capitolo 4 <<

 di Alan Woods e Ted Grant  

 

Duemila anni fa si credeva che le leggi dell’Universo fossero state completamente spiegate dalla geometria di Euclide e non ci fosse altro da dire. È l’illusione di ogni epoca. Per molto tempo dopo la sua morte, gli scienziati pensarono che Newton avesse detto l’ultima parola sulle leggi dell’Universo. Laplace si lamentava del fatto che esistesse un solo universo e che Newton avesse avuto la fortuna di scoprirne tutte le leggi. Per duecento anni la teoria newtoniana della natura corpuscolare della luce fu generalmente accettata in contrapposizione a quella sostenuta dal fisico olandese Huygens, secondo cui la luce era un’onda. Più avanti la teoria corpuscolare fu confutata dal francese A. J. Fresnel, la cui teoria ondulatoria fu confermata dagli esperimenti di J. B. L. Foucault. Newton aveva ipotizzato che la luce, che viaggia a 300.000 km al secondo nel vuoto, viaggiasse più velocemente nell’acqua. Invece i sostenitori della teoria ondulatoria prevedevano una velocità minore e ciò fu successivamente confermato.

Tuttavia, il grande passo avanti nella teoria ondulatoria fu fatto dal grande scienziato scozzese James Clerk Maxwell nella seconda metà dell’Ottocento. Maxwell, basandosi in primo luogo sul lavoro sperimentale di Michael Faraday, che aveva scoperto l’induzione elettromagnetica, studiò le proprietà del magnete, i cui due poli, nord e sud, implicano forze invisibili che hanno effetto fino a un livello planetario. Maxwell diede a queste scoperte empiriche un’espressione universale traducendole in termini matematici. I suoi studi portarono alla definizione del concetto di campo, sul quale successivamente Einstein basò la sua teoria generale della relatività. Ogni nuova generazione poggia sulle spalle di quelle precedenti, negando e preservando allo stesso tempo le loro scoperte, svolgendo una continua opera di approfondimento e plasmandole in una forma ed un contenuto più generali.

Sette anni dopo la morte di Maxwell, Hertz scoprì l’esistenza delle onde elettromagnetiche teorizzate da Maxwell. La teoria corpuscolare, predominante dai tempi di Newton, sembrava confutata dall’elettromagnetismo di Maxwell. Ancora una volta gli scienziati credevano di avere trovato una teoria che poteva spiegare tutto. Mancavano solo alcune questioni da chiarire, dopodiché ci sarebbe stato noto veramente tutto sul funzionamento dell’Universo. Ovviamente permanevano alcune incongruenze che creavano dei problemi, ma sembravano piccoli dettagli che si potevano tranquillamente ignorare. Tuttavia, nel corso di pochi decenni tali “lievi” discrepanze risultarono sufficienti a far crollare tutto l’edificio, provocando una vera e propria rivoluzione scientifica.

 

Onde o particelle?

Tutti sanno cos’è un’onda. È una caratteristica comunemente associata all’acqua. Così come un’anatra può provocare delle onde sulla superficie di uno stagno, allo stesso modo una particella carica, un elettrone per esempio, può provocare un’onda elettromagnetica, quando attraversa lo spazio. Il movimento oscillatorio dell’elettrone disturba i campi elettrici e magnetici, creando onde che si espandono continuamente come quelle di uno stagno. Ovviamente l’analogia è solo approssimativa. C’è una differenza fondamentale tra un’onda nell’acqua ed un’onda elettromagnetica. Quest’ultima non richiede un mezzo continuo, come l’acqua, attraverso cui propagarsi. Un’oscillazione elettromagnetica è una perturbazione periodica che si propaga attraverso la struttura elettrica della materia. Tuttavia il paragone può aiutare a chiarire il concetto.

Il fatto che non vediamo queste onde non vuol dire che la loro presenza non possa essere rilevata nella vita quotidiana. Abbiamo l’esperienza diretta delle onde luminose, delle onde radio e perfino dei raggi X. L’unica differenza tra di esse è la loro  frequenza. Sappiamo che un’onda nell’acqua farà muovere su e giù un oggetto galleggiante più o meno velocemente a seconda dell’intensità dell’onda, che sia provocata dall’anatra oppure da un motoscafo. Allo stesso modo le oscillazioni degli elettroni sono proporzionali all’intensità dell’onda luce.

Le equazioni di Maxwell, confermate dagli esperimenti di Hertz ed altri, fornivano decisivi elementi a sostegno della teoria secondo cui la luce consiste di onde di natura elettromagnetica. Tuttavia, all’inizio di questo secolo si stavano accumulando dati i quali suggerivano che la teoria non fosse corretta. Max Planck nel 1900 aveva dimostrato che la teoria ondulatoria classica faceva delle previsioni che non venivano confermate nella pratica e sviluppò la teoria secondo cui la luce fosse composta da particelle discrete o “pacchetti” (quanti). La situazione divenne più complessa poiché i diversi esperimenti dimostravano cose diverse. Si poteva dimostrare che un elettrone fosse una particella facendolo scontrare contro uno schermo fluorescente ed osservando lo scintillio risultante; oppure osservando le tracce lasciate da un elettrone in una camera di Wilson; o dal piccolissimo puntino che appariva su una lastra fotografica sviluppata. Invece se si praticano due fori su una superficie schermata e poi si lasciano scorrere elettroni provenienti da una singola sorgente, questi producono un’interferenza, il che indica la presenza di un’onda.

Tuttavia il risultato più singolare fu ottenuto nel celebre esperimento in cui un unico elettrone veniva sparato contro uno schermo con due fessure, dietro al quale era posta una lastra fotografica. Attraverso quale delle due fessure passava l’elettrone? L’effetto da interferenza impresso sulla lastra era chiaramente quello prodotto da due fori. Ciò dimostra che l’elettrone doveva essere passato per ambedue, creando poi l’interferenza. Questo va contro tutte le leggi del senso comune, eppure è stato dimostrato inconfutabilmente. L’elettrone si comporta sia come una particella, sia come un’onda: occupa due (o più) posizioni nello stesso momento e contemporaneamente si trova in diversi stati di movimento!

"Non dobbiamo pensare – è il commento di Banesh Hoffmann – che gli scienziati accettarono queste nuove idee con gioia. Hanno opposto una tenace resistenza ad esse con tutte le loro forze, inventando tutta una serie di ipotesi alternative nel vano tentativo di evitarle. Ma questi paradossi erano evidenti già dal 1905, ed anche prima, per quanto riguarda la luce, e nessuno ebbe il coraggio o il genio per risolverli fino all’avvento della nuova meccanica quantistica. Le nuove idee sono così difficili da accettare perché tentiamo ancora istintivamente di rappresentarle nei termini del precedente concetto di particella, malgrado il principio di indeterminazione di Heisenberg. Ancora rifuggiamo dall’immaginare un elettrone come un’entità che, in quanto in moto, non abbia posizione, e in quanto in una posizione non sia in moto o a riposo".1

Qui vediamo all’opera la negazione della negazione. A prima vista sembra di essere tornati all’inizio. La teoria corpuscolare di Newton viene negata dalla teoria ondulatoria di Maxwell, che a sua volta è smentita dalla nuova teoria corpuscolare proposta da Planck ed Einstein. Non si tratta però di un ritorno alla vecchia teoria newtoniana, bensì di un balzo in avanti qualitativo, una vera rivoluzione scientifica. Tutta la scienza dovette essere rivista, compresa la legge della gravitazione di Newton.

Questa rivoluzione non invalidò le equazioni di Maxwell, le quali sono ancora utili per un vasto campo di operazioni. Semplicemente dimostrò che oltre certi limiti le idee della fisica classica non si possono più applicare. I fenomeni del mondo subatomico non possono essere compresi con i metodi della meccanica classica; qui entrano in gioco le idee della meccanica quantistica e della relatività. La maggior parte di questo secolo ha visto la fisica dominata dalla teoria della relatività e della meccanica quantistica, le quali inizialmente vennero totalmente rifiutate dall’establishment scientifico che si aggrappava alle vecchie idee. È una lezione importante: qualsiasi tentativo di imporre una “soluzione finale” alla nostra visione dell’universo è destinata a fallire.

 

La meccanica quantistica

Lo sviluppo della fisica quantistica rappresentò un gigantesco passo in avanti della scienza, una rottura decisiva con il vecchio e paralizzante determinismo meccanico della fisica “classica” (il metodo “metafisico” come lo avrebbe chiamato Engels). Al suo posto abbiamo un modo di vedere la natura molto più flessibile, dinamico o - per dirlo con una parola - dialettico. A partire dalla scoperta di Planck dell’esistenza del quanto, che inizialmente sembrava un piccolo dettaglio, la fisica fu trasformata totalmente. Si sviluppò un nuovo approccio in grado di spiegare il fenomeno del decadimento radioattivo e di analizzare nei minimi dettagli i complessi dati della spettroscopia. Esso portò direttamente alla nascita di una nuova scienza, la chimica teorica, in grado di fornire una risposta a questioni che precedentemente erano sembrate insolubili. In generale, tutta una serie di difficoltà teoriche fu eliminata una volta accettati i nuovi concetti. La nuova fisica portò alla luce le incredibili forze racchiuse nel nucleo atomico. Da ciò è derivato direttamente lo sfruttamento dell’energia nucleare: con la potenziale distruzione della vita sulla terra oppure la prospettiva di inimmaginabile abbondanza e di progresso sociale attraverso l’utilizzo pacifico della fusione nucleare. La teoria della relatività di Einstein spiega che massa ed energia sono equivalenti. Se si conosce la massa di un oggetto e si moltiplica per il quadrato della velocità della luce otteniamo il suo equivalente in energia.

Einstein dimostrò che la luce, fino a quel momento considerata un’onda, si comporta come una particella. In altre parole la luce è semplicemente un’altra forma di materia. Questo fu confermato nel 1919 quando si dimostrò che la luce si piega sotto l’azione della forza di gravità. Louis de Broglie in seguito spiegò che la materia, che si pensava composta da particelle, possedeva anche caratteristiche ondulatorie. La divisione tra la materia e l’energia fu abolita una volta per tutte. Materia ed energia sono… la stessa cosa. Ciò rappresentava un grande passo avanti per la scienza. Dal punto di vista del materialismo dialettico la materia e l’energia sono la stessa cosa. Engels descriveva l’energia, “moto”, come “modo di essere, come attributo inerente alla materia”.2 

La domanda che dominava da anni la fisica delle particelle (se le particelle subatomiche, come i fotoni o gli elettroni, fossero particelle o onde) fu finalmente risolta dalla meccanica quantistica, la quale affermava che le particelle subatomiche potevano comportarsi sia come particelle che come onde. Come un’onda la luce produce interferenze, eppure un fotone di luce rimbalza contro un elettrone esattamente come una particella. Questo va contro le leggi della logica formale. Come può il “senso comune” accettare che un elettrone possa trovarsi in due posti allo stesso tempo? Oppure muoversi ad incredibili velocità, simultaneamente, in diverse direzioni? Che la luce potesse comportarsi allo stesso tempo sia come particella che come onda era visto come una contraddizione intollerabile. I tentativi di spiegare i fenomeni contraddittori del mondo subatomico in termini di logica formale portano al totale abbandono del pensiero razionale. Nella sua conclusione ad un saggio sulla rivoluzione quantistica, Banesh Hoffmann è arrivato perfino ad affermare:

"Quanto più dobbiamo meravigliarci di fronte ai poteri miracolosi di Dio che ha creato il Cielo e la Terra da un’essenza primordiale di una finezza talmente squisita dalla quale ha potuto formare cervelli e menti animati col dono divino della chiaroveggenza, capace di penetrare i suoi misteri. Se le menti di un semplice Bohr o di un Einstein ci colpiscono per il loro potere, come possiamo iniziare a decantare la gloria di Dio che le ha create?".3

Purtroppo non è un caso isolato. Gran parte della letteratura moderna sulla scienza, compresi molti scritti degli scienziati stessi, è profondamente impregnata di queste nozioni mistiche, religiose o semi-religiose. Questo è il risultato diretto della filosofia idealista che un gran numero di scienziati ha adottato, in modo più o meno consapevole.

Le leggi della meccanica quantistica si scontrano frontalmente con il “senso comune” (cioè con la logica formale), ma stanno in perfetta sintonia con il materialismo dialettico. Consideriamo, ad esempio, il concetto di punto. Tutta la geometria tradizionale deriva dal punto, che a sua volta diventa una linea, un piano, un cubo, ecc. Eppure un’osservazione più attenta rivela che il punto non esiste.

Il punto è concepito come la minima espressione  dello spazio, qualcosa priva di dimensioni. Ma in realtà, tale punto è fatto di atomi: elettroni, nuclei, fotoni e particelle ancora più piccole. In ultima istanza esso si annulla nel flusso incessante di onde di quanti. E il processo non ha fine; non esiste nessun “punto” fisso. Questa è la risposta definitiva agli idealisti che cercano “forme” perfette che secondo loro stanno “oltre” la realtà materiale osservabile. L’unica “realtà estrema” è l’universo infinito, eterno e perennemente in trasformazione, il quale è molto più meraviglioso nella sua infinita varietà di forme e di processi delle più favolose avventure fantascientifiche. Al posto del “punto” fisso, abbiamo un processo, un flusso senza fine. Ogni tentativo di delimitarlo con un inizio o una fine inevitabilmente fallirà.

 

La scomparsa della materia?

Molto tempo prima della scoperta della relatività, la scienza aveva scoperto due princìpi fondamentali: la conservazione dell’energia e la conservazione della massa. Il primo venne formulato da Leibniz nel Seicento e successivamente sviluppato nell’Ottocento come corollario di un principio della meccanica. Ancora prima di ciò, l’uomo primitivo aveva scoperto nella pratica il principio dell’equivalenza del lavoro e del calore, quando otteneva il fuoco con l’attrito, trasformando una determinata quantità di energia (lavoro) in calore. All’inizio di questo secolo, si scoprì che la massa non era altro che una delle forme dell’energia. Una particella di materia è energia altamente concentrata e localizzata. La quantità di energia concentrata in una particella è proporzionale alla sua massa e la somma totale di energia resta sempre la stessa. La perdita di energia in una forma viene compensata dal guadagno di energia in un’altra forma. Dunque, pur mutando costantemente forma, l’energia rimane la stessa.

La rivoluzione effettuata da Einstein fu quella di dimostrare che la massa stessa contiene un’enorme quantità di energia. L’equivalenza tra massa ed energia si esprime nella formula E=mc2, in cui c rappresenta la velocità della luce (circa 300.000 chilometri al secondo), E è l’energia contenuta nel corpo in quiete, e m è la sua massa. L’energia contenuta nella massa m è uguale alla sua massa, moltiplicata per il quadrato della velocità della luce. La massa è dunque una forma immensamente concentrata dell’energia, la cui entità si può concepire considerando che l’energia liberata da un’esplosione atomica è il risultato della trasformazione di meno dello 0,1% della massa. In condizioni normali questa enorme quantità di energia racchiusa nella materia non si manifesta e dunque non viene notata, ma se i processi all’interno del nucleo raggiungono un punto critico una parte dell’energia viene rilasciata sotto forma di energia cinetica.

Dato che la massa non è che una forma di energia, la materia e l’energia non possono essere né create né distrutte. D’altra parte, le forme dell’energia sono estremamente varie. Ad esempio, quando i protoni nel Sole si uniscono per formare nuclei di elio viene emessa energia nucleare. Questa può apparire in principio come energia cinetica del moto dei nuclei, che contribuisce all’energia termica del Sole. Una parte di questa energia viene emessa dal Sole sotto forma di fotoni, che contengono particelle di energia elettromagnetica. Quest’ultima, a sua volta, viene trasformata dal processo di fotosintesi in energia chimica nelle piante, che a sua volta viene assimilata dall’uomo che si nutre dei vegetali o degli animali che a loro volta li hanno mangiati, per ottenere calore ed energia per i muscoli, la circolazione del sangue, il cervello, ecc. 

In generale le leggi della fisica classica non possono essere applicate ai processi subatomici. Tuttavia c’è una legge in natura che non conosce eccezioni: quella, appunto, della conservazione dell’energia. I fisici sanno che né una carica positiva né una negativa possono essere create dal nulla. Questo dato di fatto è espresso dalla legge della conservazione della carica elettrica. Così nella formazione di una particella beta, la scomparsa di un neutrone (che non ha carica) dà vita a due particelle con cariche opposte, un protone con carica positiva ed un elettrone con carica negativa. Messe insieme, le due nuove particelle hanno una carica totale uguale a zero.

Se prendiamo il processo opposto, quando un protone emette un positrone e si trasforma in neutrone, la carica della particella originale (il protone) è positiva e la risultante coppia di particelle (il neutrone ed il positrone) ha una carica positiva. In tutta questa miriade di cambiamenti, la legge della conservazione della carica elettrica viene rigidamente mantenuta, così come tutte le leggi della conservazione. Neanche la frazione più infinitesimale di energia viene creata o distrutta e mai tale fenomeno si verificherà.

Quando un elettrone e la sua antiparticella, il positrone, si distruggono a vicenda, la loro massa “scompare”, viene cioè trasformata in due particelle di luce (fotoni) che si separano. Tuttavia queste conservano la somma di energia delle due particelle da cui sono state originate. La massa-energia, la quantità di moto lineare e la carica elettrica si conservano. Questo fenomeno non ha niente a che fare con la scomparsa intesa come annientamento. Dialetticamente, l’elettrone e il positrone vengono negati e conservati allo stesso tempo. La materia e l’energia (che sono semplicemente due modi di esprimere la stessa cosa) non possono essere né create, né distrutte, ma solo trasformate.

Dal punto di vista del materialismo dialettico, la materia è la realtà oggettiva percepibile con l’uso dei sensi. Questo fenomeno comprende non solo gli oggetti “solidi”, ma anche la luce. I fotoni sono materia tanto quanto gli elettroni o i positroni. La massa si trasforma costantemente in energia (compresa la luce, i fotoni) e l’energia in massa. “L’annientamento” di un positrone e di un elettrone produce una coppia di fotoni, ma vediamo anche il processo opposto: quando si incontrano due fotoni, si possono produrre un elettrone ed un positrone, a condizione che i fotoni contengano sufficiente energia. Questo fatto a volte viene presentato come la creazione della materia “dal nulla”, ma non è affatto così. Quello che qui osserviamo non è né distruzione, né creazione, bensì la trasformazione continua della materia in energia e viceversa. Quando un fotone colpisce un atomo, cessa di esistere come fotone. Scompare, ma provoca un cambiamento nell’atomo: un elettrone passa da un’orbita ad un’altra di più alto livello energetico. Anche in questo caso si verifica il processo inverso. Quando un elettrone passa ad un’orbita di energia più bassa viene emesso un fotone.

Il processo di cambiamento costante che caratterizza il mondo subatomico è una brillante conferma che la dialettica non è una semplice invenzione soggettiva della mente, ma corrisponde a processi oggettivi in atto nella natura. Questo processo si svolge ininterrottamente per tutta l’eternità. È una dimostrazione concreta della indistruttibilità della materia, esattamente il contrario di quello che doveva dimostrare.

 

“Mattoni della materia”?

Da secoli gli scienziati cercano invano di scoprire i “mattoni della materia”, l’ultima e più piccola particella. Cento anni fa credevano di averla trovata nell’atomo (che in greco significa “ciò che non può essere diviso”). La scoperta delle particelle subatomiche spinse i fisici a penetrare più a fondo nella struttura della materia. Nel 1928 gli scienziati credettero di aver scoperto le particelle più piccole: protoni, elettroni e fotoni; si supponeva che tutto il mondo materiale fosse composto da queste tre particelle. Successivamente questa idea fu spazzata via dalla scoperta del neutrone, del positrone, del deuterone e di tutta una serie di particelle, sempre più piccole e con una esistenza sempre più breve: neutrini, mesoni pi, mesoni mu, mesoni k e molte altre. Il ciclo vitale di alcune di queste particelle è così evanescente, forse un miliardesimo di secondo, che sono state definite “particelle virtuali”, una cosa totalmente inconcepibile nell’epoca prequantistica.

Il tauone esiste solo per un trilionesimo di secondo, prima di trasformarsi in un muone (mesone mu) e poi in un elettrone. Il pione neutro è ancora più evanescente, dividendosi in meno di un quadrilionesimo di secondo per dar vita a due raggi gamma. Tuttavia queste particelle gamma hanno una vita piuttosto lunga se paragonate ad altre che hanno una vita di solo un centesimo di microsecondo. Alcune, come il sigma neutro, si disintegrano dopo un centesimo di trilionesimo di secondo. Negli anni Sessanta anche questo fu superato dalla scoperta di particelle così evanescenti che la loro esistenza poteva essere postulata solo in base alla necessità di spiegare i prodotti della loro disintegrazione. Il periodo di dimezzamento di queste particelle è nell’ordine di pochi trilionesimi di secondo. Sono chiamate particelle di risonanza

Eppure neanche questa era la fine della storia; successivamente furono scoperte più di centocinquanta nuove particelle, alle quali si diede il nome adroni. La situazione stava diventando estremamente confusa. Un fisico americano, il dottor Murray Gell-Mann, nel tentativo di dare una spiegazione alla struttura delle particelle subatomiche, postulò l’esistenza di ulteriori particelle fondamentali, i quark, che ancora una volta furono annunciati come i “componenti ultimi della materia”. Gell-Mann teorizzò l’esistenza di sei tipi diversi di quark e che la famiglia dei quark era analoga ad una famiglia di sei componenti più leggeri detti leptoni. Ora si supponeva che tutta la materia fosse composta da queste dodici particelle. Anche queste, le forme più elementari della materia sinora conosciute, posseggono le stesse qualità contraddittorie che osserviamo in tutta la natura, secondo la legge dialettica dell’unità degli opposti. Anche i quark esistono in coppie e possiedono una carica positiva e una negativa, sebbene questa venga espressa, insolitamente, come frazione.

Nonostante l’esperienza abbia dimostrato che non c’è limite alla materia, gli scienziati persistono nella vana ricerca dei “mattoni della materia”. È vero che questa terminologia è frutto di invenzioni sensazionalistiche sbandierate dai giornalisti e da alcuni scienziati con un esagerato istinto di autopromozione e che la ricerca di particelle sempre più piccole e fondamentali è un’attività scientifica legittima che serve ad approfondire la nostra conoscenza della natura. Tuttavia, rimane senza dubbio l’impressione che almeno alcuni di essi credono davvero nella possibilità di pervenire ad una specie di ultimo livello della realtà, oltre il quale non rimane niente da scoprire, almeno a livello subatomico.

Il quark sarebbe l’ultimo di dodici “mattoncini” subatomici che si dice formino tutta la materia.

"La cosa emozionante è che questo sarebbe l’ultimo pezzo della materia così come noi la conosciamo, come previsto dalla cosmologia e dal modello standard della fisica delle particelle; secondo il dott. David Schramm, 'è l’ultimo pezzo del puzzle'".4

Così il quark sarebbe “la particella ultima”; si dice che sia fondamentale e priva di struttura. Ma simili affermazioni sono state fatte in passato sull’atomo, poi sul protone, e così via. E allo stesso modo possiamo prevedere con fiducia la scoperta di forme della materia ancora più “elementari” in futuro. Il fatto che l’attuale livello della nostra conoscenza e della nostra tecnologia non ci permetta di determinare le proprietà del quark non ci autorizza ad affermare che non abbia una struttura. Le proprietà del quark sono ancora in attesa di un’analisi, ma non c’è motivo per ritenere che questa non sarà compiuta, per indicarci la strada verso una penetrazione ancora più profonda nelle proprietà illimitate della materia. È così che la scienza ha sempre proceduto. Le barriere della conoscenza, apparentemente invalicabili, erette da una generazione vengono capovolte dalle successive, e così via da un’epoca all’altra. Tutta l’esperienza passata ci dà motivo di ritenere che questo processo dialettico di avanzamento della conoscenza umana sia tanto infinito quanto l’universo stesso.

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Note

1. Banesh Hoffman, The Strange Story of the Quantum, pag. 147.

2. Friedrich Engels, Dialettica della natura, pag. 85

3. Banesh Hoffman, op. cit., pagg. 194-195.

4. Financial Times, 1 aprile 1994, (l'evidenziatura è nostra).