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DA DEMOCRITO ALLA FISICA QUANTISTICA di Riccardo Pratesi*

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Dello stesso autore: ENTROPIA, SCIENZA E IDEOLOGIA

Pieno e vuoto

È pieno o è vuoto? Il soggetto può essere variabile (lo Spazio, l’Universo, il Mondo, lo Spirito, eccetera), ma la domanda resta questa, ed anzi la questione può risultare utile chiave di lettura di conflitti antichi, forse eterni, che paiono sussistere anche al di fuori della sfera culturale europea, o meglio eurocentrica, cui noi occidentali solitamente riduciamo le radici di ogni creazione del pensiero umano, dalla Filosofia, al Teatro, alla Democrazia, fino, naturalmente, alla Scienza. Anche dottrine orientali si distinguono per la risposta finale a “Non è questo, non è questo!”. Dopo aver scartato ogni illusione, ciò che resta è il Vuoto contemplabile, oppure la piena Coscienza Universale? Il Testimone di ultima istanza esiste (e allora parliamo di religione), oppure non esiste (e allora parliamo di Filosofia)? (Non se ne risentano i devoti per la brutale semplificazione).

Pieno aristotelico e vuoto democriteo

Declinata in chiave occidentale, si tratta della stessa polarizzazione che possiamo osservare tra la visione del mondo di Aristotele (IV sec. a.C.) e quella atomista di Democrito e Leucippo (V-IV sec. a.C.).

L’universo aristotelico è diviso in due parti: il mondo terrestre, al di sotto della Luna, è composto dei quattro elementi fondamentali, aria, acqua, terra e fuoco, variamente mescolati. Esso è soggetto a corruzione ed è animato da moti rettilinei, verso il basso come acqua e terra, o verso l’alto come il fuoco. Moti naturali dunque dotati di principio e fine, e motivati dal desiderio intrinseco degli elementi di ricongiungersi al loro “luogo naturale”: il centro della Terra per acqua e terra, l’alto dei cieli per il fuoco. L’aria si trova già nel suo luogo naturale e pertanto non tende ad andare né in basso né in alto. Al di sopra del cielo della Luna i corpi sono composti di un unico materiale, l’Etere, quintessenza incorruttibile, e sono animati da moti circolari, eterni e privi di un inizio e di una fine. Nel contesto aristotelico la locuzione “spazio vuoto” è semplicemente priva di significato. Lo spazio è l’estensione stessa dei corpi, siano essi composti di aria, acqua, terra, fuoco o persino di etere. Aristotele giunge persino a dimostrare l’impossibilità del movimento nel vuoto, dove un corpo non troverebbe nuovo spazio in cui collocarsi.

Del tutto opposta la concezione atomista di Democrito e Leucippo. Qui lo spazio è assolutamente vuoto e privo di qualsiasi attributo. Lo spazio è esattamente il vuoto palcoscenico dove si muovono gli atomi, unità indivisibili di materia diverse tra loro solo per la forma ed eternamente uguali a loro stesse. Provvisti di un moto rettilineo primordiale, questi atomi, del tutto casualmente, deviano dalla loro traiettoria e, del tutto casualmente, si incontrano tra loro aggregandosi e dando origine, come puro frutto del caso, a tutte le cose, compresi gli esseri viventi.

La scoperta del vuoto

Se la disputa “pieno aristotelico” vs. “vuoto atomista” resta forse sopita per secoli, lasciando comunque egemone la visione aristotelica (detta poi tomista dopo la sistemazione teologica di San Tommaso d’Aquino), essa riemerge con vigore tra il XVI e il XVII secolo, quando tra riforma protestante e primi vagiti della cosiddetta “rivoluzione scientifica” la questione diventa tanto seria da far rischiare il rogo ai protagonisti della discussione, come possono ben testimoniare le ceneri di Giordano Bruno.

Il dibattito, fino a quel momento puramente filosofico per quanto latore di implicazioni teologiche (come vedremo tra poco), acquista concretezza fisica con l’indagine sul funzionamento dei sifoni, intorno agli anni ’30 del XVII secolo: quando aspiriamo acqua su per un tubo verticale (come, ad esempio, succhiando acqua con una cannuccia), chi è il soggetto che esercita la forza che fa salire l’acqua contro il suo desiderio naturale di restare più in basso possibile? La spiegazione aristotelica risiede nell’ “Horror Vacui”, ovvero nell’impossibilità che in natura possa darsi il vuoto. Così, all’aspirazione dell’aria che rischierebbe di creare spazio privo di materia, la Natura reagisce con il suo orrore per il vuoto, facendo innalzare l’acqua a riempire l’ambiente. La scoperta, avvenuta nel 1644 ad opera di Evangelista Torricelli, del peso dell’aria quale responsabile dell’innalzamento dell’acqua nei sifoni, forniva un duplice argomento a favore dell’atomismo[1]. Da una parte dimostrava che anche l’aria ha un peso, contro l’opinione aristotelica che l’aria si trovi già nel suo luogo naturale, senza alcuna spinta naturale a muoversi né in alto né in basso, e che dunque non pesi. Dall’altra parte, mostrava come la Natura non abbia orrore del vuoto, ma ne permetta la creazione con opportuni accorgimenti.

Atomismo e Controriforma

La bilancia, a questo punto, sembrava pendere decisamente a favore del vuoto atomista. Da notare che, se da parte di filosofi naturali si procedeva a svuotare lo spazio fisico, la riforma protestante provvedeva a svuotare lo spazio spirituale, per così dire, negando dignità sacrale a tutti i Santi, compresa Maria Vergine e il suo ruolo intercessorio. La Chiesa cattolica, con la risposta alla riforma protestante del Concilio di Trento, nel ripristinare e sottolineare la pienezza dello spazio spirituale, non aveva dimenticato lo spazio fisico. Con il dogma dell’Eucaristia (o della Transustanziazione), già nel 1551 la Chiesa aveva posto un veto definitivo alla concezione atomista: se gli atomi sono eternamente uguali a sé stessi, come potrebbero il pane ed il vino eucaristici trasformarsi nella sostanza del corpo e del sangue di Cristo? [2] Con ciò, la Chiesa intese restituire “materialità spirituale”, per così dire, al sacramento della Comunione, contro al mero (vuoto?) simbolismo dell’eucaristia protestante.

Così, l’accusa di atomismo prendeva i connotati di accusa di eresia, se non di apostasia o di blasfemia, e fu infatti tra le accuse mosse a Giordano Bruno. Forse, fu solo grazie al suo comprovato cattolicesimo che Galileo si salvò dall’accusa di atomismo, oscurata o nascosta da quella di copernicanesimo, benché in molti suoi scritti, dal Saggiatore ai Discorsi intorno a due nuove Scienze, Galileo usi espressioni inequivocabili quali “minimi quanti”, “corpicelli minimi” e simili.

Corpuscoli di luce ed Etere luminifero

Con la condanna di Galileo la riflessione scientifica fiorisce altrove, fuori dall’Italia, nel continente e soprattutto oltremanica, dove, lontano dalle pressioni vaticane, si era liberi di immaginare uno spazio vuoto attraverso cui si manifestano misteriose azioni a distanza, come la gravità di Newton. Tuttavia, neanche lo stesso Newton era soddisfatto di una formula che descrive esattamente il comportamento di … non si sa bene quale soggetto, esprimendo il disagio con le parole, rimaste famose, Hypotheses non fingo (non invento ipotesi). È pur vero che Newton inizialmente simpatizzò per l’idea del matematico svizzero Nicolas Fatio de Dullier che la gravità fosse dovuta alla presenza e all’azione di un fluido permeante ogni cosa. Anzi, egli giunse anche a suggerire la possibile esistenza dell’etere nel terzo libro dell’Optiks e nel suo Hypothesis of light del 1675. Tuttavia, forse per le sue frequentazioni con i filosofi dei circoli platonici di Cambridge, presto Newton abbandonò l’idea, propendendo per forze di natura occulta con origine alchemica che si propagano nel vuoto.

In effetti, nonostante i punti a favore di una descrizione atomista (/vuotista) della realtà segnati dalle indagini sul peso dell’aria, la natura della luce era ancora terreno di confronto.  Possiamo dividere le posizioni tra i sostenitori della teoria corpuscolare della luce, tra i quali lo stesso Newton, e i sostenitori della teoria ondulatoria. Mentre per i primi la luce era composta di corpuscoli, di peso diverso a seconda del colore, che si muovono velocissimi nello spazio vuoto, per i secondi la luce era la manifestazione della vibrazione di un mezzo, l’etere luminifero, e i colori si distinguevano per la diversa lunghezza dell’onda vibrante. Come al solito, al modello corpuscolare non serve uno spazio pieno, che anzi sarebbe di ostacolo alla traiettoria dei velocissimi proiettili luminosi, mentre il modello ondulatorio non può prescindere dalla presenza di un mezzo omnipervasivo, l’etere appunto, quale supporto per le onde luminose, come l’acqua per le onde del mare o l’aria per le onde sonore.

Oggi Newton è annoverato, come detto, tra i sostenitori della teoria corpuscolare, ma il fronte dal punto di vista religioso era fluido, per così dire, essendo tra i principali sostenitori della teoria ondulatoria l’olandese Christiaan Huygens, di formazione genuinamente protestante. Fu però il padre gesuita Francesco Maria Grimaldi, dunque certamente un cattolico, a scoprire nel 1667 un fenomeno della luce che apparve discriminante, ovvero il fenomeno della diffrazione. La luce, in opportune condizioni, mostra le cosiddette frange di interferenza, ovvero un alternarsi di bande oscure e luminose, che sono incompatibili col modello corpuscolare, mentre invece sono perfettamente spiegabili col modello ondulatorio.

Il secolo antiatomista

Si apre così una secolare egemonia della visione “pienista” di un etere omnipervasivo. Egemonia confermata prima sperimentalmente e poi teoricamente. Nel 1801, Thomas Young realizzò un famoso esperimento (l’esperimento della doppia fenditura) mediante il quale non solo confermò la natura ondulatoria della luce, ma ne misurò anche la lunghezza d’onda. Inoltre, nel 1850, due esperimenti indipendenti (messi in opera da Augustin-Jean Fresnel l’uno e da Hippolyte Fizeau e Léon Foucault l’altro) misurarono la velocità di propagazione della luce in aria ed in acqua, trovando il famoso valore di 300.000 km/s in aria e un valore inferiore nell’acqua, circa i tre quarti di quello in aria. Anche quest’ultimo risultato era prova contraria all’ipotesi corpuscolare, secondo la quale la luce avrebbe dovuto muoversi più velocemente in acqua che in aria. A coronamento teorico della ipotesi ondulatoria della luce, James Clerk Maxwell, intorno al 1865, formulò le sue 4 equazioni dell’elettromagnetismo, le quali non soltanto implicavano l’esistenza di onde di campi elettrici e magnetici (le onde elettromagnetiche appunto), ma ne prevedevano la velocità di propagazione in 300.000 km/s, esattamente il valore trovato sperimentalmente per la luce una quindicina di anni prima. Dunque, non solo la luce si confermava essere un’onda, ma si era anche stabilita la natura delle onde luminose: esse sono onde elettromagnetiche.

Che la realtà ultima fosse fatta di etere divenne così paradigma imprescindibile, ma ciò valeva in particolare per la comunità dei fisici. Nella Chimica stava viceversa emergendo la struttura atomica della materia, come risultato degli studi e degli esperimenti di personaggi eminenti come Antoine Lavoisier (che stabilì la legge di conservazione della massa durante le reazioni chimiche) di John Dalton, di Amedeo Avogadro (che chiarì la differenza tra atomi e molecole, concetti ancora confusi nei lavori di Dalton) e molti altri. Questo però non turbava la visione del tutto continuo dell’etere, poiché il modello più in voga per tutto il XIX secolo fu quello dell’atomo vorticoso, secondo cui gli atomi sono vortici persistenti di etere, la cui identità quali particelle indivisibili è puramente illusoria. Tanto incrollabile era il dogma antiatomista che Ludwig Boltzmann, fondatore della meccanica statistica e sostenitore dell’idea di una struttura atomica della materia, denigrato e vilipeso dai colleghi cadde in una grave depressione che lo portò, nel 1906, a togliersi la vita. In effetti, tutte le prove sperimentali, nonché le indagini teoriche, concordavano (fino a quel momento) con una visione “pienista” del mondo, e questa era vista in clamorosa contraddizione con l’ipotesi atomica.

L’etere in crisi: Relatività e quanti di luce

La convinzione dei fisici sull’esistenza dell’etere cominciò però a scricchiolare già nel 1887, quando l’esperimento degli scienziati statunitensi Albert Michelson e Edward Morley, studiato per mettere in evidenza il vento di etere cui saremmo soggetti (stante il moto della Terra nello Spazio), non mise in evidenza proprio niente. A concludere tutti i tentativi di spiegare l’incongruenza, giunse infine nel 1905 la relatività di Albert Einstein che, con l’introduzione dello spazio-tempo come unica entità, prescindeva da qualunque necessità teorica di etere. Non che la Relatività dimostrasse l’inesistenza dell’etere, semplicemente esso non compariva come ipotesi necessaria nella teoria.

In questi anni di grande fermento scientifico, Max Plank, nel 1900, pubblicò una formula le cui conseguenze era lui stesso restio ad accettare. La luce, ormai dimostrata essere un’onda continua che si propaga nell’etere, risultava essere emessa dai corpi luminosi solo per pacchetti discontinui, che Plank chiamò “quanti”. Naturalmente, il fatto che la luce fosse emessa per pacchetti discreti non implicava immediatamente che essa fosse composta di pacchetti: essi potevano, per così dire, “sciogliersi” nell’etere appena emessi. Tuttavia, un ulteriore indizio a favore della natura corpuscolare della luce fu indicato ancora da Einstein, ancora nel 1905, con la spiegazione dell’effetto fotoelettrico, fenomeno per cui alcuni metalli emettono elettroni se illuminati con luce blu, ma non emettono niente se illuminati con luce rossa. Il motivo di tale comportamento (inspiegabile se si considera la luce una trasmissione continua di energia, indipendente dal colore che la trasporta) risiede nel fatto che, secondo il modello di Einstein, la luce viene anche assorbita per pacchetti discreti. A sancire la definitiva resurrezione del modello corpuscolare della luce giunse nel 1932 la scoperta dell’Effetto Compton (dal nome dello scopritore, lo statunitense Arthur Compton), cioè la collisione in volo dei quanti di luce con elettroni. Se la luce è emessa per corpuscoli, assorbita per corpuscoli e si comporta in volo come un flusso di corpuscoli, allora significa che la luce è composta di corpuscoli. Così, i quanti di luce vennero detti fotoni, e la insopprimibile coesistenza col comportamento ondulatorio della luce, evidenziato dall’esperimento della doppia fenditura, fu salvata col nuovo concetto di dualismo onda-corpuscolo.

Così, nel XX secolo si è prodotto un cambio di paradigma talmente radicale che, oggi, parlare di etere risulta tanto eretico quanto parlare di atomi nel XVII secolo. Non che la natura ondulatoria sia stata abbandonata, anzi, paradossalmente, è stata estesa anche alla materia, con l’avvento e la messa a punto della Meccanica Quantistica. Tuttavia, la natura della funzione d’ondaψ” (le cui oscillazioni descritte dall’equazione di Schroedinger definiscono e stabiliscono posizione e traiettoria “probabile” di una particella), è oggetto di discussione fino dalla sua introduzione, e porterebbe troppo lontano approfondire la questione in questa sede.

Vuoto ideale e Pieno cosciente

Dunque, con la teoria della Relatività Generale e con la Meccanica Quantistica (benché a tutt’oggi manchi una teoria unitaria che le comprenda entrambe) la struttura corpuscolare di luce e materia e la purezza geometrica dello  spazio-tempo hanno regalato una vittoria che, al momento, pare definitiva all’antico atomismo democriteo, portandosi dietro, come cascame filosofico spicciolo nella visione comune, l’assoluta vacuità dello Spazio e l’assoluta, e per questo necessariamente imperfetta, casualità dell’aggregazione degli atomi.

Eppure, nonostante tutti i successi scientifici raggiunti in conformità alla separazione logica tra lo spazio e chi lo occupa, la pienezza dello Spazio pare sempre risorgere come una insopprimibile realtà, ora come “ribollire” quantico di particelle virtuali autogeneratesi in virtù del principio di indeterminazione di Heisemberg, ora come Campo di Higgs, ora come materia oscura, ora come energia oscura o, infine, come energia di punto zero. La scoperta, negli anni ’60, della radiazione cosmica di fondo, ritenuta il residuo fossile del Big Bang, pareva confermare l’inesistenza dell’Etere (o, comunque, l’assenza di una struttura intrinseca dello Spazio), apparendo a prima vista assolutamente isotropa, ovvero proveniente da ogni direzione con uguale intensità. La recente scoperta dell’anisotropia della radiazione di fondo (ovvero che l’intensità della radiazione varia con la direzione di osservazione, da una parte ha permesso la realizzazione dell’immagine, ormai famosa, dell’Universo primordiale; dall’altra ha mostrato come ogni oggetto nel cosmo sia sempre soggetto ad un flusso di energia, non essendo mai uniformemente irradiato da ogni direzione. Questo risultato, naturalmente, non turba il postulato relativistico della costanza della velocità della luce rispetto a qualunque osservatore, ma rende comunque lo Spazio cosmico non riducibile al vuoto palcoscenico dell’atomismo puro. Anzi, ogni angolo del Cosmo è soggetto ad un flusso di energia, ed ogni sistema sottoposto ad un transito di energia mostra sempre la tendenza all’organizzazione di strutture coerenti, come risulta anche dalla Termodinamica del Non Equilibrio. Questo però significa che la formazione di tali strutture non è affatto frutto del Caso, come vorrebbe l’applicazione brutale del vuoto atomista. Anzi, mostrerebbe l’insorgere e l’emergere alla materialità di coerenze la cui natura è ben lungi dall’essere materiale. Volendo, è una questione analoga a quella dell’identità personale: se io sono in grado di ricordare cose avvenute molti e molti anni fa, quando ogni fibra del mio corpo era composta da atomi e molecole completamente diversi da quelli che mi compongono adesso, la mia memoria, e la mia stessa identità, non sembrano risiedere in un supporto materiale.

La questione può essere dilatata a dismisura, giungendo a lambire argomenti di spiritualità, nei quali non ci addentriamo. Notiamo però come ambedue gli estremi della polarizzazione, che riassumiamo brevemente come Vuotismo e Pienismo, presentino tutte le caratteristiche di una fede, ancora oggi, quando ci riteniamo ormai razionalmente svincolati da tali antiche pastoie. Così, Ignac Semmelweis, che a metà del XIX secolo intuì che la febbre puerperale, causa di morte preponderante nelle donne in giovane età, fosse causata da vettori patogeni invisibili, fu deriso e vilipeso dalla maggioranza dei colleghi, fino al ricovero in un reparto psichiatrico dove infine morì. Sarà un caso, ma tra le critiche che gli venivano mosse, soprattutto dalla parte protestante della comunità dei medici, era che Semmelweis, da cattolico, credesse ancora nei miasmi e negli spiriti. Forse ai Semmelweis di oggi non occorreranno i molti decenni che occorsero a lui per vedere superate e ribaltate le attuali denigrazioni. Vedremo.

Horror Plenii

Come fosse una fede non ancora emersa alla consapevolezza, il tacito postulato che viviamo nel vuoto e siamo solo casuali aggregati di atomi dilaga oggi in molti ambiti, permettendo una tale confusione delle definizioni e delle procedure delle diverse scienze che ormai siamo indotti a pensare che la Medicina proceda come la Matematica, deducendo da postulati indiscutibili solamente verità indubitabili, secondo un ideale principio di causa effetto mondo e purificato da qualsiasi eventualità collaterale diversa da quelle previste. Così, alla “presunzione di sanità” di un organismo, che andava curato qualora manifestasse una malattia, si è sostituita la “presunzione di malattia potenziale” per cui un organismo sano va necessariamente implementato di addittivi che lo perfezionino, in linea con l’idea “vuotista” che siamo aggregati casuali ed imperfetti. E così, nella nostra percezione, tutto dovrebbe andare come se il bersaglio e l’efficacia di questo o quel prodotto medicamentoso potesse essere dimostrata alla stessa stregua del Teorema di Pitagora.

Non dovrebbero esserci dubbi sul fatto che la Natura è infinitamente più intelligente del più intelligente degli uomini, tanto che, in fondo, la nostra unica misura dell’intelligenza di una teoria consiste proprio nel suo adeguarsi con sempre maggiore precisione al comportamento reale della Natura stessa. Oggi, quasi un nuovo dogma dell’Horror Plenii avesse sostituito l’antico Horror Vacui, la potenza dell’intelletto umano si misura da quanto casuali aggregati pensanti siano in grado di perfezionare l’imperfetta casualità della Natura.

Non resta che riporre le nostre speranze nella possibilità che il flusso energetico cui è soggetto ogni aggregato atomico, anche pensante, induca un ordine nelle strutture logiche che abbia infine ricadute positive.

In altri termini, che Dio ce la mandi buona.

*Fisico

[1] Torricelli non arrivò a scontrarsi con la Chiesa, morendo a soli 39 anni di età nel 1647, avvelenato dallo stesso mercurio che egli utilizzava con dimestichezza per i suoi esperimenti.

[2] Come sembravano mostrare con tutta evidenza i “miracoli eucaristici” di ostie sanguinanti, il più famoso dei quali avvenuto a Bolsena nel 1263 e ritratto da Raffaello nel 1512.

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