sabato 20 giugno 2009

MAX PLANCK e la fisica dei «Quanti»


Il 14 ottobre del 1900, il segretario della Società di fisica di Berlino ricevette una comunicazione scritta di poche cartelle con preghiera di iscrivere l'argomento trattato nell'ordine del giorno di una delle sedute periodiche della Società.
Il titolo dello scritto era piuttosto oscuro: « Sul modo di superare alcuni paradossi nella teoria dell'emissione e dell'assorbimento mediante l'ipotesi che l'energia raggiante esista solo sotto forma di pacchetti discreti ».
Il presentatore era un professore universitario di bassa statura e già quasi completamente calvo. Aveva un'aria schiva e modesta, gli occhiali a stanghetta, il colletto accuratamente inamidato e la cravatta accuratamente annodata, l'aspetto dignitoso e distaccato dell'insegnante dell'epoca guglielmina che, pur avendo il diritto di fregiarsi del prestigioso titolo di «Herr Professor» era e doveva rimanere sopratutto un impeccabile funzionario dello Stato prussiano.
Il segretario della Società di fisica, applicando il regolamento. registrò la comunicazione e, dopo aver consultato il suo registro inserì il nuovo argomento da sottoporre all'attenzione dei cultori di scienze fisiche nell'ordine del giorno della seduta del 14 dicembre 1900. I due personaggi incontratisi così brevemente per espletare una formalità burocratica non avevano certo l'aria di essere dei rivoluzionari e il segretario della società berlinese era ben lungi dall'immaginare che, con quell'iscrizione, egli avrebbe fissato per sempre la data di nascita ufficiale della teoria più rivoluzionaria della storia della scienza, la teoria dei Quanti, destinata ad aprire quel trentennio di sovvertimento e di crisi del pensiero umano che il grande scienziato russo Giorgio Gamov definirà, parafrasando il titolo di un celebre libro di Reed, "I trent'anni che sconvolsero la fisica".
Ma anche il timido professore dell'Università di Berlino che si era proposto di illustrare ai colleghi la sua "ipotesi di lavoro", era ben lungi dall'immaginare le enormi conseguenze che essa avrebbe avuto. Lui, il professor Max Planck, specialista in termodinamica, aveva solo 'costruito' una formula che permetteva finalmente di interpretare i fenomeni di irraggiamento e di assorbimento dell'energia. Una formula un po' strana che si prestava a strani sviluppi matematici, ma che andava accettata perché, secondo il professor Planck, «...uno scienziato ha il dovere di osservare e descrivere onestamente la realtà...» perché, anche secondo lui, «...tutto ciò che é reale deve essere comunque razionale o razionalizzabile...».
Ecco perché egli sarebbe stato il primo a rimanere sorpreso se qualcuno gli avesse predetto che, grazie alla sua formula, trent'anni dopo sarebbe stata dimostrata l'irrazionalità dei concetti e delle misure fondamentali della fisica e l'assoluta inadeguatezza delle idee razionali proprie dell'uomo nell'interpretazione dei fenomeni che avvengono su scala atomica o che comunque appartengono al microcosmo.
Nato a Kiel il 23 aprite 1858, Max Planck aveva deciso, fin dalla sua prima giovinezza, di dedicarsi alla scienza.
Perché, come egli ebbe a scrivere più tardi nella sua "Autobiografia scientifica", egli «...riteneva che le leggi del pensiero umano coincidono con le leggi che regolano il mondo, sicché la logica pura può permetterci di penetrare nel meccanismo di quest'ultimo. In vista di ciò é di fondamentale importanza ritenere che il mondo esterno sia qualcosa di assoluto e di indipendente dall'uomo, e la ricerca delle leggi che regolano questo assoluto mi sembra costituisca lo scopo scientifico più alto della vita...».
Ma una grande influenza sulla sua decisione l'ebbe certamente un suo insegnante ginnasiale, il professor Müller, abilissimo divulgatore nel campo delle scienze naturali e uomo capace di ispirare nei giovani un grande entusiasmo scientifico.
Dopo la licenza liceale il giovane Planck studiò per tre anni a Monaco fisica sperimentale e matematica (non esistevano ancora a quel tempo corsi di fisica teorica) poi si trasferì all'Università di Berlino dove ebbe come maestri Hermann von Helmholtz e Gustav Kirchhoff, i due pionieri della termodinamica e dell'energetica i cui studi venivano seguiti e ammirati in tutto il mondo.
Laureatosi nel 1879, fu assistente all'Università di Monaco dove compì degli studi sulle miscele gassose, ma al momento di pubblicare le leggi e i teoremi scoperti, si accorse, con molto disappunto, di esser stato preceduto, sia pur di pochi mesi, dal grande fisico americano Gibbs. Nel 1885 egli pubblicò un lavoro intitolato «La natura dell'energia» che gli valse la nomina a professore di fisica all'Università di Kiel. In questo lavoro egli criticava le idee di Wilhelm Weber, professore all'Università di Gottinga e poiché a quel tempo tra le varie università e tra i cattedratici più illustri vigeva la più fiera rivalità, Planck, se da una parte si attirò l'ostracismo dell'Università di Gottinga, dall'altra si guadagnò la considerazione e la benevola attenzione dell'Università di Berlino che tendeva a soppiantare in importanza ed in prestigio la rivale Gottinga.
Così, nel 1889, non appena una cattedra fu vacante, Planck fu chiamato a Berlino dove, nel 1892, divenne professore ordinario. La sua carriera universitaria non fu certo felice né brillante: oppresso da beghe accademiche e da rivalità meschine, egli non riuscì mai a far accogliere le sue originali idee sull'entropia e sulla termodinamica. Le sue brillanti dimostrazioni matematiche passarono quasi inosservate e, come se ciò non bastasse, fu costretto ad occuparsi di argomenti di scarso interesse e del tutto diversi dei suoi studi preferiti. Così, ad esempio, gli fu ordinato di studiare la scala musicale 'naturale' non temperata necessaria per completare una perizia sull'armonium costruito dalla ditta Schiedmeyer di Stoccarda per conto del ministero. In cambio, poté tenere, con grande successo, la commemorazione ufficiale di Heinrich Hertz alla Società di fisica.
In realtà all'Università di Berlino dominava sovrana la figura di Boltzmann il quale, nonostante i suoi grandi meriti scientifici, si comportava come un 'barone' cattedratico favorendo coloro che pedissequamente sostenevano le sue vedute, anche quand'erano sbagliate, e tagliando inesorabilmente la strada a quelli che non la pensavano come lui.
Planck, che non aveva certo la tempra del lottatore, ne fu tanto amareggiato, da scrivere ancora molti anni dopo...
" In quegli anni ebbi modo di imparare una verità piuttosto importante e cioè che una verità scientifica non trionfa perché i suoi oppositori si convincono e vedono la luce, ma piuttosto perché alla fine muoiono e nasce una nuova generazione a cui i nuovi concetti diventano familiari".
Ma, nonostante l'amarezza provata, Planck continuò a dedicarsi ai problemi che gli stavano a cuore sopratutto quelli legati all'impossibilità di descrivere matematicamente le leggi dell'assorbimento e dell'irraggiamento in funzione della temperatura. In questo senso gli fu utile il disinteresse dei suoi colleghi e la scarsa possibilità di comunicare con loro in quanto essi, seguendo le idee tradizionali del tempo, si ostinavano a cercare una soluzione 'calorimetrica' del problema anziché quella statistica e termodinamica che Planck aveva in mente avendo profondamente capito il concetto di entropia e di probabilità.
Fu così che egli riuscì a costruire una formula matematica in cui rientravano perfettamente tutti i dati sperimentali noti. C'era solo un piccolo neo, e cioè che perché questa formula avesse un senso bisognava ammettere che l'energia non ha una struttura continua e che un suo qualsiasi valore deve essere un multiplo intero di una certa quantità h , che Planck chiamò «quanto d'azione» e che noi chiamiamo ora «costante universale di Planck».
Questo "Quanto d'azione" quindi rappresenta la più piccola quantità d'energia esistente in natura e tutti i rapporti energetici, come l'emissione e l'irraggiamento, avvengono per multipli interi e indivisibili di questa quantità, cioè per "pacchetti d'energia".
La comunicazione di Planck, discussa nella seduta del 14 dicembre 1900 destò un grande scalpore: era innegabile che la formula da lui proposta spiegava perfettamente i fenomeni ma il concetto di 'discontinuità'che essa introduceva era semplicemente grottesco e inaccettabile. Tutta la fisica e tutta la matematica erano basate sull'ipotesi che esistesse un 'continuo' e che tutte le grandezze potessero variare solo progressivamente modificandosi per quantità infinitamente piccole o per 'infinitesimi'. I fisici teorici e Planck stesso si misero quindi subito al lavoro per eliminare dalla scienza un simile anacronismo, per trovare una soluzione che salvasse contemporaneamente e la formula e la continuità. Ma fu tutto inutile: la discontinuità non poteva assolutamente essere eliminata dai calcoli.
Non solo, ma cinque anni dopo Albert Einstein riusciva a spiegare finalmente il misterioso effetto fotoelettrico (che si verifica quando un fascio di luce colpisce una lamina di certi metalli con l'emissione di elettroni) proprio adottando l'ipotesi di Planck e cioè ammettendo che anche la luce era composta da pacchetti d'energia multipli del quanto d'azione. Poco dopo Compton dimostrava che anche i raggi X hanno una struttura granulare discontinua e finalmente, nel 1913, il fisico danese Niels Bohr applicò al modello dell'atomo planetario di Rutherford le ipotesi di Planck sulla discontinuità dell'energia assegnando delle "regole di quantizzazione" anche agli atomi. Egli suppose cioè che gli elettroni che gravitano intorno al nucleo non possano avere delle energie arbitrarie, ma soltanto delle energie discrete cioè multiple del quanto d'azione. In base a questo modello ogni variazione di energia, cioè ogni 'salto' dell'elettrone da un'orbita all'altra doveva essere accompagnato dall'emissione o dall'assorbimento di un "quanto di luce" cioè di un pacchetto d'energia a sua volta multipla del quanto d'azione. Questo modello rivoluzionario che estendeva la discontinuità anche al mondo della materia descriveva perfettamente tutti i fenomeni ancora inspiegati dell'atomo e, nello stesso tempo, spiegava anche il perché dell'ipotesi di Planck e la giustificava in pieno facendola uscire dal regno delle "ipotesi di lavoro" per farla entrare in quello della descrizione effettiva della realtà. Fu solo a questo punto, nel 1918, che Max Planck ebbe il Premio Nobel per la sua grande scoperta.
Ma il cammino dei quanti non si concludeva certo così.
Nel 1925 compariva l'ottica quantistico-ondulatoria di De Broglie che col suo dualismo tra interpretazione ondulatoria e interpretazione corpuscolare sembrava introdurre anche in fisica il principiò della doppia verità e qualche anno dopo Werner Heisenberg elaborò una complessa teoria matematica affrontando i problemi dei quanti con il metodo dell'«algebra non commutativa». Il risultato fu che i concetti tradizionali di misura e di rappresentazione del mondo atomico andarono in frantumi e si dimostrò che la logica umana, anche scientifica, profondamente influenzata dalla realtà quotidiana e dalle sue più immediate esperienze, era del tutto insufficiente a dare una rappresentazione reale dei fenomeni su scala atomica. La scienza dovette quindi rinunciare a tutti i suoi comodi modelli più o meno antropomorfi per ricorrere esclusivamente a degli algoritmi matematici di grande astrattezza e di grande precisione, completamente svincolati dall'intuizione e saldamente ancorati a delle grandezze base di carattere invariativo.
Restava tuttavia da superare ancora una grossa difficoltà: come conciliare la teoria rivoluzionaria dei quanti con l'altra grande teoria rivoluzionaria del nostro tempo, la teoria della Relatività? Di questo problema si occupò un giovane fisico inglese, Dirac, che scrisse nel 1929 la sua famosa "equazione d'onda relativistica" in cui non solo le due teorie venivano unite, ma che faceva addirittura prevedere l'esistenza di nuove particelle, gli elettroni positivi e i protoni negativi. Queste particelle furono effettivamente scoperte molti anni dopo e contribuirono potentemente allo sviluppo dell'energetica e della comprensione corretta e dialettica dell'universo.
II discorso sul significato filosofico della teoria dei quanti e sulle sue conseguenze sui metodi e sulla mentalità della scienza è vastissimo e va senz'altro ripreso.
Oggi vogliamo concludere parlando di questa teoria, sottolineando l'umanità e l'onestà della figura di Max Planck che, dopo l'enorme successo delle sue idee, continuò modestamente a insegnare fisica elementare ai suoi allievi accontentandosi di seguire da lontano quegli sviluppi scientifici che egli aveva provocato ma che erano troppo lontani dalla sua mentalità e forse dai suoi gusti. Egli seguì le sorti della sua creazione quasi trepidando e quasi timorosa della crisi generale che essa aveva suscitato nella fisica. Tenne numerose conferenze occupandosi delle conseguenze che da essa derivavano sul libero arbitrio, sul determinismo e sulla ricerca di quelle verità assolute che erano siate lo scopo e l'obiettivo della sua vita di scienziato. Ma non interferì mai con la sua voce pur tanto autorevole nel lavoro degli altri scienziati perché così facendo egli seguiva il suo codice morale che gli prescriveva di "fare onestamente il proprio dovere e di servire umilmente lo spirito di verità".
Nel 1928 egli andò in pensione e visse ancora 20 anni in un mondo ormai completamente cambiato.
In fondo egli era partito dalla scienza positivista, dalla carriera statale prussiana, dal principio che "tutto ciò che é reale é razionale" ed era approdato nel regno della fisica dell'«indeterminato» e del «relativo», in una patria completamente annientata dalla follia hitleriana. La sua stessa vita privata é stata caratterizzata da queste due situazioni estreme: il suo figlio primogenito cadde sui fronti della prima guerra mondiale e fu ricordato come un eroe, il suo secondo e ultimo figlio morì assassinato dalle SS dopo crudeli torture perché accusato di far parte della Resistenza antihitleriana e di tradimento. Lo stesso Planck fu perseguitato, nonostante la sua tarda età. Ma nessuna cosa riuscì ad abbatterlo perché, come egli scrisse poco prima di morire, ..."sono forte: ho sempre fatto il mio dovere e seguito onestamente i miei sentimenti e le mie idee".
Max Planck, il creatore della fisica moderna, morì povero e solo in una fredda stanza della Berlino semidistrutta, in una giornata d'ottobre del 1947.


GLOSSARIO QUANTISTICO

Microcosmo = il mondo dell'infinitamente piccolo

Termodinamica = parte della fisica che studia le reciproche trasformazioni tra calore e lavoro meccanico

Entropia = grandezza che misura il grado di disordine e di livellamento raggiunto da un insieme di molecole e atomi di differente energia

Dualismo onda-corpuscolo = il fatto contradditorio che la luce si comporti in certi fenomeni come un corpuscolo (es. effetto fotoelettrico), in certi altri come onda (es. interferenza). E' stato spiegato con l'ipotesi che tutte le radiazioni sono composte da pacchetti d'onde (quanti) cioè da corpuscoli a cui sono associate anche onde

Algebra non commutativa = speciale algebra in cui non è valida la proprietà commutativa del prodotto, cioè in cui a x b non è uguale a b x a

Antropomorfismo = tendenza ad attribuire caratteristiche umane o tratte dalla limitata esperienza quotidiana dell'uomo anche a ciò che non è umano

Algoritmo = impostazione particolare e convenzionale per risolvere un determinato calcolo

Determinismo = concezione morale o scientifica basata sul concetto dì "legge assoluta" e di previsione assoluta (cosa rivelatasi impossibile a livello atomico). II suo contrario è il "libero arbitrio".


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