La fisica nel '900: una rivoluzione scientifica

Tutti i miei tentativi di adattare i fondamenti teorici della fisica classica a queste nuove acquisizioni fallirono completamente. Era come se ci fosse mancata la terra sotto i piedi, e non si vedesse da nessuna parte un punto fermo su cui poter costruire..

(A. Einstein)

L’avvocato del diavolo :”La mente nessuno l’ha mai vista!”

Fisico quantistico: “L’elettrone neppure!”

(dialogo improbabile, ma possibile)

Premessa.

Scopo di questa scheda è individuare alcuni temi della fisica, e in particolare della fisica del XX secolo, concettualmente rilevanti sia per la visione del mondo, sia nell’ottica di una fondazione scientifica della psicologia. Punto di partenza è la constatazione che sia nel pensiero corrente, sia nelle scienze mediche e psicologiche si abbia una visione di “scientificità” legata essenzialmente alla fisica classica galileiano-newtoniana, meccanicistica e materialistica. La teoria della relatività prima e la meccanica quantistica (detta anche meccanica ondulatoria) poi, hanno invece portato una serie di rivoluzioni sia concettuali che epistemologiche di cui è essenziale prendere atto e che cercheremo qui di sintetizzare schematicamente.

Alcune date significative

· 1900: teoria del corpo nero (Planck); ipotesi dei quanti elettromagnetici E=hn (E=energia, n=frequenza, h=costante)

· 1905: teoria dell’effetto fotoelettrico; quanti di luce (fotoni) E=hn (Einstein)

· 1905: teoria della relatività ristretta (Einstein)

· 1913: modello planetario dell’atomo di Bohr

· 1916: teoria della relatività generale (Einstein)

· 1925: formulazione matriciale della meccanica quantistica (Heisenberg)

· 1926: formulazione ondulatoria della meccanica quantistica e teoria dell’atomo di idrogeno (Schrodinger)

Le principali rivoluzioni concettuali ed epistemologiche.

1. Dallo spazio e tempo assoluti (Euclide - Newton – Kant) al continuum spaziotemporale a 4 dimensioni di Einstein – Minkowski e allo spazio curvo di Riemann – Einstein

- Lo spazio e il tempo sono variabili tra loro intrecciate, che dipendono dal sistema di riferimento (dilatazione dei tempi, contrazione delle lunghezze, relatività del concetto di simultaneità)

- La gravità viene geometrizzata: le masse producono una curvatura dello spazio-tempo

2. La quantizzazione della luce e della materia, il dualismo onda-particella e il principio di complementarietà di Bohr

A- La luce

Il secolare dibattito tra teoria corpuscolare (newton) e teoria ondulatoria (Huygens,Maxwell) trova una sintesi: non esiste l’etere, cioè un ipotetico “mezzo” in cui si propaghi la luce (esperimento di Michelson Morley); la luce è “energia pura” (senza massa), ed è quantizzata, cioè è suddivisa in unità fondamentali non ulteriormente divisibili; essa si propaga attraverso campi ondulatori (aspetto ondulatorio) e in certi casi è rilevabile come particelle battezzate da Einstein “fotoni” (aspetto corpuscolare)

B- La materia

Un quanto di materia (ad es. un elettrone) è descritto da una funzione d’onda y , ha cioè delle proprietà tipiche delle onde (ad es. ha una lunghezza d’onda e una frequenza di vibrazione, mostra fenomeni di interferenza e diffrazione), ma in alcune condizioni può essere rilevato come particella

C- Il paradosso del dualismo onda-particella

Dunque la luce e la materia sono onde? Sono particelle? La risposta è: dipende dal tipo di esperimento, cioè dal tipo di “domanda” che viene fatta alla natura (principio di complementarietà): in altre parole, per citare Heisenberg, la natura risponde in modo differente a seconda del tipo di domande che le vengono fatte. Comunque c’è una intrinseca inadeguatezza del linguaggio - modellato sulla nostra esperienza della realtà macroscopica – nel momento in cui cerchiamo di descrivere il mondo atomico e subatomico.

3. Dal determinismo causale alla probabilità di eventi

- Interpretazione probabilistica della funzione d’onda y

- Orbitale atomico come “nuvola” di probabilità (NON come orbita: il modello “planetario” dell’atomo è fuorviante: vedi più sotto alcune immagini di nuvole di probabilità)

- La Meccanica Quantistica dà informazioni statistiche sui grandi numeri, ma NON DA’ PREDIZIONI CERTE SUL SINGOLO EVENTO (es. se considero un SINGOLO NUCLEO di C¹⁴radioattivo, NON SO predire quando decadrà, ma posso solo fornire la probabilità di decadimento!!!!)

- Esiste un limite intrinseco alla conoscibilità del mondo microscopico: infatti per effettuare una misura su un oggetto devo interagire con esso: ciò modifica lo stato dell’oggetto stesso. Se ad esempio misuro la posizione di un elettrone colpendolo con un fotone, non potrò misurare contemporaneamente la sua velocità, anzi avrò distrutto ogni informazione sulla velocità

- Le relazione di indeterminazione riguardano grandezze dette coniugate: posizione- velocità (o quantità di moto); tempo-energia.

5. Dagli oggetti “in sé” alla inseparabilità di soggetto e oggetto

- Impossibilità della neutralità dello sperimentatore (non più osservatore ma partecipatore). Secondo alcune interpretazioni la coscienza stessa dello scienziato fa parte del sistema sperimentale.

6. Verso una visione non-dualistica e interconnessa del mondo: l’equivalenza materia-energia (E=mc²) e il principio di non-località

- Non è corretto descrivere il mondo materiale come costituito da oggetti elementari solidi: esso è piuttosto una rete interconnessa di manifestazioni diverse di energia, più o meno “dense”, ma non separate. In particolare si stempera il dualismo energia-materia.

- Caratteristica dei processi quantistici è la non-località, cioè il fatto che parti lontane di uno stesso sistema interagiscono tra loro istantaneamente (cioè la comunicazione avviene a velocità infinita e non alla velocità della luce come previsto dalla relatività einsteiniana).

Riflessioni conclusive: la scienza come intreccio di teoria ed esperimento in sviluppo storico

Tutti i punti sopra accennati sono estremamente fecondi per una rinnovata riflessione scientifica sulla psicologia:

- relatività del tempo e dello spazio

- ineliminabile interferenza dello sperimentatore sul sistema in esame

- accettabilità scientifica di situazioni linguisticamente paradossali (es. manifestazione di un oggetto a volte come onda a volte come particella: mi viene in mente al proposito il dibattito in psicologia tra sostenitori delle rappresentazioni mentali proposizionali e delle rappresentazioni iconiche…)

- impossibilità della scienza di fornire predizioni certe su un evento atomico (!) ma solo informazioni di tipo probabilistico

- equivalenza materia energia: sembra essere la cornice concettuale di una riunificazione corpo-mente

Lascio questi punti alla riflessione personale e al dibattito in aula.

Rappresentazione visiva di alcuni orbitali atomici

Quello che vorrei qui brevemente aggiungere è un aspetto fondamentale dal punto di vista epistemologico, che ho cercato di sintetizzare in apertura di questa scheda con lo scambio di battute tra l’ ”avvocato del diavolo” e il “fisico quantistico”.

Non bisogna spaventarsi di questo: la scienza è un fenomeno umano, soggetta, come sottolinea Kuhn, a momenti di crisi, a rivoluzioni di paradigma e a fenomeni anche di tipo sociologico.

In questa mappatura del reale la scienza procede - da Galileo in poi – attraverso una forte e costante interazione tra momento teorico (intuizioni, ipotesi, formulazioni matematiche, processi deduttivi) e verifica sperimentale. In questo processo si finisce spesso per reificare l’ipotesi, cioè in parole più semplici, per considerare per vero e certo ciò che, più correttamente, bisognerebbe chiamare concetto interpretativo.

L’energia esiste? Un elettrone esiste? E che cosa sono? Il modo più corretto per definirli è dire che sono dei CONCETTI UNIFICANTI, che spiegano in modo unitario una serie di diverse fenomenologie e risultati sperimentali. Non bisogna dunque aver timore della formulazione di concetti esplicativi anche in psicologia: la differenza è che il “sistema uomo” è un sistema complesso, nel senso tecnico del termine (cioè con un elevato numero di componenti interne co-interagenti tra loro), dunque la sua descrizione è compatibile con diversi modelli descrittivi, che ne colgono aspetti differenti: l’importante sarà costruire delle reti concettuali che permettano di far dialogare tra loro i diversi approcci, in modo da costruire un mosaico conoscitivo unitario.

A proposito di differenti approcci interpretativi, per finire vorrei ritornare allo specifico della Meccanica Quantistica, ricordando che Einstein, uno dei padri fondatori, non si rassegnò mai all’indeterminismo sancito dal principio di Heisenberg: per tutta la vita cercò, insieme ad una minoranza di scienziati “dissidenti” (!), di costruire una fisica del microscopico deterministica, fondata sull’introduzione delle cosiddette variabili nascoste, variabili cioè non prese ancora in considerazione nella corrente formulazione della teoria: solo negli anni ’80 si hanno avute prove sperimentali sufficientemente convincenti per abbandonare il tentativo di Einstein.

Università degli Studi di Torino
Facoltà di Psicologia
Anno accademico 2001-2002

Corso di Psicosomatica

Materiali per il corso a cura degli studenti: