Fisica quantistica

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I primi decenni del '900 sono stati il teatro di accesi dibattiti su specifici oggetti dell'indagine filosofica e sul suo statuto epistemologico, messi in discussione dalle scoperte della nuova scienza - dalle geometrie non euclidee, dalla teoria della relatività e soprattutto dal principio di indeterminazione di Heisenberg nel 1927. Una mina per la categoria filosofica di causalità come successione necessaria nel tempo, se si assume l'impossibilità dimostrata dalla meccanica quantistica di determinare contemporaneamente la posizione e il momento di una particella elementare. Grete Hermann, nel saggio del 1935 qui per la prima volta tradotto, entra nel vivo della questione con l'intento di mostrare la validità delle tesi del criticismo kantiano riabilitando la nozione di causa e mostrando inaspettate affinità fra l'indagine fisica e quella filosofica: una lezione di metodo per smorzare le odierne contrapposizioni tra filosofia e scienza.

Da sempre l'innovativo lavoro di Frank Wilczek nella fisica quantistica è ispirato dalla sua ricerca di un più profondo ordine della bellezza nella natura: dall'assunto che l'universo incarni forme bellissime le cui caratteristiche sono la simmetria - armonia, equilibrio, proporzione - e l'economia. Wilczek non è certo l'unico grande scienziato che traccia la sua rotta usando come bussola la bellezza. Come rivela in "Una bellissima domanda", questa fu la base delle ricerche scientifiche a partire da Pitagora, il primo a sostenere che "tutto è numero", per arrivare a Galileo, Newton, Maxwell, Einstein e alle acque profonde della fisica del Novecento. Anche se gli antichi non avevano ragione riguardo a ogni cosa, la loro fede appassionata nella musica delle sfere si è rivelata giusta fino al livello quantistico. Esplorando il fitto intreccio tra le nostre idee sulla bellezza e sull'arte e la comprensione scientifica del cosmo, Wilczek ci porta alle frontiere attuali della conoscenza, dove le intuizioni essenziali delle idee quantistiche, persino le più azzardate, applicano principi che siamo tutti in grado di comprendere. Le equazioni degli atomi e della luce sono quasi le stesse equazioni che governano gli strumenti musicali e il suono; le particelle subatomiche, responsabili della maggior parte della nostra massa, sono determinate da semplici geometrie simmetriche. L'universo stesso, suggerisce Wilczek, sembra voler incarnare forme bellissime ed eleganti.

In questo volume, continuazione del manuale "Meccanica Quantistica: nuova introduzione", vengono trattate le applicazioni, in senso lato, dei principi della teoria. Il volume ammette diversi livelli di lettura: il testo principale è, o dovrebbe essere, parte delle conoscenze generali di un fisico, i complementi sviluppano tematiche più complesse e i problemi numerici allegati al testo realizzano concretamente queste idee. Ad esempio se si suppone che tutti gli studenti di fisica debbano conoscere i rudimenti della teoria perturbativa, solo alcuni saranno interessati al problema della convergenza della serie, o alla connessione fra serie perturbativa e risultati esatti. Questa impostazione permette l'approfondimento di problematiche che normalmente non sono incluse in trattazioni elementari della materia. Citiamo a titolo di esempio lo studio dei sistemi metastabili, una introduzione all'approssimazione semiclassica per sistemi a molti gradi di libertà, la risoluzione dell'equazione di Hartree-Fock per atomi complessi etc. In questo contesto vengono introdotte ed illustrate idee teoriche ed applicazioni concrete che vanno dalla risommazione di Borel della serie perturbativa, al metodo del riscalamento complesso per il calcolo delle larghezze di decadimento e al calcolo dei livelli energetici di un qualunque atomo.

"Vi è in molti fisici una specie di fede nell'esattezza dei nuovi principi, piuttosto che un chiaro intendimento di essi". Invece un "chiaro intendimento" si prefigge innanzi tutto questo libro di uno scienziato non ancora trentenne, che aveva già contribuito a rivoluzionare la fisica del Novecento. Pubblicati nel 1930, "I principi fisici della teoria dei quanti" rielaborano le lezioni tenute da Werner Heisenberg all'Università di Chicago nella primavera dell'anno precedente. Di quell'esposizione didattica conservano la perfetta chiarezza nel divulgare i fondamenti della meccanica quantistica, ma si segnalano anche per la classicità di uno stile concettuale e morale che la prorompenza autoaffermativa di molti uomini di scienza ha in seguito obliterato: pur mettendo all'opera tutta la forza conoscitiva dell'importantissimo principio di indeterminazione (1927) a cui Heisenberg ha legato il suo nome - principio secondo il quale è impossibile determinare simultaneamente con precisione assoluta i valori di due grandezze fisiche coniugate, come posizione e velocità di una particella -, egli qui fa spazio, e rende merito, al suo maestro danese Niels Bohr. Ed è infatti un po' dello "spirito di Copenhagen" che si continua a respirare in questo capolavoro della saggistica scientifica. Lo spirito ineguagliabile che negli anni venti del Novecento, affinando il formalismo matematico della teoria quantistica, "ha indirizzato l'intero sviluppo della nuova fisica atomica".