolgersi del fenomeno; possiamo però dire cosa accadrà, indicare cioè il range dei possibili valori: questo è l'attrattore. Storicamente la prima stesura di questa teoria fu fatta nel tentativo di creare un modello per le previsioni meteorologiche.