La storia della rivoluzione quantistica attraverso l’esperimento che ha cambiato il modo di vedere il mondo.
Quando guardare cambia il risultato.
Ora la doppia fenditura entra nel suo territorio più celebre e più inquietante. L’esperimento viene ripetuto con elettroni inviati uno alla volta. Ogni arrivo sullo schermo è un fatto netto, localizzato, quasi ostinato: un singolo punto. Eppure, quando gli arrivi si accumulano, quei punti compongono una figura ordinata di interferenza. L’elettrone sembra manifestarsi come evento singolo e, nel medesimo tempo sperimentale, contribuire a un disegno che richiede un linguaggio ondulatorio.
Il nodo si stringe ulteriormente quando si prova a rispondere alla domanda più spontanea: da quale delle due fenditure è passato? Cercare un’informazione affidabile sul percorso modifica il risultato osservabile. La figura di interferenza svanisce. Non è necessario che una persona guardi, né che una mente cosciente intervenga: basta che l’apparato fisico renda distinguibili i due possibili cammini.
Un elettrone alla volta.
Dopo aver scoperto che la luce può scambiare energia in quantità discrete, quasi come se fosse composta da pacchetti, il percorso del libro compie un passaggio decisivo. La stranezza non rimane confinata alla luce. Entra in scena l’elettrone, una particella della materia che, nell’immaginario della fisica classica, sembra possedere tutte le qualità della piccola cosa solida: una carica elettrica, una massa, una posizione, un possibile percorso.
L’elettrone non è però un ospite marginale della storia scientifica. È uno dei protagonisti materiali della civiltà moderna. I suoi movimenti rendono possibili le correnti elettriche, l’elettronica, i semiconduttori, gli schermi, le comunicazioni digitali. La sua scoperta, attribuita a Joseph John Thomson nel 1897, rese evidente che l’atomo non era l’unità indivisibile immaginata da una lunga tradizione filosofica e scientifica. La materia possedeva una struttura interna, e quell’interno avrebbe riservato sorprese ben più profonde di quanto fosse lecito attendersi.
Nel capitolo precedente la luce aveva rimesso in discussione una divisione rassicurante tra onde e particelle. Qui la difficoltà si trasferisce alla materia. L’apparato delle due fenditure, già noto per la sua capacità di mostrare l’interferenza della luce, viene trasformato nel teatro di una prova più radicale. Si inviano elettroni in condizioni sempre più controllate, fino a rendere plausibile che essi non possano influenzarsi reciprocamente come farebbero molte onde presenti insieme nello stesso spazio.
È un gesto sperimentale semplice da enunciare e difficile da assorbire nelle sue conseguenze. La fisica classica aveva abituato a pensare che, conoscendo le condizioni iniziali e le forze in gioco, fosse possibile ricostruire il comportamento di un oggetto individuale. Anche quando interveniva il caso, come nella descrizione statistica di un gas, il caso appariva spesso come il volto della nostra ignoranza di moltissimi dettagli. Nel mondo quantistico, invece, l’esperimento sembra indicare una regolarità di altro tipo: gli eventi singoli restano puntuali e imprevedibili nel loro apparire, mentre l’insieme manifesta una struttura precisa.
La domanda impossibile.
Il passaggio dalla luce agli elettroni sembra, a prima vista, un semplice cambio di protagonista. Si conserva l’apparato: una sorgente, una barriera opaca con due aperture ravvicinate, uno schermo capace di registrare gli arrivi. Si modifica soltanto ciò che viene inviato verso le fenditure. Al posto dei fotoni, gli elementi discreti della luce, entrano gli elettroni: particelle dotate di massa e carica elettrica, componenti fondamentali degli atomi e protagonisti silenziosi di quasi ogni tecnologia contemporanea. Eppure, quel cambio trasforma l’esperimento in qualcosa di molto più esigente.
Un elettrone può essere prodotto da una sorgente, accelerato mediante un campo elettrico, guidato nel vuoto e rivelato su uno schermo fluorescente o su un dispositivo elettronico. In questo senso appartiene da lungo tempo al repertorio concreto della fisica sperimentale. Joseph John Thomson lo identificò nel 1897, lavorando sui raggi catodici al “Cavendish Laboratory” di Cambridge. Da allora, l’elettrone è stato deviato da magneti, intrappolato, misurato, usato per sondare la struttura dei materiali e, molto più tardi, trasformato nel portatore di informazione dell’intera civiltà elettronica.
È facile, perciò, attribuirgli l’aspetto di una minuscola pallina carica. L’immagine ha una sua utilità pratica. Un elettrone lascia una traccia nei rivelatori, trasferisce energia quando urta un materiale, può essere contato. Ma la sua apparente familiarità è proprio ciò che rende più netto il colpo inferto dall’esperimento delle due fenditure.
Con la luce, il disegno di interferenza poteva ancora essere accolto attraverso un’immagine intuitiva: onde che passano dalle due aperture, si sovrappongono e producono zone di rinforzo e di attenuazione, come cerchi che si allargano sulla superficie di uno stagno dopo il lancio di due sassi. Si tratta di un’analogia imperfetta, ma abbastanza efficace per comprendere perché, sullo schermo, compaiano bande alternate.
Gli elettroni rendono quell’analogia insufficiente. Se si invia un fascio intenso, contenente molti elettroni, qualcuno potrebbe provare a supporre che le particelle si influenzino a vicenda durante il tragitto. Forse, si potrebbe dire, un gran numero di elettroni produce una specie di comportamento collettivo: le cariche elettriche si respingono, il fascio si organizza, le particelle si distribuiscono secondo una dinamica complessa. È un tentativo ragionevole, almeno finché il fascio resta affollato.
La prova decisiva consiste nel togliere all’obiezione ogni appiglio. Si abbassa l’intensità della sorgente fino a fare in modo che, nell’apparato, transiti un elettrone per volta. Tra un evento e il successivo può trascorrere un intervallo enormemente più lungo del tempo impiegato dall’elettrone a raggiungere lo schermo. Non c’è una folla di particelle che avanzi insieme. Non c’è un secondo elettrone abbastanza vicino da urtare il primo o da coordinarne il cammino attraverso una reciproca azione elettrica.
È qui che la domanda acquista la sua forza. Che cosa deve fare un singolo elettrone davanti a due fenditure?
La fisica costruita sull’esperienza ordinaria offre una risposta spontanea. Se l’elettrone è una particella localizzata, attraverserà una fenditura oppure l’altra. Può essere difficile sapere quale, se non si dispone di un rivelatore appropriato; ma l’oggetto, si direbbe, deve pur aver seguito una strada. Le due aperture sono due possibilità materiali e separate nello spazio. Un piccolo corpuscolo, come un granello di polvere spinto dal vento attraverso una persiana, passa da una parte precisa.
Louis de Broglie, nel 1924, aveva proposto che a ogni particella materiale fosse associata una lunghezza d’onda: la lunghezza d’onda diminuisce quando aumenta la quantità di moto. Tre anni dopo, gli esperimenti di Clinton Davisson e Lester Germer negli Stati Uniti e di George Paget Thomson in Gran Bretagna avrebbero fornito prove della diffrazione degli elettroni nei cristalli. La materia microscopica, dunque, poteva produrre effetti caratteristici delle onde. Il fatto era ormai entrato nei dati della scienza; restava da capire quanto lontano portasse quella lezione. Le due fenditure fanno compiere alla domanda un passo ulteriore. Un cristallo è una struttura naturale complessa, formata da file regolari di atomi; le fenditure sono un dispositivo concettualmente elementare, quasi geometrico. Due aperture e uno schermo. È la semplicità dell’apparato a renderlo così implacabile. Non si può nascondere la difficoltà nella complicazione della materia, nella ricchezza dei materiali o nei dettagli tecnici.
Il fisico americano David Bohm, che dedicò pagine memorabili alla chiarezza concettuale della teoria quantistica, osservava che le nuove idee fisiche risultano spesso difficili perché “le nostre nozioni di senso comune” si sono formate in un dominio molto diverso da quello atomico. Le sue parole indicano una cautela necessaria. L’esperimento non obbliga ad abbandonare il buon senso nella vita quotidiana. Chiede di riconoscere che il buon senso, quando viene portato fino alla scala degli elettroni, incontra un limite.
La difficoltà non dipende dall’ignoranza di un dettaglio tecnico. Nemmeno la più accurata descrizione delle dimensioni delle fenditure, della tensione che accelera gli elettroni o della distanza dallo schermo scioglie da sola il nodo. Tutti questi elementi sono essenziali per realizzare l’esperimento e per calcolarne gli esiti; ma il punto centrale rimane: se gli elettroni viaggiano isolati, non possono costruire la figura osservata urtandosi tra loro, allo stesso modo in cui molte onde d’acqua si combinano sulla superficie di un bacino.
Questa esclusione è il cuore logico del capitolo. Si prepara un apparato nel quale l’ipotesi di una collaborazione tra particelle diverse perde ogni plausibilità. Rimane un elettrone singolo, con due aperture possibili davanti a sé e un rivelatore in fondo al percorso. Si attende il suo arrivo. Poi se ne invia un altro. E un altro ancora.
La situazione possiede una qualità quasi teatrale. In molte opere del Novecento, da Luigi Pirandello a Samuel Beckett, il dramma nasce quando una situazione comune viene spogliata delle sue consuetudini, fino a rivelare una domanda nascosta. Qui accade qualcosa di analogo, con la differenza decisiva che non siamo davanti a una finzione. Due piccole fenditure sottraggono alla materia il suo ruolo più ovvio e la costringono a comparire davanti a un tribunale sperimentale. L’elettrone, tuttavia, non risponderà con una frase. Risponderà lasciando un segno sullo schermo. E sarà proprio la successione di quei segni, uno dopo l’altro, a rendere visibile un ordine che nessun elettrone individuale sembra poter ricevere dagli altri.
Puntini separati, figura collettiva.
La prima cosa che appare sullo schermo non è una frangia luminosa, non è una banda continua, non è una figura elegante da manuale. È un punto. Un elettrone arriva e lascia una traccia localizzata. Nei dispositivi storici, questa traccia poteva manifestarsi come un minuscolo lampo su uno schermo fluorescente; in strumenti più moderni, come un segnale registrato da un rivelatore elettronico. In ogni caso, l’evento possiede il carattere netto di un arrivo: qui, in questo preciso punto dello schermo, e non distribuito in una vasta regione.
È un dato che merita di essere trattenuto. Quando un elettrone viene rivelato, non compare per metà a destra e per metà a sinistra; non disegna da solo una striscia ondulata; non lascia una lieve impronta estesa su tutta la parete di fondo. Deposita un segno singolo, come quello di un proiettile. Poi un altro elettrone, emesso separatamente, lascia un altro segno. E poi un altro ancora.
All’inizio, il risultato sembra poco memorabile. I puntini sono sparsi, come i primi fiocchi di neve su un marciapiede scuro. Nessun occhio, osservando poche decine di arrivi, riconoscerebbe con sicurezza una legge. Il quadro sembra dominato dall’irregolarità: un elettrone qui, uno un poco più in là, uno molto lontano dal centro. Se l’esperimento venisse interrotto troppo presto, la conclusione più naturale sarebbe che gli elettroni abbiano scelto punti di arrivo sostanzialmente casuali.
Ma l’esperimento prosegue. Lo schermo accumula eventi. I segni si fanno più numerosi e, lentamente, l’apparente disordine comincia a prendere forma. Alcune zone si popolano più di altre. Emergono fasce dove gli elettroni arrivano con maggiore frequenza, separate da regioni dove gli arrivi diventano rari. Alla fine, dopo un numero sufficiente di particelle, la distribuzione complessiva assume il profilo di una figura di interferenza. Quella figura è la stessa, nel suo disegno generale, che ci si attende da un fenomeno ondulatorio: massimi e minimi, addensamenti e rarefazioni. Ma è stata costruita da eventi individuali, ciascuno dei quali ha lasciato una singola impronta localizzata.
L’immagine delle gocce di pioggia può aiutare. Immaginiamo una lastra fotosensibile lasciata all’aperto durante una pioggia molto rada. Cade una goccia, poi un’altra, poi una terza. Ciascuna produce il proprio piccolo segno. Ora si immagini che, col trascorrere delle ore, quelle gocce non si distribuiscano semplicemente a caso, ma costruiscano un motivo regolare di strisce più dense e più vuote. Nessuna singola goccia “conosce” il disegno finale, eppure il disegno emerge dalla somma di tutti gli arrivi.
Naturalmente gli elettroni non sono gocce, e il loro comportamento non dipende da una mappa nascosta dipinta nello spazio come un bersaglio invisibile. L’analogia serve soltanto a dare un’immagine del fatto più sorprendente: ogni evento è discreto, mentre la regolarità diventa visibile soltanto nella statistica di molti eventi. Qui il linguaggio quotidiano inciampa. Siamo abituati a separare con decisione il caso e l’ordine. Una pioggia di puntini appare casuale; una successione di bande regolari appare ordinata. Nell’esperimento quantistico, invece, i due aspetti convivono. Non è possibile prevedere il punto esatto in cui arriverà un particolare elettrone. È possibile prevedere con grande precisione la distribuzione che apparirà dopo molti elettroni.
Questa differenza fu espressa in modo incisivo dal fisico inglese Paul Dirac, uno dei fondatori della meccanica quantistica. Nel suo celebre manuale “The Principles of Quantum Mechanics”, pubblicato per la prima volta nel 1930, Dirac scrisse che “la natura fondamentale della teoria quantistica è che le previsioni sono di carattere probabilistico”. La frase rischia di suonare astratta finché non la si vede tradotta in un’immagine. La doppia fenditura la rende quasi visibile: il singolo puntino non è prevedibile con certezza, il paesaggio complessivo dei puntini sì.
La probabilità, in questo contesto, non va intesa come una semplice confessione di ignoranza, paragonabile a quella di chi non conosce il risultato di una moneta lanciata in aria perché non dispone di dati sufficienti sulle condizioni iniziali. Nella teoria quantistica ordinaria, la probabilità è incorporata nella descrizione stessa del fenomeno. L’equazione di Schrödinger, formulata da Erwin Schrödinger nel 1926, permette di calcolare come evolve lo stato quantistico dell’elettrone. La regola proposta da Max Born nello stesso anno collega quella descrizione alla probabilità di trovare l’elettrone in una determinata regione dello schermo.
Born, nella sua formulazione originaria, parlò della funzione d’onda come di una “probabilità” legata ai possibili risultati di osservazione. Fu una scelta concettuale di enorme importanza. La funzione d’onda non descrive una macchia materiale che si posa direttamente sullo schermo. Descrive le probabilità dei diversi esiti. Quando l’elettrone viene registrato, il risultato è uno: un punto particolare. Ripetendo l’esperimento, l’insieme dei punti ricostruisce la distribuzione prevista.
Un punto sullo schermo, preso da solo, non rivela nulla di scandaloso. La stranezza nasce dal rapporto fra il punto individuale e il disegno d’insieme. È come osservare, una per una, le lettere lanciate casualmente su un tavolo e scoprire che, dopo migliaia di lanci, esse compongono con ostinata precisione una frase dotata di ritmo e di grammatica. Ovviamente, gli elettroni non scrivono messaggi e non perseguono un progetto. Ma il paragone rende percepibile la tensione tra l’irregolarità del singolo evento e la regolarità dell’insieme.
Un confronto artistico può offrire un’altra prospettiva. Nel puntinismo di Georges Seurat, soprattutto nella grande tela “Una domenica pomeriggio all’isola della Grande-Jatte”, dipinta tra il 1884 e il 1886 e conservata all’Art Institute of Chicago, l’immagine è composta da una moltitudine di piccoli tocchi di colore. Da vicino si vedono punti distinti; da lontano emerge una scena coerente, con figure, luci, ombre e profondità. Il paragone con l’esperimento quantistico si ferma presto, perché Seurat disponeva consapevolmente i propri pigmenti e gli elettroni non obbediscono alla mano di un pittore. Tuttavia, la distanza tra il particolare e il tutto è istruttiva: il significato visivo dell’insieme non è contenuto in un singolo punto.
Nella doppia fenditura, ciò che appare sullo schermo è un ritratto statistico. Ogni elettrone arriva individualmente; la figura nasce collettivamente. Per descrivere l’esperimento in modo corretto, occorre tenere insieme entrambe le affermazioni, senza sacrificarne una all’altra. Dire soltanto che l’elettrone è un’onda lascia senza spiegazione il singolo segno localizzato. Dire soltanto che è una pallina lascia senza spiegazione l’interferenza costruita dalla successione di molti segni.
La fisica quantistica non chiede di scegliere una metafora definitiva tra onda e corpuscolo. Chiede di accettare un fatto sperimentale assai più preciso: gli elettroni vengono rivelati come eventi puntuali, mentre la frequenza dei loro arrivi obbedisce a una struttura di interferenza. Questa è la doppia immagine che il laboratorio consegna alla nostra ragione.
E proprio quando si è tentati di attribuire quel disegno a una misteriosa coordinazione fra gli elettroni, occorre ricordare la condizione decisiva dell’esperimento: essi arrivano uno alla volta. La figura collettiva non è il prodotto di una folla. È l’impronta ripetuta di una legge quantistica che agisce, con la medesima regolarità, su ciascun evento singolare.
Milano, 1974. L’esperimento di Merli, Missiroli e Pozzi.
Ci sono esperimenti che cambiano una teoria e altri che cambiano il modo in cui la teoria viene immaginata. L’esperimento realizzato a Milano da Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli e Giulio Pozzi appartiene soprattutto alla seconda categoria. La meccanica quantistica era già una costruzione solidissima, sostenuta da decenni di calcoli e verifiche. La natura ondulatoria degli elettroni era stata confermata fin dagli anni Venti, quando Clinton Davisson e Lester Germer negli Stati Uniti, e George Paget Thomson in Gran Bretagna, avevano osservato la diffrazione degli elettroni nei cristalli. Ma una cosa è conoscere il risultato attraverso curve, misure di intensità e formule. Un’altra è vederlo nascere.
A Milano, nel 1974, l’effetto quantistico venne mostrato in una forma che aveva qualcosa di cinematografico. Gli elettroni erano inviati verso un sistema interferometrico a emissione sufficientemente debole da rendere trascurabile la presenza contemporanea di più particelle nell’apparato. Sul rivelatore, gli arrivi potevano essere osservati e registrati come eventi singoli. Prima un punto. Poi un altro. Poi un altro ancora. La figura non era già presente: prendeva forma nel tempo, come una fotografia che si sviluppa lentamente nella camera oscura.
Il luogo era l’”Istituto di Fisica dell’Università di Milano”, in via Celoria, nel quartiere universitario di Città Studi. Merli, Missiroli e Pozzi lavoravano in un ambiente dove la fisica degli elettroni non era materia da speculazione lontana, ma tecnica di laboratorio: vuoto spinto, lenti elettromagnetiche, sorgenti, rivelatori, superfici sottilissime. La stranezza della fisica quantistica non si presentava come un enigma da salotto filosofico. Aveva la consistenza concreta degli strumenti, dei segnali deboli da distinguere dal rumore, delle regolazioni pazienti necessarie perché un fascio di elettroni diventasse un esperimento affidabile.
L’apparato impiegava un microscopio elettronico modificato e un interferometro elettronico a biprisma, una configurazione ispirata all’interferometria di Mott. Non si trattava, in senso letterale, delle due fenditure ritagliate in uno schermo opaco dell’esperimento di Thomas Young. L’idea fisica, però, era la medesima: produrre due percorsi coerenti per l’elettrone e farli sovrapporre, così che le probabilità di arrivo sul rivelatore mostrassero la caratteristica alternanza di massimi e minimi dell’interferenza.
Questo dettaglio è importante, perché la storia della scienza viene talvolta semplificata fino a diventare una leggenda gradevole ma imprecisa. Merli, Missiroli e Pozzi non costruirono una versione scolastica della doppia fenditura con due tagli materiali attraversati da elettroni isolati. Realizzarono un esperimento di interferenza elettronica estremamente raffinato, nel quale un biprisma elettrostatico divideva e ricombinava il fascio. La conclusione, tuttavia, resta pienamente legata alla domanda delle due fenditure: che cosa significa osservare una figura di interferenza quando gli elettroni sono inviati a intervalli tali da non poter formare una folla che interagisce con se stessa?
L’immagine più efficace è quella di una pellicola composta da migliaia di fotogrammi. In ciascun fotogramma compare un singolo evento: una traccia puntiforme, localizzata in una certa posizione. Non c’è alcuna piccola onda visibile che si spalmi sullo schermo. L’elettrone, nel momento in cui viene rivelato, lascia un segno preciso. Ma la pellicola continua. I segni si accumulano. Alcune regioni del rivelatore ricevono più eventi, altre meno. La distribuzione finale non assomiglia alla rosa di pallini che produrrebbero proiettili diretti semplicemente verso due aperture indipendenti. Appaiono frange, cioè bande alternate di maggiore e minore densità.
La cosa stupefacente non consiste nel fatto che ogni elettrone arrivi in un punto. Questo era già familiare alla fisica sperimentale. La sorpresa è che la statistica di tanti arrivi individuali ricostruisca una figura tipica della sovrapposizione di onde.
Merli, Missiroli e Pozzi pubblicarono il loro lavoro nel 1976, sulla rivista “American Journal of Physics”, con un titolo prudente e memorabile: “On the statistical aspect of electron interference phenomena”. Il titolo mette l’accento sul punto decisivo. L’interferenza non si manifesta come una proprietà visibile del singolo impatto. Si manifesta nella distribuzione di molti impatti. L’elettrone non consegna all’osservatore una traiettoria completa, come farebbe una biglia seguita su un tavolo. Consegna un evento finale. La forma d’onda, espressa nel linguaggio matematico della teoria quantistica, permette di calcolare il disegno delle probabilità; l’apparato trasforma quelle probabilità in una successione di segni.
È qui che la parola “statistica” smette di significare un semplice conteggio amministrativo e acquista una densità quasi narrativa. Ogni puntino possiede una storia incompleta: sappiamo che un elettrone è stato emesso, ha attraversato l’apparato ed è stato rivelato in quel punto. Ciò che accade nel mezzo non può essere raccontato con la rassicurante precisione di una traiettoria classica, a meno di modificare l’esperimento in modo rilevante. Solo l’insieme degli eventi restituisce una forma leggibile.
In un celebre testo del 1965, “The Character of Physical Law”, Richard Feynman osservava che la natura “non è classica, dannazione!”, e aggiungeva che chi volesse costruire una simulazione della natura dovrebbe fare i conti con il suo carattere quantistico. La sua esclamazione, spesso citata per il tono diretto, non era un invito al misticismo. Era il riconoscimento di un limite delle immagini abituali. L’elettrone non è una minuscola pallina che percorre una strada già definita come un granello di polvere in un corridoio. Tuttavia, non è neppure un’onda d’acqua dispersa nello spazio, perché il rivelatore registra un singolo arrivo.
L’esperimento milanese offriva a questa difficoltà una forma visiva. È possibile pensare alle prime tracce come ai punti isolati di una stampa fotografica ancora incompiuta. Per un po’, non si vede alcuna immagine. Poi, con l’aumentare degli eventi, emerge una struttura. Il paragone più vicino non è forse la pittura puntinista, già troppo intenzionale e guidata dalla mano dell’artista, ma la comparsa di una costellazione in una fotografia astronomica a lunga esposizione. All’inizio il cielo sembra punteggiato in modo incerto. Con il tempo, le concentrazioni di luce e le regioni scure definiscono una figura. Nel laboratorio, però, quell’ordine non è disegnato dalla lentezza dell’occhio né dalla fantasia di chi osserva: è inscritto nelle frequenze con cui gli elettroni raggiungono le diverse zone del rivelatore.
L’esperimento ha avuto anche una singolare seconda vita pubblica. Per anni rimase noto soprattutto agli specialisti e agli appassionati di interferometria elettronica. In seguito, l’idea dell’interferenza costruita evento per evento è divenuta una delle immagini più potenti della divulgazione quantistica. Nel 1989 il fisico giapponese Akira Tonomura e il suo gruppo alla Hitachi realizzarono una celebre visualizzazione della formazione graduale delle frange con elettroni inviati uno alla volta. Quelle sequenze, spesso riprodotte in documentari e lezioni universitarie, hanno fissato nell’immaginario collettivo ciò che il lavoro milanese aveva mostrato con grande anticipo: il disegno dell’interferenza emerge senza che gli elettroni debbano incontrarsi tra loro.
Questo non diminuisce il valore dell’esperimento di Merli, Missiroli e Pozzi; al contrario, aiuta a collocarlo nella sua giusta luce. Nel 1974, in un laboratorio milanese, tre fisici italiani resero sperimentalmente tangibile una delle caratteristiche più difficili da accettare della materia quantistica. L’ordine osservato non era quello di una traiettoria individuale, perché nessun singolo puntino ne contiene il tracciato. Non era nemmeno disordine puro, perché le bande di interferenza emergevano con una regolarità calcolabile.
Tra questi due estremi, la linea retta del proiettile e il caso senza forma, si apre lo spazio proprio della meccanica quantistica. È uno spazio in cui il singolo evento conserva una componente imprevedibile, mentre l’insieme rivela una legge rigorosa. L’elettrone arriva da solo. Il disegno, invece, arriva soltanto alla fine.
Quando le metafore smettono di funzionare.
Dopo aver visto comparire, un punto alla volta, una figura d’interferenza, la tentazione è immediata. Se l’elettrone arriva da solo e tuttavia contribuisce a un disegno che sembra richiedere due percorsi, allora “deve sapere” che esistono entrambe le possibilità. Oppure “sceglie” in anticipo il luogo in cui atterrerà. O, ancora, “decide” di comportarsi come onda quando nessuno lo guarda e come particella quando viene osservato.
Sono frasi efficaci, adatte a un titolo o a una conversazione serale, ma diventano ingannevoli appena si prende sul serio il loro significato. Sapere, scegliere, decidere sono verbi che appartengono alla vita degli esseri capaci di intenzioni: una persona valuta alternative, possiede informazioni, persegue uno scopo. Un elettrone non è un piccolo soggetto nascosto nel laboratorio. Non ha preferenze, memoria, paura di essere spiato o una strategia per confondere il fisico sperimentale. Potremmo dir che non ha coscienza.
La fisica quantistica non chiede di attribuire una mente alla materia. Chiede qualcosa di più sobrio e, per certi aspetti, più difficile: rinunciare a immagini che funzionano egregiamente nel mondo quotidiano, ma che diventano troppo strette quando si entra nella scala degli atomi e delle particelle elementari.
L’elettrone possiede proprietà misurabili con una precisione straordinaria. Ha massa, carica elettrica negativa, momento angolare intrinseco, una caratteristica chiamata spin. Interagisce con campi elettrici e magnetici secondo leggi quantitative che permettono di progettare microscopi elettronici, semiconduttori, laser, strumenti medici e orologi atomici. Non è un oggetto vago né un mistero lasciato alla poesia. Eppure, quando si chiede che cosa “sia” fra l’emissione e la rivelazione, le parole prese dal nostro repertorio ordinario cominciano a produrre equivoci.
La metafora della pallina è utile fino a un certo punto. Un elettrone può lasciare un segno localizzato su uno schermo, trasferire energia in un urto, essere rivelato come evento discreto. In questo senso ricorda un corpuscolo. Ma una pallina classica possiede, almeno in linea di principio, una posizione e una traiettoria definite in ogni istante. Se conoscessimo con esattezza le condizioni iniziali e tutte le forze in gioco, potremmo seguirne il cammino. Un proiettile sparato in un poligono non costruisce gradualmente una figura di interferenza con se stesso: attraversa un varco o l’altro, e la distribuzione finale dipende da geometria, velocità, gravità e difetti dell’apparato.
La metafora dell’onda è altrettanto utile e altrettanto insufficiente. Nel linguaggio della meccanica quantistica, l’elettrone è descritto da una funzione d’onda: una quantità matematica che consente di prevedere con grande accuratezza le probabilità dei diversi risultati possibili. Questa funzione può estendersi nello spazio, sovrapporsi, produrre interferenza. Ma non è un’onda materiale simile alle increspature di un lago o alle onde sonore nell’aria. Le onde dell’acqua sono un movimento collettivo di molecole; la funzione d’onda non è una sostanza fluida che possa essere fotografata mentre oscilla tra le fenditure.
Qui conviene ricordare una precauzione formulata già nel pieno della nascita della teoria. Nel 1927, a Bruxelles, durante il quinto Congresso Solvay, Niels Bohr e Albert Einstein discussero con intensità proprio dei limiti e delle conseguenze della descrizione quantistica. Einstein non si accontentava dell’elemento probabilistico della teoria. Era convinto che una descrizione più completa dovesse esistere, anche se non era ancora stata trovata. Bohr insisteva invece sul fatto che le domande fisiche hanno senso soltanto entro condizioni sperimentali definite, usando parole e strumenti capaci di collegarsi a ciò che può essere osservato e comunicato.
Il celebre botta e risposta attribuito ai due è noto in forme diverse. Einstein ripeteva che Dio non gioca a dadi; Bohr gli avrebbe risposto: “Smettila di dire a Dio che cosa deve fare”. La replica è diventata quasi proverbiale, e non va letta come una prova della fede religiosa di Bohr o come una battuta risolutiva. Riassume però una divergenza autentica. Einstein trovava insoddisfacente che la teoria offrisse probabilità invece di una storia completa di ciò che accade. Bohr riteneva fuorviante pretendere dalla natura un tipo di racconto modellato sulle abitudini della fisica classica.
Il caso delle due fenditure costringe a sentire il peso di questa divergenza. Se non cerchiamo di stabilire da quale apertura sia passato l’elettrone, l’apparato produce una distribuzione d’interferenza. Se introduciamo un dispositivo capace di distinguere i percorsi, la distribuzione cambia. Non occorre supporre che l’elettrone si accorga della presenza umana, né che la coscienza dell’osservatore eserciti un potere speciale sulla materia. Per “osservare”, in fisica, basta un’interazione fisica in grado di lasciare una traccia: un fotone diffuso, un rivelatore, un atomo dell’ambiente, un segnale che possa in linea di principio conservare l’informazione sul percorso.
È un punto su cui la lingua comune tende a tradirci. Dire che “l’osservatore modifica il risultato” è corretto solo se si intende l’osservatore come l’intero sistema di misura, non come un occhio umano che guarda dentro l’apparato. Nella tradizione sperimentale, un rivelatore può lavorare di notte, in un laboratorio vuoto, e produrre dati che verranno esaminati settimane dopo. La fisica non attende la presenza mentale di qualcuno per far accadere un evento.
Tratto da: “L’esperimento della doppia fenditura”. (Bruno Del Medico, PensareDiverso 2026)
