Il primo passo per fare scienza in termini moderni è osservare il mondo che ci circonda. Ma come? Quali sono gli strumenti che ci permettono di osservare il mondo delle particelle elementari? E cosa comporta la loro osservazione?
Consideriamo prima di tutto come osserviamo il mondo che ci circonda nel quotidiano. Tipicamente noi vediamo perché la luce – sonda – colpisce gli oggetti che ci circondano – bersaglio, rimbalza su di essi e giunge ai nostri occhi – rivelatore, dove la retina trasforma i fotoni in segnali elettrici che il nostro cervello elabora – calcolatore. Oggi peraltro sappiamo che anche i fotoni sono delle particelle elementari e che in effetti il nostro processo di visualizzazione macroscopico non è molto differente da ciò che viene fatto per vedere gli attuali costituenti elementari della materia. In questo caso la sorgente è un qualcosa che produce artificialmente le sonde, cosi come la lampadina produce artificialmente la luce, detto acceleratore di particelle. Il bersaglio è l’atomo o la particella elementare che vogliamo studiare ovvero, determinarne le proprietà (posizione, massa, carica elettrica, energia, velocità, momento magnetico, ecc). Il rivelatore è un dispositivo elettronico, capace di trasformare le sonde che hanno colpito il bersaglio in un segnale elettrico, per poi acquisirlo e trasferirlo ai calcolatori che lo elaborano ed archiviano – una normale macchina fotografica digitale e’ un esempio di rivelatore di fotoni.
Quindi non c’è molta differenza nel processo con cui osserviamo il mondo macroscopico e quello microscopico, se non per il fatto che in quest’ultimo, sonda e bersaglio hanno le stesse dimensioni e che le particelle seguono delle regole, quelle della meccanica quantistico-relativistica, che non sono parte dell’esperienza comune.
Il fatto comunque che sonda e bersaglio abbiano le stesse dimensioni è già una differenza non da poco: tutti abbiamo giocato a biliardo e sappiamo che nonostante le ore passate a esercitarci, trasmettere attraverso la palla bianca le proprietà (posizione e velocità – o meglio, impulso) che ci interessano alle altre palle è molto difficile, e pensate che noi dobbiamo fare il contrario! Ad occhi chiusi, da come torna indietro la palla bianca, dobbiamo capire chi ha colpito e cosa ha fatto… Quando sonda e bersaglio hanno le stesse dimensioni, il processo di osservazione si complica, è come se il muro della stanza nella quale ci troviamo vibrasse continuamente: l’immagine che otterremo con i nostri occhi sarebbe sfocata.
In teoria se noi conoscessimo perfettamente le condizioni della palla bersaglio, che sono proprio quelle che dobbiamo indagare, in ogni caso potremmo risalire attraverso l’interazione con la sonda in modo completo ad una misura dello stato finale del sistema. Questo in un certo senso era quello che pensava Einstein quando criticava la meccanica quantistica, con la nota frase “Dio non gioca a dadi”. Secondo Einstein esistevano delle variabili nascoste che non siamo ancora riusciti a rendere degli osservabili che permettano di spiegare il mondo subatomico in modo deterministico.
La realtà è che il mondo quantistico è governato dal principio d’indeterminazione di Heidelberg, dove è impossibile determinare con precisione assoluta la posizione e l’impulso delle particelle subatomiche, e questa è un proprietà non solo delle equazioni che sperimentalmente sono verificate dalle osservazioni ma in generale una proprietà del mondo microscopico. Esiste un’alone di incertezza, che secondo l’interpretazione moderna della meccanica quantistica (Teorema di Bell) non permette di costruire una teoria che spieghi il comportamento del mondo quantistico attraverso delle variabili nascoste se vogliamo che questa teoria rispetti il fatto che l’informazione non si propaghi a velocità infinita (principio di località).
Il mondo subatomico viene quindi descritto solo in termini probabilistici e la scienza che si occupa di ricostruire l’informazione dai dati è la statistica. Definiremo quindi una distribuzione di probabilità e misureremo un valore medio, una varianza, un insieme di dati distribuiti che rispecchieranno l’incapacità di determinare con assoluta certezza quello che accade.

Venerdì 18 Marzo, ore 17 a Palestrina la seconda lezione all’Università delle TRE ETA  (info http://www.frascatiscienza.it/eventlist/?evs=941). Parleremo di come vediamo il mondo delle particelle elementari, con quali strumenti e come possiamo utilizzare quello che scopriamo.