QUADERNI DI FILOSOFIA. Collana di studi e testi diretta da ALDO BRANCACCI E GIANNA GIGLIOTTI NAPOLI 2012

Transcript

1 QUADERNI DI FILOSOFIA Collana di studi e testi diretta da ALDO BRANCACCI E GIANNA GIGLIOTTI 10 NAPOLI 2012

2 QUADERNI DI FILOSOFIA Collana di studi e testi DIRETTORI Aldo Brancacci e Gianna Gigliotti (Università di Roma Tor Vergata) COMITATO SCIENTIFICO Rudolf Bernet (Katholieke Universiteit Leuven), Monique Dixsaut (Université de Paris I Panthéon-Sorbonne), Anton Friedrich Koch (Eberhard-Karls-Universität Tübingen), Tom Rockmore (Duquesne University, Pittsburgh)

3 NICCOLÒ ARGENTIERI ANGELO BASSI PAOLO PECERE MECCANICA QUANTISTICA RAPPRESENTAZIONE REALTÀ UN DIALOGO TRA FISICA E FILOSOFIA BIBLIOPOLIS

4 Questo volume è pubblicato con il contributo dell Università di Roma Tor Vergata (PRIN 2008, coordinatore unità prof. Gianna Gigliotti), del Dipartimento di Fisica dell Università di Trieste (PRIN 2008 L emergere di fenomeni classici nell ambito della meccanica quantistica: Teoria ed esperimenti ) e del Fondo d Ateneo per la Ricerca (FAR), concesso dal Dipartimento di Scienze Umanistiche dell Università degli Studi di Cassino. Proprietà letteraria riservata ISBN Copyright 2012 by «Bibliopolis, edizioni di filosofia e scienze» Napoli, via Arangio Ruiz info@bibliopolis.it

5 INDICE Introduzione p. 9 ANGELO BASSI Meccanica quantistica e rappresentazione della materia» 15 Introduzione» 17 I. La crisi della fisica classica» 19 I.1. Aspetti corpuscolari e aspetti ondulatori della luce» 19 I.1.a. Il corpo nero e l ipotesi di Planck» 19 I.1.b. L effetto fotoelettrico e il contributo di Einstein» 23 I.1.c. L effetto Compton» 24 I.2 Aspetti corpuscolari e aspetti ondulatori della materia» 26 I.2.a. L atomo di Bohr» 26 I.2.b. L ipotesi ondulatoria di De Broglie» 29 I.2.c. Interferenza con elettroni» 31 II. Onde o particelle?» 34 II.1. Primo modello: l ipotesi corpuscolare» 34 II.2. Secondo modello: l ipotesi ondulatoria» 37 II.3. Né onde né particelle?» 39 III. La soluzione ufficiale: la meccanica quantistica» 41 IV. Quantum Theory without Observers» 49 V. La meccanica Bohmiana» 52 VI. I modelli di collasso spontaneo della funzione d onda» 58 VII. Conclusioni» 62

6 8 INDICE PAOLO PECERE Fisica quantistica e realtà. Considerazioni storicofilosofiche p. 67 Introduzione» 69 I. Il dibattito tra i fisici: completezza vs incompletezza della meccanica quantistica» 71 II. Le interpretazioni filosofiche: analisi e critica della teoria quantistica» 93 II.1. Interpretazione di Copenhagen e neopositivismo logico» 96 II.2. Popper e le interpretazioni realistiche» 106 II.3. Apertura e mutamento teorico: paradigma vs proliferazione delle alternative» 117 III. Kantismo e fisica quantistica: il dibattito sull a priori» 135 IV. Note su realtà e realismo nel dibattito attuale» 160 IV.1. Metafisica/fisica» 160 IV.2. Ontologia, limiti della descrizione fisica, realtà della coscienza» 165 IV.3. Oggettività, visualizzabilità, ricerca di modelli alternativi» 171 NICCOLÒ ARGENTIERI Lo Spirito di Copenhagen. Linguaggio e realtà nell epistemologia di Bohr e Heisenberg» 179 Premessa. Lo spirito e lo spettro» 181 I. Questioni di metodo: epistemologia e filosofia» 187 II. La comprensione della meccanica quantistica. Lo spirito come factum» 196 III. Bohr: la contestualità dell esperienza e la complementarietà delle descrizioni» 204 IV. Heisenberg: la meccanica quantistica e l architettura dei saperi» 214 Conclusione. Lo spirito come spettro: si può smentire filosoficamente Copenhagen?» 223 Summaries» 227

7 INTRODUZIONE La meccanica quantistica è una delle teorie più potenti ed efficaci della scienza contemporanea, ma nello stesso tempo è stata accompagnata fin dall inizio da un serrato dibattito intorno alla sua interpretazione. Secondo alcuni dei massimi fisici che contribuirono alla sua fondazione, tra cui Niels Bohr, Werner Heisenberg e Max Born, una comprensione definitiva della teoria sarebbe stata raggiunta già intorno al 1927 e avrebbe messo in luce come la nuova meccanica fornisse importanti insegnamenti generali riguardo alle condizioni e ai limiti della conoscenza fisica in genere. Questo punto di vista, che raccoglie al suo interno concezioni diverse, divenne in poco tempo dominante sotto il titolo di interpretazione di Copenhagen. Ma essa venne ritenuta inaccettabile da alcuni grandi fisici, che a loro volta hanno dato contributi essenziali alla nascita e allo sviluppo della teoria, come Erwin Schrödinger, Louis de Broglie e Albert Einstein. Secondo i primi due la meccanica quantistica avrebbe avuto bisogno di un interpretazione diversa, che salvaguardasse alcune caratteristiche essenziali della conoscenza fisica; secondo Einstein, per le stesse ragioni, essa avrebbe dovuto essere integrata entro una teoria del tutto diversa. Le obiezioni di questi grandi scienziati, tuttavia, non fecero presa sulla comunità scientifica, e col tempo il carattere concettualmente problematico della meccanica quantistica non è stato più avvertito dalla maggioranza dei fisici, che sono in genere incoraggiati dall efficacia predittiva del formalismo a dare poco peso all interpretazione della teoria. Ciononostante il problema è stato periodicamente riaperto, impegnando alcuni tra i migliori fisici ed epistemologi del secolo XX, ed è aperto oggi più che mai, al punto che ormai anche presso la comunità scientifica acquistano credito teorie alternative, la cui ragion d essere è proprio la ricerca di un interpretazione diversa da quella in-

8 10 INTRODUZIONE segnata nei manuali e nelle aule universitarie. In questo contesto, la letteratura scientifica e quella divulgativa continuano per lo più a presentare una visione omogenea della teoria. Questo libro mira a mettere in evidenza lo stato aperto della questione, la proliferazione di nuove teorie e l esigenza di nuove riflessioni, insomma, il fatto che la stessa identità teorica della meccanica quantistica sia attualmente in questione. Il carattere dei problemi in gioco e l opportunità di riconsiderarli tenendo conto di quasi un secolo di discussioni rendono necessario oltrepassare i correnti confini disciplinari tra fisica, filosofia e storia della scienza. A questo scopo, muovendo da un incontro seminariale, si è deciso di mettere a confronto la prospettiva di un fisico impegnato nella ricerca sui modelli alternativi a quello standard con quelle di filosofi che risalgono alle origini e alle ragioni di questo dibattito epistemologico. I tre saggi introducono il lettore al cuore dei problemi in gioco e presentano diverse prospettive originali per affrontarli. Il saggio di Angelo Bassi contiene un introduzione essenziale ai problemi interpretativi della meccanica quantistica, concentrandosi sulla questione-chiave della rappresentazione della materia. Esso propone dunque una valutazione critica della situazione attuale della teoria. Di fronte alla paradossale evidenza, secondo cui la materia mostra di avere proprietà sia corpuscolari, sia ondulatorie, la soluzione ufficiale di Copenhagen comporterebbe una troppo frettolosa rinuncia alla descrizione della materia a livello microscopico. Questa rinuncia coincide con il postulato secondo cui il processo di misura comporterebbe una brusca modificazione nell informazione sullo stato del sistema fisico, che non possiede spiegazioni all interno del formalismo fisico-matematico. Il saggio insiste dunque sulla possibilità di considerare il processo di misura come un normale processo fisico, descrivibile all interno della teoria. Ciò consente di recuperare una descrizione completa e omogenea della materia in tutti i processi studiati dalla fisica quantistica, facendo a meno delle delimitazioni gnoseologiche imposte dall interpretazione di Copenhagen. Questo orientamento è stato perseguito da interpretazioni e

9 INTRODUZIONE 11 teorie alternative comparse a partire dagli anni Cinquanta. Vengono illustrate in particolare le due teorie che si propongono come alternative alla meccanica quantistica standard, senza limitarsi a interpretarne il formalismo, ma modificandolo: la meccanica Bohmiana e i modelli di collasso spontaneo della funzione d onda. Entrambe, in modi diversi, e con diversi vantaggi e svantaggi, restituiscono alla teoria quantistica una rappresentazione omogenea della materia. Il saggio di Paolo Pecere presenta una ricostruzione storica degli aspetti filosofici del dibattito sulla fisica quantistica, proponendo una prospettiva originale sui rapporti tra l elaborazione dei fisici e le diverse interpretazioni avanzate da filosofi e storici. L esigenza di una tale ricostruzione nasce dal fatto che, nel recente dibattito sulla fisica quantistica, le teorie alternative a quella standard non vengono sostenute in base a criteri di maggiore efficacia sperimentale, ma in base a diverse concezioni dell oggettività fisica e della descrizione scientifica. Tuttavia, il riferimento a tesi metafisiche o epistemologiche come realismo e positivismo, che spesso è usato per spiegare i conflitti teorici in atto, non fa giustizia alla ricchezza del dibattito fisico e filosofico che ha accompagnato la storia della teoria quantistica. Il saggio delinea dunque la storia degli orientamenti filosofici sulla fisica quantistica, con particolare riferimento alla questione di come sia stata intesa la realtà di cui si occupa la teoria. Accanto a realismo e positivismo, che si rivelano esser state famiglie di punti di vista non omogenei, viene riconosciuto il ruolo trasversale svolto dalla tradizione kantiana nella riflessione di fisici come Bohr, Heisenberg, Einstein, Weizsäcker, D Espagnat; filosofi come Reichenbach, Popper e Cassirer; storici come Kuhn e altri interpreti più recenti. Alla luce della ricostruzione storica, che mette in evidenza aspetti spesso poco considerati delle riflessioni sulla teoria, vengono proposte infine alcune considerazioni sullo stato contemporaneo del dibattito. Il saggio di Niccolò Argentieri intende dimostrare l esemplare rilevanza che la formulazione ortodossa della meccanica quantistica può ancora oggi assumere per una riflessione filosofica. La nuova concezione della realtà e della conoscenza introdotta nella storia della fisica dallo spirito di Copenhagen ha in-

10 12 INTRODUZIONE fatti reso necessaria un attenta indagine genealogica rivolta ai concetti fondamentali della scienza naturale e ai presupposti che guidano la costituzione di un sapere scientificamente rigoroso. Tale indagine genealogica ha condotto a una più chiara intelligenza della complessità e del carattere storicamente determinato di ciò che chiamiamo complessivamente scienza moderna. Cosicché la meccanica quantistica questa la tesi principale del saggio si presenta alla filosofia come la teoria che la fisica ha prodotto facendo esperienza delle proprie condizioni di senso, vale a dire dei propri limiti. La crisi epistemologica aperta dalla quantizzazione di Planck non è allora, da questo punto di vista, uno spiacevole incidente da superare e dimenticare appena possibile, bensì, quasi al contrario, l occasione di una nuova presa di coscienza, per cui il soggetto-scienza, cioè quel polo soggettivo che si definisce correlativamente all oggettività autonoma e universale propria della scienza moderna, incontra la propria struttura trascendentale. Come si vede, i saggi che compongono il volume presentano approcci diversi e soluzioni per certi aspetti finanche contrastanti (il dialogo cui fa riferimento il titolo non si risolve in un discorso univoco). Ma essi si confrontano tutti con il problema di definire la soglia che separa fisica e filosofia. Questa separazione disciplinare, avvenuta gradualmente tra i secoli XVII e XIX, possiede solide ragioni metodologiche e pratiche. Tuttavia, essa non impedisce che i problemi attraversino i confini disciplinari a dispetto della diversa formazione degli scienziati e degli studiosi. Da questo punto di vista il carattere parzialmente filosofico della discussione sulla fisica quantistica, a prescindere dalle valutazioni positive o negative che esso può suscitare, è solo la più recente espressione di una caratteristica propria di tutte le discipline scientifiche, fintanto che esse siano appunto in discussione e non raggiungano una sistemazione definitiva che in pratica ne arresti lo sviluppo. Sarebbe da discutere se, posto che ciò avvenga, una disciplina entri nella fase del suo apice (come la scienza normale di cui parlava Kuhn), o se piuttosto un tale unanimismo non sia proprio soltanto di discipline ormai prive d interesse per la soluzione dei problemi aperti della ricerca scientifica. In ogni caso, l intenzione di questo libro è di contribuire a un di-

11 INTRODUZIONE 13 battito che attualmente chiama a raccolta sia le discipline fisiche, sia quelle filosofiche e storiche, imponendo il compito di elaborare una prospettiva comune che orienti la ricerca e che, alla luce di quasi cent anni di discussioni, non sembra poter essere imposta da neutrali risultati scientifici. Il libro non contiene una completa introduzione all indagine sui fondamenti della meccanica quantistica. A tale fine esistono alcuni ottimi libri in lingua italiana, che gli autori raccomandano al lettore. Il libro di Gian Carlo Ghirardi, Un occhiata alle carte di Dio (Il Saggiatore, Milano 1997), propone una panoramica completa del dibattito sui fondamenti, discutendo le principali evidenze sperimentali e le questioni teoriche in base a un formalismo matematico molto semplificato. Maggiore peso alla componente filosofica del dibattito è attribuito nell ampio saggio di Valia Allori e Nino Zanghì, Un viaggio nel mondo quantistico (in V. Allori, M. Dorato, F. Laudisa, N. Zanghì, La natura delle cose. Introduzione ai fondamenti e alla filosofia della fisica, Carocci, Roma 2005, pp ). Un taglio ancora diverso, che alterna un esposizione storica con brevi parti tecniche di fisica, è adottato nel libro di N. Guicciardini e G. Introzzi, Fisica quantistica. Un introduzione (Carocci, Roma 2007). Tutti questi libri, in modi diversi, mettono in risalto il carattere aperto della teoria quantistica. L idea di questo volume è nata in occasione di un seminario, organizzato e tenuto dagli autori, dal titolo Materia, realtà. Fisica quantistica e filosofia trascendentale. Il seminario si è svolto nell ambito della Scuola superiore di studi in Filosofia (Università di Roma Tor Vergata, Università della Tuscia-Viterbo, Università dell Aquila) e ha avuto luogo presso il Dipartimento di ricerche filosofiche dell Università di Tor Vergata il 21 gennaio 2010 ( I testi sono stati scritti e discussi tra gli autori tra il 2010 e il maggio Niccolò Argentieri ringrazia Gianna Gigliotti, direttrice della Scuola superiore di studi in Filosofia, per avere accolto il semina-

12 14 INTRODUZIONE rio tra le attività della Scuola e per il sostegno, materiale e spirituale, alla sua pubblicazione. Angelo Bassi ringrazia Detlef Dürr, GianCarlo Ghirardi, Emiliano Ippoliti e Nicola Vona per un attenta lettura del manoscritto, e per aver fornito numerosi consigli. Paolo Pecere ringrazia Niccolò Guicciardini, Matteo Morganti e Gianna Gigliotti per aver letto una prima versione del saggio e aver offerto preziosi commenti e suggerimenti. Un sentito ringraziamento anche al prof. Hilary Putnam, che ha gentilmente fornito in lettura alcune parti del suo libro Philosophy in an Age of Science, in corso di stampa all epoca della stesura del saggio.