La struttura della meccanica quantistica consta di due parti, differenti ma intimamente collegate: una che riguarda l’evoluzione dinamica dei siste- mi fisici e l’altra che riguarda la struttura logica della teoria [53, p. 506]. La struttura logica, sebbene interamente controllata dalla matematica, può essere usata per costruire con precisione l’intero linguaggio della fisica. L’in- terpretazione della meccanica quantistica poggia su un’unica regola, da cui
14Cfr. nota 6.
15G. C. Ghirardi, A. Rimini and T. Weber, in Phys. Rev. D 34, 470 (1986).
5.11. Aspetti filosofici
poi procede in maniera completamente deduttiva. Questa regola selezio- na, fra tutte le possibili proposizioni che descrivono una situazione fisica, quelle significative da quelle che non lo sono. La nostra immaginazione può concepire molte descrizioni, generate dalla nostra rappresentazione mentale o suggerite dalla possibilità di linguaggio. Quelle che rimangono fuori dal quadro della regola sono gratuite e senza senso. Sorgono però a questo pun- to alcuni problemi che, sebbene secondari, a noi possono interessare perché possono servire come spunti didattici per trattare in maniera interdiscipli- nare argomenti di fisica moderna con gli studenti, ad esempio da un punto di vista filosofico. La teoria è oggettiva? è realistica? Il primo problema è soprattutto fisico, il secondo filosofico.
Secondo Kant qualcosa è oggettivo se esiste al di fuori della mente, come oggetto indipendente dalla mente. Il problema dell’oggettività in fisica na- sce col collasso della funzione d’onda. «Reduction was a pirouette of genius for escaping a contradiction wich came from simultaneously admitting two different kinds of laws of physics» [53, p. 509]. La riduzione ha resistito alle analisi per lungo tempo, perché non si poteva criticare o giustifica- re logicamente. Essa fa riferimento a una misura, che è un dato espresso dalla fisica classica, ma stabilisce una conclusione su una funzione d’onda, che invece è un concetto quantistico. Poiché non vi è modo di analizzare la riduzione della funzione d’onda in maniera strettamente formale, essa è normalmente immaginata come un reale processo fisico, che si manifesta quando un sistema misurato e un osservatore interagiscono, sebbene non vi sia evidenza di un tale effetto. Von Neumann aveva proposto in meri- to una soluzione:16 la riduzione non ha niente a che vedere con un reale
processo fisico, avviene nella rappresentazione del mondo che esiste nella coscienza di un osservatore. Perché accada la riduzione, è necessario che la funzione d’onda sia essa stessa un elemento di tale coscienza piuttosto che parte della realtà. La funzione d’onda è la rappresentazione della realtà che un osservatore può concepire in virtù delle informazioni che egli ha a disposizione. Ma il concetto di funzione d’onda è necessario per una com- pleta descrizione della meccanica quantistica. E la meccanica quantistica è essa stessa fondante per la fisica e per la chimica, che a loro volta sono fondanti per altre scienze. Perciò tutta la scienza si può ridurre, in questa visione, allo stato della coscienza di uno o più osservatori. Non vi è ogget- tività, quindi, al più un accordo fra persone informate. Sfortunatamente, dice Omnès in [53, p. 510], questa visione è stata chiamata “intepretazione standard”.17 Bohr aveva d’altra parte messo in evidenza il carattere ogget-
16Cfr. nota 1.
5. Interpretazione della meccanica quantistica
tivo della sua interpretazione, ma i suoi argomenti non erano sufficienti a chiarire il problema.
La mancanza di oggettività attribuita alla teoria non è comunque mai stata dimostrata. Poggia sull’evidenza di una facile soluzione soggettiva, molto più facile da capire dell’oggettività proposta da Bohr, che peraltro non è per niente ovvia. Per diverse motivazioni possiamo comunque rite- nere oggi che la meccanica quantistica sia oggettiva: quando enuncia una proprietà o raggiunge una conclusione, la teoria usa solo fatti ben stabili- ti. Pertanto la teoria si basa su fatti, non su ciò che abbiamo nella nostra mente: le conseguenze che trae dai fatti sono completamente indipendenti dall’arbitrarietà che ci può essere nella mente.
Il realismo della meccanica quantistica è stato affrontato da Bernard d’Espagnat.18 Per realismo possiamo intendere l’esistenza di un’entità, chia-
mata “realtà”, che esiste indipendentemente dalle facoltà cognitive umane e da ciò che si decide di osservare e misurare. Il realismo in fisica, in partico- lare, assume che in linea di principio la realtà possa essere conosciuta per mezzo della fisica. Uno dei problemi che sorge a proposito del realismo è che le limitazioni quantistiche non consentono di ottenere una conoscenza completamente accettabile della realtà. Il problema è che tale conoscenza è proprio limitata in linea di principio dalla meccanica quantistica, come si è visto, ad esempio nelle conclusioni di EPR: le proprietà di un sistema cui siamo interessati possono essere modificate da un’azione su un altro sistema anche molto distante (è il fenomeno dell’entanglement, di cui si è già detto). La realtà dunque non può essere nota con certezza. Secondo d’Espagnat comunque questo non vuol dire che la realtà non esiste né che è impossibile conoscerla, bensì che tale conoscenza rimane incompleta. Egli parla di “realismo velato”. Alla luce delle moderne riflessioni su EPR, si può dire che gli argomenti a favore del realismo velato non possono essere man- tenuti, ma le sue conclusioni sì. Esiste infatti nella conoscenza dello stato dell’universo reale un certo margine di incertezza. Dire che la realtà può essere conosciuta completamente è eccessivo. Si può dire però che possono essere conosciuti fatti e proprietà di sistemi microscopici, che sono risultati di misure.
18B. d’Espagnat, in An Uncertain Reality, Cambridge University Press, 1989.
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Una panoramica sullo stato degli studi in didattica
della meccanica quantistica
6.1 perché insegnare la fisica moderna
Le motivazioni culturali alla base dell’insegnamento della fisica moderna sono concordemente riconosciute da autori e gruppi di ricerca, e possono essere così riassunte [69]:
• Si deve a ogni cittadino l’opportunità di conoscere e comprendere tutti gli aspetti essenziali del mondo e della cultura, e l’insegnamento della fisica moderna è una di queste opportunità.
• Tale insegnamento non può essere ridotto a una serie di conoscenze “utili”, ma deve diventare parte integrante di una cultura scientifica e dei valori intellettuali che la ricerca scientifica propone.
• I risultati della fisica del XX secolo hanno influito in maniera impor- tante sullo sviluppo del clima culturale contemporaneo e successivo.
• Una buona cultura fisica deve fornire gli strumenti per meglio com- prendere ciò di cui si occupano gli scienziati oggi, e i fisici in partico- lare.
• La fisica moderna offre una visione del mondo, non solo un insieme di regole atte a riprodurre dati sperimentali o conoscenze il cui fine sia quello di sviluppare nuove tecnologie.
6. Studi in didattica della meccanica quantistica
6.2 difficoltà e resistenze nell’insegnamento della fisica del novecento
Il fatto che la fisica moderna sia compresa nelle Indicazioni Nazionali, pe- rò, non vuol dire che sia effettivamente insegnata. Ciò per vari motivi, evidenziati dai lavori esistenti, che dobbiamo sinteticamente descrivere.
Vi è [69], da parte di docenti scolastici e universitari, un certo ritegno nel tener conto delle principali scoperte della fisica del ventesimo secolo. Alla base di questo atteggiamento di ostilità [op. cit.] vi sono alcune con- vinzioni di base: il fatto che l’insegnamento scolastico della fisica debba avere valore pedagogico essenzialmente introduttivo e propedeutico a una “vera” fisica che si può apprendere solo in ambito accademico; il fatto che l’unica fonte di interesse nei confronti della fisica siano le applicazioni tec- niche che caratterizzano il mondo che ci circonda; il fatto che nella scuola italiana l’intera formazione scientifica ha un ruolo secondario rispetto alla formazione umanistica, poiché si ritiene che solo quest’ultima sia portatrice di valori culturali e formativi. In generale quindi si rileva una diffusione della cultura fisica prevalentemente divulgativa, “con le sue caratteristiche di forzato semplicismo e fallimento comunicativo” [op. cit.]. Quand’anche a scuola si affronta la meccanica quantistica, lo si fa con alla base gravi difetti di impostazione. Si considera ad esempio l’insegnamento della meccanica quantistica come mera integrazione o appendice della fisica classica; si ri- duce la meccanica quantistica ad alcune leggi empiriche sorrette da ipotesi “strane”, giustificate solo dall’accordo con i dati sperimentali; si introduco- no concetti che non corrispondono a quelli quantistici, in base a presunte necessità didattiche o difficoltà cognitive; si trascurano i problemi concet- tuali, evitando di discutere le loro implicazioni epistemologiche e culturali. Si cercano insomma “scorciatoie” [op. cit.] che semplificano eccessivamente la meccanica quantistica, traducendosi in proposte didattiche frammentarie e prive di organicità.
Venendo a difficoltà più tecniche, uno dei problemi più importanti è por- tare gli studenti ad affrontare processi quantistici in maniera quantitativa. I principali nodi concettuali possono essere così sintetizzati [65]:
• L’impossibilità di percepire con i sensi i processi microscopici rende difficile il passaggio dalla fenomenologia macroscopica a quella mi- croscopica. Ad esempio gli studenti hanno difficoltà a caratterizzare l’ontologia di fotoni e elettroni e quindi le loro proprietà.
• La meccanica quantistica si fonda sul concetto di stato e sulla sua rap- presentazione. Proprio la rappresentazione dello stato con opportuni 98