Il giorno del “feroce attacco” di Einstein alla scuola di Copenaghen

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Democrito (Peter P. Rubens, 1635)

Il giorno del “feroce attacco” di Einstein alla scuola di Copenaghen

di Giorgio Masiero

L’EPR, ovvero l’esperimento che dopo 20 anni di ostracismo aprirà le porte alla non-località, per l’iniziativa di un pugno di fisici “eretici”

Se una teoria della fisica deve essere completa, deve contenere un elemento per ogni elemento di realtà…: con queste parole comincia uno degli articoli più famosi e dibattuti della storia della fisica. Intitolato “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”, fu pubblicato il 15 maggio 1935 dal Physical Review a firma di A. Einstein, B. Podolsky e N. Rosen.

Nei primi anni del ‘900, quando ancora risuonava nelle aule universitarie l’eco di entusiastici epitaffi sulla fine della fisica “perché ormai conosciamo tutte le grandi leggi della natura e i segreti dell’armonia cosmica” (Lord Kelvin, 27 aprile 1900 alla Royal Society di Londra), nuove scoperte come lo spettro del corpo nero, l’effetto fotoelettrico, le righe degli atomi, ecc. falsificarono dai fondamenti le teorie costruite dai tempi di Galileo e di Newton fino ad allora, inducendo ad inventare nuove ipotesi. Queste sarebbero culminate negli anni ’20 nella meccanica quantistica (MQ). Con la relatività speciale (1905) e la relatività generale (1915), fu a inizio secolo una vera e propria rivoluzione nella scienza.

La MQ presentò subito, però, un problema: anche se spiegava in modo quantitativamente mirabile le nuove risultanze sperimentali, usava principi e concetti che ribaltavano il senso comune. Pur elegantissima, era così contro-intuitiva che qualcuno, anche tra coloro che più avevano collaborato al suo sviluppo e continuavano ad applicarvisi, iniziò ad immaginare ciò che si chiama un “esperimento cruciale”, per falsificarla o almeno correggerla. Ma essa resisteva beffarda, a segnare ogni giorno nuovi successi nella predizione dei fenomeni atomici, subatomici ed anche cosmici, e nello stesso tempo ad esigere fede in postulati che sfidavano il buon senso e la stessa storia della fisica.

La MQ è strutturata in modo da predire la probabilità di diversi possibili risultati di una misura, ma non il risultato di un singolo atto di misura. Su questo suo carattere probabilistico, tutti concordavano. Le divisioni insorgevano quando si trattava di decidere se fosse possibile una teoria più estensiva, capace di riprodurre i singoli eventi atomici. La gran parte dei fisici, raccolti nella cosiddetta “scuola di Copenaghen” – Bohr, Born, Heisenberg, Dirac, von Neumann, Pauli, Jordan, ecc. – riteneva che si dovesse ormai abbandonare il principio di causalità e che lo stesso principio di realtà non avesse più senso in operazioni inestricabilmente invischiate con l’osservatore e col suo apparato strumentale. Altri invece, di grande prestigio seppur in minoranza – de Broglie, Einstein, Planck, Schrödinger, Ehrenfest, ecc. – s’intestardivano a credere nell’esistenza d’una realtà oggettiva, funzionante indipendentemente dagli uomini, e a volerla comprendere in termini causali. Questi “realisti” pensavano che la MQ fosse una teoria incompleta similmente alla termodinamica classica, che aveva dato ottimi risultati nello studio delle proprietà medie dei gas (temperatura, pressione, ecc.), ma non era riuscita a spiegare il moto browniano e le fluttuazioni termiche. Tali fenomeni avevano dovuto aspettare la termodinamica statistica che introducendo nuove variabili, “nascoste” alla termodinamica classica, l’avrebbe completata. Le variabili nascoste termodinamiche non si rivelarono altro, poi, che gli atomi e le molecole di cui ogni sostanza è composta…

Il realista che più si segnalò per l’opposizione ai “positivisti” della scuola di Copenaghen fu Einstein. Per anni immaginò diversi esperimenti intesi a confutare, sulla base delle leggi di conservazione, il principio d’indeterminazione, uno dei pilastri della MQ. Ogni volta però, Bohr finiva col trovare un errore nei ragionamenti di Einstein e Copenaghen acquisiva tra i fisici nuovi adepti. Al congresso di Solvay del 1930, la discussione tra i due assunse una piega drammatica. Einstein propose un esperimento dove sembrava possibile misurare tempo ed energia d’un fotone con precisione arbitraria e ai presenti parve che l’autore della relatività fosse finalmente riuscito a falsificare l’indeterminismo. Bohr uscì dalla seduta sconvolto, come si vede anche da una foto che lo ritrae trottare dietro un Einstein sorridente sotto i baffi. Passò la notte a riflettere e la mattina dopo trionfò per l’ennesima volta mostrando, ironicamente proprio con l’uso dell’einsteiniana relatività generale, che la misura del tempo viene perturbata della quantità giusta a salvare il principio di indeterminazione anche in questo esperimento.

Ma Einstein non demorse e nell’articolo del 1935, che ricordiamo oggi nel giorno della pubblicazione, propose un esperimento ideale (d’ora in poi: EPR, dalle iniziali degli autori), che sarebbe divenuto producibile in laboratorio una cinquantina d’anni dopo. Un ragionamento tanto semplice quanto irrefutabile. Nelle parole di Léon Rosenfeld, un fisico belga che lavorava allora spalla a spalla con Bohr: “Questo attacco feroce ci colpì come un fulmine a ciel sereno. Il suo effetto su Bohr fu enorme”. Prima di affrontare l’EPR, devo spiegare il significato di realismo locale. Dalla comprensione del termine, i lettori si convinceranno di quanto sensata fosse la battaglia di Einstein, come fu foriera d’importanti scoperte per l’avanzamento della fisica e di quanto, al contrario, ne abbiano ritardato il progresso le confusioni tra fisica e ideologia, degenerate al punto che dai caporali dell’ortodossia si esercitarono pressioni sulla stampa specializzata perché non desse spazio alle posizioni eretiche. Il realismo locale, che Einstein difendeva con le unghie e con i denti contro la scuola di Copenaghen, è la fusione di due principi: realismo + località.

Cominciamo dal realismo. È la posizione di chi sostiene che esiste una realtà esterna, a prescindere dal fatto che la osserviamo o no. L’idea che le piante, i sassi, la Luna esistano indipendentemente dagli esseri umani e dalle loro percezioni è così ovvia che – oso credere, senza aver fatto sondaggi – è accettata dalla stragrande maggioranza degli uomini, ivi compresi alcuni fisici teorici. Tuttavia questa idea è considerata “metafisica” dai filosofi positivisti – come faccio ad essere sicuro che c’è ancora la Luna, quando mi giro dall’altra parte? – ed era irrisa dai fisici della scuola di Copenaghen. Pauli per esempio, che aveva ricevuto un’educazione cattolica, diceva che porsi il problema se esista una realtà esterna indipendentemente dall’osservatore è come chiedersi quanti angeli stanno nella capocchia d’uno spillo. Per i positivisti i risultati statistici accuratissimi che la MQ fornisce sulle grandezze atomiche o cosmiche sono strettamente dipendenti dalle operazioni di misura, mentre per i realisti esse si riferiscono a proprietà della realtà fisica preesistenti e indipendenti da noi, essendo la statistica solo un limite della teoria. Lo scopo che con l’esperimento EPR Einstein si prefisse fu proprio di dimostrare che la misura fatta da un osservatore A su un oggetto microscopico x si riferisce ad una proprietà che x aveva prima che A lo osservasse.

 

Einstein e Bohr, fotografati in una pausa del congresso Solvay del 1930

Per corroborare un realismo così concepito, Einstein usò il principio di località, che è l’esistenza indipendente dei diversi oggetti del mondo, ovvero l’ipotesi che corpi lontani non possano esercitare un’influenza istantanea tra loro. Non si vuol negare che azioni, magari piccolissime, si propaghino da un oggetto all’altro. Basta pensare alla forza di gravità, che agisce tra due corpi anche a distanze astronomiche. Ma questa forza, come tutte le forze conosciute dalla fisica, decresce con la distanza, fino a tendere a zero al tendere di questa ad infinito, e si propaga a velocità finita. Insomma, il realismo locale è la concezione unitaria “che la fisica si collega ad un mondo esterno fatto di corpi e campi la cui esistenza è indipendente dal Soggetto e dalle sue percezioni, e che gli oggetti fisici sono disposti in un continuo spazio-temporale in modo da affermare la loro esistenza indipendente. Un’azione esterna su un oggetto A non può avere una ripercussione immediata su un oggetto lontano B, altrimenti la formulazione di leggi diventerebbe impossibile” (Einstein in “The Born-Einstein Letters”, 1916-1955). Einstein credeva che la località fosse stata provata quanto basta dai successi della relatività.

È venuto ora il momento di descrivere l’esperimento EPR. Come abbiamo detto, i tentativi di confutare il principio d’indeterminazione si basavano sui principi di conservazione. L’EPR originale si poggiava sulla conservazione del momento lineare di un sistema di due particelle. Una versione più semplice, proposta nel 1951 da Bell – a mio parere il fisico più attento alla precisione del linguaggio e alla logica che sia mai esistito – si basa sulla conservazione dello spin di un sistema di due particelle. C’è una sorgente radioattiva S che emette in direzioni opposte due elettroni appaiati di spin ½. Nello stato di “singoletto” (a somma totale uguale a zero degli spin), la MQ predice che

  • finché non eseguiamo la misura su un elettrone, non possiamo sapere se questo abbia spin parallelo (+½) o antiparallelo (–½) rispetto ad un dato asse cartesiano;
  • i due esiti hanno uguale probabilità;
  • lo spin totale si conserva nel tempo, cosicché quando la misura su un elettrone è +½, la misura sull’altro in un qualsiasi tempo successivo sarà –½ e viceversa.

Dopo un’emissione, i due elettroni si allontanino indisturbati. Ad un istante t1, quando sono distanti, un osservatore A decida di misurare lo spin d’un elettrone lungo l’asse Z. L’atto di misura lo fa collassare in uno stato di spin preciso, +½ o –½. Mettiamo che l’esito di A sia +½. In un istante qualsiasi successivo t2, anche immediatamente dopo t1, un altro osservatore B misuri lo spin dell’altro elettrone lungo lo stesso asse Z. Ora non c’è incertezza sull’esito, per la legge di conservazione dello spin: la misura di B sarà l’opposta di quella trovata da A, quindi –½. Il risultato è pre-determinato. L’osservazione di B non può disturbare l’esito –½, che è anche indipendente dalla distanza tra i due elettroni. Allora i casi sono due, dedusse Einstein: o quando A misurò lo spin del primo elettrone, ci fu un’azione a distanza che istantaneamente influenzò il secondo elettrone dettandone lo spin; o entrambi gli spin erano determinati fin dalla loro emissione dalla sorgente, quindi preesistenti alle operazioni di misura. Nel secondo caso, gli spin corrispondono a proprietà “reali”, nel senso di indipendenti dall’osservatore, e la MQ è incompleta perché incapace di predirli.

Insomma, a meno di non ammettere l’esistenza di azioni a distanza – un prezzo che nessuno era allora disposto a pagare, neanche nella scuola di Copenaghen –, la MQ è incompleta. Bohr fu “enormemente colpito”, abbiamo riferito. Interruppe immediatamente le ricerche in corso e si applicò per trovare un errore nel ragionamento di Einstein. Il mondo aspettò col fiato sospeso. Dopo 5 mesi, quando l’apnea divenne insopportabile, Bohr replicò nella stessa rivista con un articolo dello stesso titolo. Einstein lesse l’articolo di Bohr, non lo capì e si confermò nelle sue convinzioni. Anche a Bell, 30 anni dopo, Bohr sarebbe risultato “del tutto incomprensibile” e se né Einstein né Bell capirono Bohr non chiedere a me, Lettore, di spiegartelo: piuttosto chiedo io a te di leggerlo (a questo link, per es.) e, se lo capisci, di spiegarmelo!

Comunque, l’adesione della stragrande maggioranza della “comunità scientifica” alle idee di Copenaghen non ne risentì: tutti proclamarono di condividere la contro-argomentazione di Bohr, sottintendendo di averla letta e capita, e ribadirono la loro fede nell’ortodossia. Certamente Born, Popper e Pais non capirono l’ERP, mi sento di dire avendo letto i loro fraintendimenti, che assumono aspetti persino comici.

Si dovranno aspettare gli studi di David Bohm a partire dagli anni ’50 e di John Bell dagli anni ’60, nonché le evidenze sperimentali di Alain Aspect degli anni ’80, perché la comunità scientifica realizzi l’importanza dell’EPR.  Risulterà che le conclusioni finali di Einstein (“I casi sono due: o la MQ è incompleta o esiste l’azione a distanza”) contenevano un errore. A nessuno venne in mente per 20 anni che la disgiunzione o … o potesse essere inclusiva vel … vel, piuttosto che esclusiva aut … aut: la MQ non relativistica è sostituibile con una teoria causale e senza indeterminismi, “razionale, chiara, esatta e sperimentalmente equivalente” (Bell, con riferimento alla teoria di Bohm dell’onda pilota) e allo stesso tempo esistono fenomeni fisici (detti di “entanglement”) in cui non vale la località, senza che ciò violi la relatività.

Su tali temi, rilevanti anche per gli attuali sviluppi della fisica dei fondamenti, converrà ritornare in un articolo dedicato.

Cosicché, oggi disponiamo di due teorie quantistiche, una indeterministica, idealistica e casuale, ed una deterministica, realistica e causale…, che fanno le stesse, identiche predizioni sperimentali. Due sistemi epistemici opposti, scientificamente equivalenti. Qual è quello vero nel senso di aderente alla realtà? Nessuno dei due, ovviamente. Questa è la prima lezione di epistemologia: il metodo scientifico non svela le cose e neanche come funzionano, ma come possiamo simulare il loro funzionamento per replicarlo. La scelta della scienza naturale a favore della strumentalità piuttosto che della verità stava già, fin dalla sua nascita, nel rasoio di Occam (XIV sec.): “Non moltiplicare gli enti senza necessità. Ma, frate Occam, mi dici perché la spiegazione più semplice dev’essere quella vera? in qualità di giudice tra due ricostruzioni di un delitto sceglieresti automaticamente la più semplice per condannare un imputato piuttosto che un altro? Secondo comodità funziona dunque la fisica, la regina delle scienze naturali: un set di modelli semplici, di protocolli agibili, di predizioni empiricamente corroborate (e di altre falsificate), in attesa di essere sostituito da un altro set agibile più estensivamente corroborato, che non potrà mai essere completato!

Gente al Cern di Ginevra: 3.500 persone, di 22 paesi diversi (alcuni in guerra tra loro). Tante anime, tante credenze diverse, che collaborano in pace, accomunate nel lavoro da uno stesso protocollo operativo

Allora, perché accanto, non al posto, della MQ tradizionale, non s’insegna anche la teoria di Bohm? In assenza di pluralismo, nonostante le risultanze acquisite da mezzo secolo, si continuerà a “credere alle romanticherie di Copenaghen sull’indeterminismo … che le particelle non possano avere una velocità e anche una posizione, al ruolo indispensabile dell’osservatore, all’emergenza del caso…” (Bell), per il principale motivo che ciò fu insegnato a scuola da professori cui fu insegnato a scuola da professori…, in principio dai professori di Copenaghen e di Gottinga. Si confonderanno i domini della fisica e della metafisica, come accade ogni giorno nelle pagine dei giornali, investendo quella di domande cui non può rispondere perché competono a questa o, peggio, rispondendo con fantasticherie. Come fu insegnato a me a Padova negli anni ’70, anche oggi gli studenti di New York si sentiranno insegnare da un Mermin che “noi sappiamo, per dimostrazione [sic!], che la Luna non è più là quando non la osserviamo”, e Hawking potrà intrattenere la Pontificia Accademia delle Scienze, poco prima del lunch, con la buona novella che l’universo è fatto d’infiniti mondi in uno quali “la Luna è fatta di Gorgonzola”. A dimostrazione che tutti, compresi gli scienziati, vedono ciò che credono e credono ciò che amano, l’amore venendo prima di tutto per tutti gli uomini.

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About Author

GIORGIO MASIERO: giorgio_masiero@alice.it

Laureato in fisica, dopo un’attività di ricercatore e docente, ha lavorato in aziende industriali, della logistica, della finanza ed editoriali, pubbliche e private. Consigliere economico del governo negli anni ‘80, ha curato la privatizzazione dei settori delle telecomunicazioni, agro-alimentare, chimico e siderurgico, e il riassetto del settore bancario. Dal 2005 interviene presso università italiane ed estere in corsi e seminari dedicati alle nuove tecnologie ICT e Biotech.

  • Fabio Vomiero

    Articolo molto interessante che, come sempre, stimola alla riflessione. Riguardo il realismo, io credo che esista indubbiamente una realtà fisica che abbia iniziato ad esistere un bel po’ prima di noi, anche se, altrettanto indubbiamente, è ovvio che esistono poi percezioni diverse e soggettive di tale realtà (io e un indiano Dobu per esempio abbiamo due visioni completamente differenti). Ed è anche per questo infatti che esiste la scienza, il tentativo di superare questa percezione intuitivamente soggettiva per mirare a descrizioni e spiegazioni quanto più possibile oggettive, nonostante ogni descrizione del mondo alla fine regga sulle scelte potenzialmente plurali dell’osservatore (scienziato). Per quanto concerne l’interpretazione moderna della MQ, e mi scuso per la mia ignoranza in merito e il linguaggio poco tecnico, sbaglio o esiste proprio il principio di non località, secondo il quale particelle distanti sembrano in qualche modo comunicare tra di loro? Riguardo invece la “metafisica” pseudo-acuta dei filosofi positivisti – “Come faccio ad essere sicuro che c’è ancora la Luna, quando mi giro dall’altra parte?” – voglio essere schietto e provocatorio nel rispondere: “ Semplice, perché alla luce delle attuali evidenze scientifiche, modelli e teorie non ho nessuna ragione per credere che non debba essere così”.

    • Giorgio Masiero

      Grazie, Vomiero.
      Lei attenderà invano il giorno in cui la scienza empirica risponderà ad una domanda sull’esistenza della realtà. Lei, come la stragrande maggioranza della gente, compreso un buon numero di scienziati, crede all’esistenza di una realtà indipendente dall’uomo, perché è un irriducibile realista come me, io penso!

      • Giuseppe1960

        Se credere questo è essere un’irriducibile realista, beh lo sono anch’io. Lancio poi una procazione, ditemi voi se peregrina: la scienza empirica senza filosofia può essere pienamente se stessa, non la filosofia senza scienza empirica…

        • Giorgio Masiero

          Lei, dichiarandosi realista, Giuseppe, ha appena dimostrato il contrario! Cioè di filosofare indipendentemente da ogni teoria scientifica. Anzi infischiandosene allegramente (come fanno quasi tutti del resto) di ciò che pensano Bohr, Hawking, ecc., ecc.!

  • Nadia

    “La scienza non ci dice che cos’è la realtà e nemmeno come funziona, ma solo come noi possiamo simularne il funzionamento”. Più chiaro di così…
    Grazie, prof. Masiero, per avercelo dimostrato, con l’esistenza di due teorie quantistiche scientificamente equivalenti ma fondate su principi metafisici opposti.

    • Giorgio Masiero

      Grazie, Nadia.

  • Luca

    Articolo molto interessante. Premetto che non sono molto ferrato in materia e mi scuso fin da subito per l’eventuale uso di linguaggio improprio ma a me pare evidente che la scienza empirica non studia l’ente in quanto tale ma crea dei modelli che ne simulino il funzionamento. Quindi la realtà in quanto tale è oggetto di studio della filosofia, non della scienza. Così come se il principio di indeterminazione mi dice che un’osservazione non può permettermi di determinare posizione e stato di moto di un corpuscolo non significa che tale corpuscolo non abbia una determinata posizione ed una determinata velocità in quel momento, solo che io non posso stabilirlo. Ma questo non inficia la causalità. Pare incredibile (fino a un certo punto) che tra le migliori menti della scienza possano cadere nell’idealismo (e quindi nel soggettivismo) più becero ma evidentemente la chiosa finale dell’articolo è veritiera. Ci si lascia guidare a volte più dalle passioni che da una sincera ricerca della Verità.
    Rinnovo i complimenti per l’ottimo articolo.

    • Giorgio Masiero

      Grazie, Luca. Tutto perfetto, da persona “ferrata” in epistemologia!

  • Alèudin

    qualcuno può indicare uno o più libri per introdurre alla meccanica quantistica, indirizzati a persone che non hanno fatto studi specifici?

    In biblioteca trovo questo: Trent’anni che sconvolsero la fisica : la storia della teoria dei quanti di George Gamow.

    Qualcuno lo conosce?

    Grazie.

    • Giorgio Masiero

      Non penso, Alèudin, si possa scrivere un libro di MQ senza l’uso di una matematica pari almeno a quella posseduta da un laureato in matematica.

      • Alèudin

        ok, capito, grazie.

  • muggeridge

    Il discorso sulla metafisica degli scienziati è ora molto più chiaro, grazie prof. Masiero.
    Mi ha colpito la citazione di Mermin sulla “realtà” della Luna, questo non ha impedito però a degli uomini di andarci e riandarci sul nostro satellite e visto che questo fisico è un contemporaneo vivente che sa certamente questa cosa, lo stupido devo essere io…
    Però, mi chiedo, il complottismo che si è sviluppato sul fatto che “in realtà” non si sarebbe mai andati sulla Luna e che tutto è stato riprodotto artificialmente in uno studio televisivo, non è che nasce da qui ? 🙂

    • Marco Papalia

      il complottismo nasce dal fatto che la NASA ha questa caratteristica di dire su 10 cose 8 verita’ e 2 bugie (nascondere prove, camuffarle e sostituirle con computer grafica)..andare sulla luna non e’ come dimostrare una legge fisica in cui tutti possono provarlo o demolirlo. Alle missioni spaziali dobbiamo fidarci ad occhi chiusi perche’ non abbiamo i mezzi economici/umani per riprodurle o verificarle..quindi la realta’ non e’ “siamo andati sulla luna” ma e’ “la NASA ci ha detto che ci siamo andati”..poi sta ad ognuno di noi informarsi per capire quanto sia realistica o meno la loro affermazione..!!! 🙂

    • Giorgio Masiero

      Grazie, Muggeridge.
      Penso che Mermin è convinto dell’esistenza della sua auto anche quando non la guarda. E che se una mattina non la trova al suo posto, si preoccupa. Il resto è scena per i suoi studenti e per i lettori scientisti.

  • Palafreniere

    Una bella prosa controllata, razionale: mi piace

    • Giorgio Masiero

      Grazie, Palafreniere.

      • ADASON

        Mi associo per i complimenti, professore: articolo godibile, nel Suo consueto stile avvincente, ma nello stesso tempo preciso e obiettivo negli argomenti.
        Anch’io non ero al corrente della disponiblità di 2 teorie quantistiche…
        Grazie!

        • Giorgio Masiero

          Grazie, Adason.

  • GIUSEPPE CACIOPPO

    Ho letto qualcosa, in un libro divulgativo, su Bohm e Bell, nonostante il suo scetticismo sulla capacità di comprensione dei non matematici, perché non prova a spiegarci qualcosa?

    • Giorgio Masiero

      Ho provato a spiegare qualcosa di MQ in questo articolo e in altri 15 precedenti e continuerò in futuro di tanto in tanto. Però, senza matematica, resteremo ad un metalivello divulgativo.