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Il micro e il macro mondo

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Articolo 11/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni VillaniIn questo articolo tratteremo della “realtà” del mondo microscopico.  Fino all’Ottocento inoltrato, molti scienziati ritenevano che il concetto di atomo (e di molecola) fosse “utile”, ma non si esprimeva o era scettico sulla realtà di questi enti.  Con l’inizio del XX secolo, sembrava che la realtà degli atomi fosse acclamata (non fosse altro che per i numerosi modi di “contarli”, trovare, cioè il numero di Avogadro).  È arrivato, poi, l’atomo quantistico con le sue “stranezze” e il problema si è riaperto.  In questo articolo parleremo proprio della realtà del mondo microscopico, lasciando al successivo articolo il compito di chiarire come questo mondo microscopico si connette (e “spiega”) a quello macroscopico.

Il consolidarsi della meccanica quantistica, e della corrispondente visione scientifica del mondo microscopico, ha lasciato aperto molti problemi generali e filosofici, il principale di questi problemi è proprio quello ontologico: che realtà attribuire agli enti scientifici microscopici come particelle elementari, atomi, molecole, ecc.?  Che differenza c’è tra un “oggetto” del micro e uno del macro mondo?

realtà macroscopica e microscopicaQui cercheremo di dare una risposta alla fondamentale domanda del mondo microscopico: all’atomo quantistico, che ha delle caratteristiche “strane”, possiamo attribuire la stessa realtà che si attribuisce ai fogli di carta su cui è scritto un libro?  Se la risposta è positiva, il problema della “stranezza” delle sue “proprietà” si pone in un certo modo; se la risposta è negativa allora bisogna prima chiarire che grado di realtà possiede il mondo microscopico e poi occuparsi delle sue strane proprietà.

Questo problema fu un autentico “dramma” intellettuale per alcuni autori.  Qui noi lo esemplificheremo con la disputa tra la “nuova visione”, sostenuta da Bohr, e il “realismo all’antica” di Einstein.  Gli aspetti quantistici che sono rilevanti nel contesto di questo articolo sono tre: quello probabilistico introdotto da Born (considerato intrinseco alla natura del mondo atomico), il principio di indeterminazione di Heisenberg e l’idea di complementarietà di Bohr.  Ci sposteremo poi in ambito totalmente filosofico con un filosofo, caso più unico che raro, che si è interessato concretamente al mondo microscopico fino al punto da parlare anche delle molecole e della loro struttura.

Un aspetto preliminare da chiarire è che la scienza si occupa di enti ideali o modelli.  È stata questa la grossa intuizione di Galileo e la grande rottura con la fisica aristotelica.  A rigori, quindi, nessun ente scientifico è “reale”, nel senso quotidiano che si attribuisce a questo termine.  Anche i sassi, studiati dalla geologia, sono intrisi di teoria che li rende molto meno “materiali” dei sassi usati dai costruttori di immobili.  Basti pensare agli animali studiati dalla zoologia che devono essere sempre sfrondati delle caratteristiche accidentali e individualizzanti per essere studiati.  Il problema della “realtà” del mondo microscopico va, comunque, oltre questo aspetto generale.  Ha sue specifiche caratteristiche.

esempi di interazioni luce-materia

esempi di interazioni luce-materia

Nel 1926 Max Born introdusse un punto di vista probabilistico nell’universo atomico e subatomico.  Questo cambiamento fu drammatico e profondo nella percezione e descrizione scientifica del mondo . In pratica, nella visione probabilistica della funzione d’onda introdotta da Born non si può più dire che all’istante t la particella è nel punto P, ma solo che esiste una certa probabilità che ciò avvenga.  La particella può essere dovunque nello spazio e non esiste possibilità di localizzarla con “certezza”.  Questa fu una radicale rottura con il modo classico di localizzare un ente.

Einstein scrisse: “Su questo punto, l’odierna teoria quantistica differisce fondamentalmente da tutte le teorie fisiche precedenti, sia di quelle meccanicistiche come di quelle della teoria dei campi. Invece della descrizione modello di un evento spazio-temporale attuale, essa dà la distribuzione delle probabilità per le possibili misure in funzione del tempo”.   Il concetto probabilistico di Born, infatti, è molto diverso da quello della probabilità fin allora usata in fisica, per esempio nella meccanica statistica.  Come già detto, il sistema meccanico a cui si applicava la probabilità classica era considerato del tutto deterministico e solo la nostra ignoranza rendeva necessaria un’approssimazione statistica. Nella meccanica quantistica la situazione è completamente diversa.   È nella “natura” della particella la sua componente probabilistica e non nella nostra ignoranza.

Riguardo al principio di indeterminazione di Heisenberg, quello che è rilevante in questo contesto è che esso impone un limite alla risposta del sistema alla nostra misura, limite intrinseco alle proprietà del mondo delle particelle elementari: poiché una misura su di un sistema implica interazioni dell’ordine di grandezza della costante di Planck, cioè dello stesso ordine di grandezza dei processi atomici, qualsiasi misura muta in maniera sostanziale il sistema in esame.

Werner Karl Heisenberg

Werner K. Heisenberg

Per Heisenberg, le visioni di Pitagora e di Platone erano diverse da quella di Democrito e a lui più affini: “Le particelle elementari nel Timeus di Platone sono decisamente non sostanze ma forme matematiche” e poi vi è una celebre frase attribuita a Pitagora ‘Tutte le cose sono numeri’.   Come notò J. L. Heilbron: “Nella metafora romantica di Heisenberg, la fisica moderna spoglia gli atomi dell’ultima vestigia di personalità. Democrito li aveva privati del colore e del sapore, ma almeno gli aveva lasciato l’estensione, la posizione e la velocità. Per l’atomo della fisica moderna, tutte queste proprietà sono semplicemente quantità derivate”.

Bohr ed Einstein sono stati due tra i maggiori scienziati del XX secolo. Ambedue hanno contribuito in maniera sostanziale alla creazione e allo sviluppo della meccanica quantistica, ma avevano un’idea molto diversa sul significato generale di questa teoria. Essi possono essere considerati dei capifila di due approcci diversi alla meccanica quantistica, approcci che con alterne fortune, sono ancora in competizione nella fisica odierna.

immagineIl primo a tirare fuori conclusioni filosofiche dalle relazioni di indeterminazione fu lo stesso Heisenberg.  Identificando la legge di causalità con l’espressione “l’esatta conoscenza del presente consente il calcolo del futuro”, egli osservò che in questa frase “non è la conclusione ma l’ipotesi ad essere falsa”. Infatti, “Poiché tutti gli esperimenti obbediscono alle leggi quantistiche e, di conseguenza, alle relazioni di indeterminazione, la non correttezza della legge di causalità è una conseguenza definitivamente stabilita della stessa quantomeccanica”.

Nella discussione sul significato fisico della quantomeccanica, Bohr elaborò una sua posizione originale che travalicò la meccanica quantistica, la fisica ed anche la scienza per divenire un approccio generale, utilizzabile anche in altre discipline. Tale approccio si basa sul concetto di “complementarietà”. Esso rappresenta l’uso di due concetti, tra loro contraddittori e inconciliabili (es. corpuscolo-onda), ma ambedue necessari per una descrizione completa di un sistema, sia esso il mondo atomico o una società primitiva. La complementarietà in quantomeccanica si basa su due impossibilità: la prima di usare il linguaggio classico, desunto dall’esperienza con oggetti macroscopici, nel mondo microscopico; la seconda sull’impossibilità di costruire un linguaggio quantistico che rimpiazzi i concetti classici con altri appropriati. La complementarietà cerca di dare soluzione al dilemma di descrivere fenomeni atomici utilizzando il linguaggio della fisica classica.

francobollo dedicato al modello atomico di BohrPer Bohr comunque la complementarietà riguardava l’ambito del discorso e non delle cose. Per Bohr non esisteva il problema se la tale particella era corpuscolare o ondulatoria, ma solo se tale particella si presentava come corpuscolare o ondulatoria in una data situazione. Per Bohr: “Il nostro scopo non è di scoprire l’essenza delle cose, il significato del quale ci sfuggirà in ogni caso, ma semplicemente sviluppare concetti utili per parlare dei fenomeni naturali in un modo produttivo”, ma non tutti quelli che aderirono all’interpretazione complementare della meccanica quantistica la pensarono allo stesso modo su questo punto.

La posizione di Bohr, e il generale concetto di “complementarietà”, è senz’altro importante per rimuovere quel realismo ingenuo che quasi sempre sta alla base filosofica, e non solo, del lavoro scientifico. Essa ci ha aiutato a capire che anche i termini concettuali che appaiono più evidenti e immediati (come corpuscolo) sono in realtà intrisi di teoria, sono dei modelli, e, come tali, applicabili perfettamente in certi ambiti di realtà, ma che, in altri ambiti, possono diventare inutili se non dannosi. Tale conquista generale è proprio partita con Bohr dalla riflessione sulla meccanica quantistica.

Dio non gioca a dadiLa posizione di Einstein sulla meccanica quantistica si può riassumere nell’espressione, un po’ pittoresca, “Dio non gioca a dadi”.  Egli rigettava completamente che una visione puramente probabilistica (come è quella proposta da Born sulla funzione d’onda) potesse essere l’ultimo stadio della nostra conoscenza del mondo atomico. Einstein era convinto che l’aspetto statistico della teoria fosse solamente dovuto a una nostra incapacità nel trovare le leggi sottostanti e che, quindi, non fosse “intrinseco” alla materia, ma solo temporaneo e nella nostra descrizione. Per Einstein, la meccanica quantistica come si era evoluta alla fine degli anni Venti, non descriveva il comportamento di un singolo sistema, ma di un insieme di sistemi. Questa interpretazione statistica della meccanica quantistica identificava le probabilità quantomeccaniche con le frequenze relative dei risultati in un insieme di esperimenti identici, una nozione molto più usuale per i fisici, ed aprì la strada alla teoria delle “variabili nascoste”.

L’insistenza dello scienziato austriaco sulla natura provvisoria (e non de facto) della probabilità quantistica, ci aiuta a non assolutizzare i risultati scientifici.  Noi non potremo mai sapere se realmente gli aspetti probabilistici della meccanica quantistica sono nella “natura” di questo mondo o nella nostra teoria.  Come già evidenziava Bohr “Il nostro scopo non è di scoprire l’essenza delle cose”, perché queste verità assolute ci sono, in quanto uomini, precluse.  Forse esistono altri modi per percepire queste verità; i modi che comunque si sono sviluppati in ambito scientifico, ed in chimica in particolare, non ci consentono di parlare della “natura” delle cose, se non nel senso del linguaggio comune in cui questo termine significa che le cose sono così e basta.  Dire, infatti, che una proprietà di un ente è nella “natura” dell’ente non aggiunge niente altro alla comprensione scientifica che si aveva dell’ente prima di tale asserzione.

la conoscenza secondo Einstein

Veniamo, infine, a un filosofo che ha riflettuto sulla realtà del mondo microscopico: Gaston Bachelard.  Per Bachelard, la chimica da un lato va verso la moltiplicazione delle sostanze, e quindi verso il mondo plurale, dall’altro la teoria consente una sintesi di questa pluralità. Infatti, da una parte la chimica non esita “a moltiplicare le sostanze, a considerare composti eterogenei spesso svelati nel corso dell’esperienza; la chimica è perciò conquista delle specificazioni, della diversità che non gioca alla superficie del fenomeno ma si trova in profondità e caratterizza le sostanze plurime (substances multiples)”. Dall’altra parte, vi è la necessità della coerenza, non richiesta come principio o presupposto filosofico della generalità e dell’unità, ma come bisogno di padroneggiare il diverso attraverso il pensiero. In chimica “uno sforzo di assimilazione succede ad ogni tentativo di diversità”. Per Bachelard, la chimica moderna si configura sempre più nettamente come un progetto di una sistematica delle sostanze che ne rispetti il pluralismo di base, ma che permetta il superamento del loro isolamento qualitativo; una sistematica che individui “il posto della sostanza singola nel piano generale di tutte le altre sostanze”.

Un secondo aspetto della filosofia di Bachelard da evidenziare è che, nel quadro del rapporto tra pluralità e razionalità che cerca di dominarla, Bachelard attribuisce un’importanza fondamentale all’opera di Mendeleev.  La tavola periodica degli elementi, con la sua storia e le sue modifiche, costituisce una delle pagine più filosofiche della chimica e della scienza tutta; la sua scoperta determina una rivoluzione copernicana e apre un’era nuova per la chimica, portandola a superare definitivamente le antiche classificazioni. Insomma, con la tavola periodica, viene posta in maniera illuminante la prospettiva di una sistematica degli elementi della materia, la quale provoca il passaggio “dall’era analitica di Lavoisier all’era sintetica di Mendeleev”.

Gaston Bachelard

Gaston Bachelard

Per Bachelard, gli oggetti chimici sono i risultati, gli effetti dei procedimenti tanto della ragione quanto delle tecniche di laboratorio.  I corpi chimici non sono elementi “trovati in un’analisi”, ma “provati in una sintesi”, non sono dei “dati”, ma dei “prodotti”, non sono dei “fatti”, ma degli “effetti”. La chimica, più che una fenomenologia, cioè una scienza dell’osservazione o descrizione dei fenomeni, è una fenomenotecnica, cioè una scienza che produce fenomeni.  È tale fenomenotecnica che permette di superare il vecchio problema filosofico della realtà del mondo esterno: “L’attività dell’uomo è qui manifesta. Questa attività instaura fra lo spirito ozioso e il mondo contemplante la realtà umana. Il problema classico della realtà del mondo esterno riceve un terzo termine … La potenza di variazione fenomenotecnica è una nuova istanza della filosofia. Essa duplica il reale con il realizzato … Al dato si sostituisce l’elaborato”.

Anche i caratteri fondamentali degli elementi chimici, l’omogeneità, la semplicità, la purezza, vanno riconsiderati per Bachelard non in senso naturalistico ma artificiale, come il risultato di un atto di costruzione del pensiero e della tecnica: “Il semplice non è il dato, ma il risultato di una tecnica di sicura omogeneizzazione”; ugualmente “la purezza, nel regno della materia, non è mai propriamente un dato … per riconoscerla la cosa migliore è di istituirla in un processo di purificazione”, rendere solidale “la nozione di purezza con la nozione di operazione di purificazione”.

Bachelard condivide la definizione della chimica data da August Laurent “La chimica di oggi è diventata la scienza dei corpi che non esistono”; aggiungendo subito dopo: “Quanto a quelli esistenti, il chimico deve, in qualche modo, rifarli per dare loro lo statuto di conveniente purezza, per metterli alla pari, in termini di finzione con gli altri corpi creati dall’uomo”.

Io mi ritrovo con molte delle idee di Bachelard, ma su una in particolare, no. Come abbiamo cercato di mostrare negli articoli precedenti, il concetto di struttura molecolare è fondamentale per la chimica e per la comprensione e l’irriducibilità della materia microscopica a qualsiasi altro concetto fisico, per esempio l’energia o il campo. Il concetto di struttura molecolare non si esaurisce nelle relazioni spaziali tra gli atomi ed è sicuramente fondamentale includervi aspetti dinamici. Tuttavia Bachelard, a mio avviso, con la sua paura di una “chimica delle sostanze materiali”, svaluta enormemente tale concetto, fino a considerarlo quasi un impiccio nella matematizzazione e smaterializzazione della realtà chimica.

3 risposte a Il micro e il macro mondo

  • carmine scrive:

    Egregio Dott.re Villani Giovanni, potrebbe gentilmente spiegarmi in che modo il mondo microscopico si connette o se ha delle analogie di funzionamento con quello macroscopico?
    La ringrazio anticipatamente.
    Cordiali saluti, Carmine De Carlo

  • Villani scrive:

    La chimica è nata come scienza dell’analisi, come scienza (e, prima ancora, come tecnica) per separare all’interno di un materiale i “costituenti”. Nella seconda parte dell’Ottocento si è trasformata in scienza della sintesi, sia sintentizzando in laboratorio composti presenti in natura, ma in quantità piccole rispetto alle esigenze, sia “creando” nuovi composti per specifiche esigenze. Quello che dice Laurent (e con lui Bachelard) è che in realtà tutti i composti chimici sono in un certo senso “sintetici”, o perché sintetizzati o perché purificati.
    Più in generale, il concetto di “tecnoscienza” di Bachelard va oltre l’usuale distinzione di scienza e tecnica, vedendo queste due attività così collegate tra di loro da divenire un solo ambito. Interessante a tale proposito, anche se un po’ difficile, è il libro di Umberto Galimberti “Opere. Vol. 12: Psiche e techne. L’uomo nell’età della tecnica” (Feltrinelli, 2002). La fusione tra scienza e tecnica, tra le altre cose, pone dei grossi problemi di etica agli scienziati. Non è più possibile dire “io mi occupo della teoria (che non è né buona né cattiva), altri si occupano delle applicazioni (che possono essere sia buone sia cattive)”. Ormai i due ambiti sono così intrecciati che queste semplificazioni sono saltate.

    Giovanni Villani

  • Christian Parolini scrive:

    Buongiorno professore,

    potrebbe spiegare in sintesi cosa intende dire Laurent con: “La chimica di oggi è diventata la scienza dei corpi che non esistono” ?

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