"Perchè sventolare la bandiera galileiana?"
di Il Chimico Scettico
Un recente articolo di Eros Barone su Sinistrainrete mi ha dato da riflettere. Di fatto Barone si pone il problema della meccanica quantistica da un punto di vista filosofico e ontologico e in questa chiave cita Bohm ed i potenziali quantistici per restituire oggettività alle particelle elementari. E' una questione assolutamente legittima, collocata in un contesto più ampio. Ma dal mio punto di vista è anche una questione al di fuori del dominio delle scienze sperimentali.
La struttura quantomeccanica dell'atomo, per esempio, è stata elaborata per risolvere i problemi insiti sia nel modello atomico di Rutherford che in quello di Bohr: un elettrone in un atomo non può avere una traiettoria, cioè non può orbitare intorno al nucleo, perché altrimenti perderebbe energia emettendo radiazione e finirebbe per collassare sul nucleo. Quindi in quel quadro fu usata la funzione d'onda al fine specifico della risoluzione di questo problema: il modo migliore per far quadrare le cose era levare di mezzo le traiettorie dell'elettrone sostituendole con geometrie di distribuzione di probabilità nello spazio attorno al nucleo, cioè con l'elettrone delocalizzato. Questo e altri aspetti della meccanica quantistica cento anni fa furono scioccanti (la famosa uscita di Einstein su Dio che non gioca a dadi con l'universo). Restava però il fatto che quando si parlava di estremamente piccolo, cioè di particelle, atomi, molecole, la meccanica quantistica era uno strumento eccellente non solo per descrivere i fenomeni, ma anche per prevederli. La meccanica bohmiana descrive i fenomeni noti bene quanto la meccanica quantistica, ma non è stata in grado di prevedere alcunché.
Dirac, che non si poneva problemi ontologici, con la sua equazione invece predisse il positrone. Pauling, nel 1931, armato di regolo calcolatore e tavole dei logaritmi, previde la possibilità di un legame chimico con un solo elettrone coinvolto, invece che due - dimostrata sperimentalmente nel 2024.
Al che forse sarebbe bene ricordarsi su cosa siano basate le scienze sperimentali e in particolare fisica e chimica: dato sperimentale, sua trattazione matematica, produzione di modello, conferma sperimentale del modello (o se volete teoria) e delle sue capacità predittive.
In breve, preoccuparsi di mantenere traiettorie e oggettività è del tutto giustificato e legittimo, ma poco fertile per la produzione di risultati scientifici. Per questo è stata la meccanica quantistica a rivoluzionare la chimica del XX secolo, archiviando definitivamente le traiettorie dell'elettrone (sulla rivoluzione della chimica quantistica nel XX secolo, qui): il boom della chimica organica degli anni '50-60, basato sulla retrosintesi, sarebbe stato impossibile senza orbitali e orbitali molecolari (metodo di Huckel, regole di Woodward-Hoffmann). Nessuno si è mai posto il problema della realtà degli orbitali ibridati (combinazioni lineari di funzioni d'onda per ottenere le geometrie richieste dai legami chimici). Gli orbitali ibridati sp2 e sp3 sono costrutti matematici (Pauling, 1931, ancora), ma caratterizzati da una estrema funzionalità. La "nuvola" di elettroni di un legame π (Mulliken, 1928) è oggettiva? Spiega reattività e spettri, nessuno si è mai posto il problema. La Atomic Force Microscopy ha "visto" i legami, ma si è dibattuto a lungo se sono stati visti perché ci sono e sono così o se fossero frutto di un artefatto sperimentale.
Comunque sia, l'AFM non ci dice se il legame è fatto come lo descriviamo teoricamente — se esiste una superficie nodale, per esempio, come la rappresentiamo con gli orbitali. Ci dice che c'è qualcosa lì, nella posizione prevista, in linea con la geometria prevista - e non è poco. E' un po' come l'immagine del buco nero al centro della nostra galassia.
Si potrebbe dire che sì, protoni ed elettroni, quelli che "vediamo" tramite i loro fenomeni, sono oggettivi. Ma sono oggetti assolutamente identici al concetto che ne abbiamo? Sommamente incerto, visto che quanto al protone, se aumentiamo la risoluzione, ci perdiamo in un "mare protonico" fatto oltre che di quark di gluoni e particelle virtuali che costituiscono gran parte della massa del protone stesso. Eppure la chimica con il protone ha una familiarità atavica: H+, pH, eccetera.
Se porsi il problema dell'oggettività e dell'ontologia è legittimo in ambito filosofico, la meccanica quantistica non è nata in ambito filosofico/ontologico. Per esempio il numero quantico di spin è venuto fuori perché in presenza di campo magnetico le line spettrali splittavano (una ne generava due, significando due ulteriori sottolivelli energetici). Da questo punto di vista tutto quello che ha fatto Bohm è stato un lavoro di resistenza a una rivoluzione scientifica, mirato a ripristinare le traiettorie. E' una questione di pavimento ontologico, per così dire. Una traiettoria significa conoscere posizione e verso in funzione del tempo di qualcosa che si muove: è percepita prevedibile, deterministica. Ma in realtà tutto quanto è stato fatto, studiato e scritto in materia di sistemi a dinamiche non lineari (la maggioranza di quelli che ci circondano) dice che in realtà nella maggioranza dei casi le traiettorie di un sistema nel suo spazio delle fasi non sono prevedibili se non per piccoli intervalli (una questione di coefficienti di Lyapunov). In poche parole l'attaccamento alle traiettorie è psicologico, anche quando si sa (o si dovrebbe sapere) che in realtà e in genere non è che qualsiasi traiettoria sia prevedibile a priori.
E questo secondo me è uno dei motivi per cui le finestre di popolarità delle teorie del caos sono state molto strette e la meccanica quantistica fa discutere o viene malamente storpiata sui social media: il pubblico ha bisogno di un pavimento ontologico su cui poggiare i piedi, ha bisogno di certezze, non di incertezze e complessità. Ma nel processo scientifico i risultati più notevoli sono stati ottenuti senza pavimento e senza rete di sicurezza ontologica (Heisenberg, Schroedinger, Dirac). Bohm arriva dopo la rivoluzione quantistica per "costruire senso", con un impatto sul processo scientifico non nullo, ma molto limitato.
Da un certo punto di vista, pensando alla meccanica bohmiana, mi sono ricordato che Prigogine negli anni '80-90 dedicò una buona dose di lavoro in senso esattamente opposto, per desimmetrizzare rispetto al tempo la meccanica quantistica. In breve per Prigogine la meccanica quantistica era troppo piattamente deterministica e non includeva l'irreversibilità e la freccia del tempo, quindi allo scopo usò spazi di Hilbert Rigged (The Arrow of Time in Rigged Hilbert Space Quantum Mechanics, Robert C. Bishop, 2005). Lavoro concettualmente affascinante ma, come nel caso di Bohm, piuttosto infruttifero (e lo dico partendo da una immensa ammirazione per Prigogine). Per usare parole dello stesso Prigogine il processo scientifico è un fecondo dialogo tra l'intelletto e la natura. Aggiungerei che quando si sente la necessità di proiettare sulla natura esigenze umane, apparentemente, il dialogo diviene meno fecondo.
Il titolo di questo post viene da Riccardo Giacconi (L'universo a raggi X, 1985), e lo trovo profondamente significativo. Se dovessi individuare, da un punto di vista non sociologico/politico, quale sia il discorso sulla "scienza" degli ultimi venti anni, direi che si tratti del parziale oblio di quello che, 400 anni fa, marcò la differenza tra una filosofia della natura largamente speculativa e quella galileiana. E tocca riproporre ricontestualizzato il "provando e riprovando":
Chi fa sua l'espressione di Dante "provando e riprovando" fu il celebre Galileo Galilei, padre della scienza moderna e rappresentante della rivoluzione scientifica del XVII secolo. Lo scienziato reinterpreta le parole di Beatrice come quell'elemento che insieme alle necessarie dimostrazioni si trova alla base del metodo scientifico: le sensate esperienze. Da questo momento in poi l'espressione entrerà per sempre a far parte del mondo della scienza, infatti il termine "riprovando" otterrà un duplice significato: al concetto di disapprovazione viene aggiunto quello di riprova e verifica di un'ipotesi.
Fu quella la rivoluzione scientifica del XVII secolo: prima la filosofia della natura si basava largamente su speculazioni, con uno scarso riferimento alla sperimentazione, poi l'esperimento divenne centrale. La misura e la trattazione matematica cambiarono tutto e lo fecero con Galileo, Newton, Boyle.
Sicuramente questo mio approccio risente della mia educazione. Vengo da una scuola che affiancava a "shut up and calculate" un prosaico "don't trust the math, trust the data".
Alla fine le scienze sperimentali si confrontano con la materia e i fenomeni naturali. Se parliamo di esseri viventi, si può addomesticare o addestrare un singolo animale. Ma una popolazione di animali in senso ecologico non è addomesticabile. E anche la materia inanimata generalmente non collabora con entusiasmo ai tuoi tentativi di predirne o modificarne il comportamento. La simbiosi tra trifoglio e batteri del genere Rhizobium trasforma l'azoto atmosferico in ammoniaca con qualche frazione di watt e un poco di acqua. L'essere umano per realizzare la stessa trasformazione in un impianto chimico usa processi largamente energivori, alte temperature, alte pressioni e catalizzatori a base di metalli di transizione.
Perché davvero, come diceva Eraclito, la natura ama celarsi.
PS: Chi scrive ritiene che questa sia anche una posizione politica rispetto al discorso pubblico sulla scienza. In due anni di COVID abbiamo visto modelli matematici dell'epidemia smentiti dai dati nel giro di due settimane, o un mese, che rimanevano "modelli corretti", nonostante la falsificazione.
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