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Contenuti del libro
Informazioni
“Il labirinto dei quanti. Richard Feynman, John Wheeler e la rivoluzione della fisica” di Paul Halpern ti porta nel cuore della fisica teorica, seguendo le menti brillanti di Richard Feynman e John Wheeler. Immagina Princeton negli anni Quaranta, un periodo di scoperte incredibili e sfide enormi per la meccanica quantistica e l’elettrodinamica quantistica (QED), dove i calcoli davano risultati infiniti. Questo libro racconta la loro ricerca di un nuovo modo di vedere le cose, esplorando idee rivoluzionarie come l’interazione a distanza, la teoria dell’assorbitore-emettitore e persino la possibilità che il tempo non scorra solo in avanti. Vedrai come Feynman ha inventato i suoi famosi integrali di cammino e i diagrammi che hanno cambiato il modo di fare fisica, mentre Wheeler si è spinto in territori ancora più speculativi, pensando a buchi neri, alla freccia del tempo e all’idea che l’universo stesso sia fatto di informazione. È la storia di due approcci diversi ma complementari per svelare i segreti più profondi della realtà quantistica, influenzati anche dagli eventi drammatici come il Progetto Manhattan.Riassunto Breve
La fisica teorica nei primi anni Quaranta affronta grandi sfide, specialmente nel combinare la meccanica quantistica con l’elettromagnetismo, un periodo segnato anche dalla scoperta della fissione nucleare e dalla guerra. I calcoli standard per l’interazione tra particelle cariche danno risultati infiniti, il che non ha senso. Si pensa allora di cambiare approccio, abbandonando l’idea che le interazioni avvengano tramite campi (fotoni) e considerando invece un’azione diretta a distanza tra gli elettroni, che si propaga alla velocità della luce. Per spiegare perché un elettrone che accelera perde energia (resistenza di irradiazione), si ipotizza che interagisca con segnali che arrivano da tutte le altre cariche dell’universo, includendo sia segnali che viaggiano in avanti nel tempo (ritardati) sia quelli che viaggiano indietro nel tempo (avanzati). Una certa combinazione di questi segnali, simmetrica rispetto al tempo, spiega la resistenza senza usare i campi. Questa è la teoria dell’assorbitore-emettitore. La sfida è estendere questa idea al mondo quantistico, dove i metodi soliti non funzionano bene per le interazioni a distanza. Richard Feynman sviluppa il metodo degli integrali di cammino, che si basa su un’idea diversa: per capire cosa succede a una particella, bisogna considerare tutti i percorsi possibili che può fare nello spaziotempo, non solo quello classico. Ogni percorso contribuisce al risultato finale con una certa probabilità , e sommando tutti i contributi si ottiene il comportamento quantistico. Questo metodo collega il principio di minima azione con l’indeterminazione quantistica. John Wheeler propone un’idea ancora più radicale: tutti gli elettroni nell’universo potrebbero essere la stessa particella che viaggia avanti e indietro nel tempo; un elettrone che va indietro nel tempo appare come un positrone che va avanti. Questo suggerisce che il tempo non ha per forza una sola direzione a livello fondamentale. Dopo la Seconda Guerra Mondiale, i fisici tornano sui problemi dell’elettrodinamica quantistica (QED), dove gli infiniti persistono. Nuovi esperimenti mostrano piccole differenze rispetto alle previsioni teoriche. Viene sviluppata la rinormalizzazione, un modo per ridefinire massa e carica delle particelle tenendo conto delle loro interazioni con il vuoto quantistico. Julian Schwinger e Richard Feynman sviluppano metodi diversi ma equivalenti per fare questo, con Feynman che usa diagrammi visivi (diagrammi di Feynman) che Freeman Dyson dimostra essere equivalenti al formalismo più rigoroso di Schwinger, rendendo il metodo di Feynman molto popolare. Intanto, la ricerca si estende ad altre forze e idee. Wheeler si dedica alla relatività generale, proponendo la geometrodinamica, dove lo spaziotempo stesso è la base di tutto, e cerca di unire gravità e meccanica quantistica, immaginando lo spaziotempo come una “schiuma quantistica” a scale piccolissime. Hugh Everett III propone l’interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica, dove ogni misura fa dividere l’universo in tante realtà parallele. Si studia la “freccia del tempo”, notando che alcuni processi a livello di particelle mostrano una direzione preferita per il tempo, legata anche all’espansione dell’universo. Si scoprono nuove cose sulle forze debole e forte. L’idea che l’universo sia come un computer basato su informazioni (“it from bit”) prende piede, legandosi allo studio dei buchi neri, che si scopre hanno entropia e contengono informazione proporzionale alla loro superficie. L’osservazione in meccanica quantistica sembra avere un ruolo attivo, come suggerito dall’esperimento della scelta ritardata di Wheeler, che implica che una scelta futura possa influenzare il passato di una particella. Questo porta Wheeler a suggerire che l’osservatore partecipa a definire la realtà . La ricerca continua per trovare una teoria che unisca tutte le forze, inclusa la gravità , affrontando misteri come la materia e l’energia oscura. Le idee di Feynman e Wheeler, con i loro diversi approcci, continuano a influenzare la fisica moderna e la nostra comprensione del cosmo.Riassunto Lungo
1. La Danza degli Elettroni nel Tempo
Negli anni Quaranta, la fisica teorica a Princeton affrontava grandi sfide. C’erano problemi a capire come funzionassero insieme la meccanica quantistica e l’elettromagnetismo. Questo succedeva in un momento importante, segnato dalla scoperta della fissione nucleare e dalle preoccupazioni per la guerra. In questo contesto, il professore John Wheeler e il suo studente Richard Feynman cercavano di risolvere queste questioni fondamentali.Il Problema delle Teorie Esistenti
Le teorie che descrivevano come le particelle cariche interagiscono, come l’elettrodinamica quantistica, incontravano seri problemi. I calcoli matematici davano risultati senza senso, come energie infinite per un singolo elettrone. Questo era un segnale chiaro che le teorie attuali non funzionavano bene e che serviva un modo completamente nuovo di pensare.Una Nuova Idea: Azione a Distanza
Per superare questi ostacoli, si pensò di cambiare radicalmente prospettiva. Invece di immaginare che le interazioni elettromagnetiche avvenissero attraverso un campo, come se le particelle si scambiassero messaggi (fotoni), si propose un’idea diversa. Si ipotizzò che gli elettroni potessero influenzarsi direttamente a distanza. Questa influenza, però, non sarebbe stata immediata, ma avrebbe viaggiato alla velocità della luce, rispettando le regole della relatività di Einstein.La Teoria dell’Assorbitore-Emittente
Per spiegare alcuni effetti, come la resistenza che un elettrone sente quando viene spinto (la resistenza di irradiazione), si fece un’ipotesi ancora più particolare. Si pensò che ogni elettrone fosse influenzato da segnali che arrivano da tutte le altre cariche presenti nell’universo. La cosa sorprendente è che questi segnali non viaggiano solo dal passato verso il futuro (come siamo abituati a pensare), ma anche dal futuro verso il passato. Combinando in modo preciso questi segnali che vanno avanti e indietro nel tempo, si poteva spiegare la resistenza di irradiazione senza dover usare l’idea dei campi. Questa proposta prese il nome di teoria dell’assorbitore-emittente.La Sfida di Portare l’Idea nel Mondo Quantistico
L’ostacolo più grande, a questo punto, era riuscire a far funzionare questa nuova descrizione, nata con regole classiche, anche nel mondo della meccanica quantistica. I metodi matematici usati di solito per la meccanica quantistica, che si basano su idee legate a punti specifici nello spazio e nel tempo, non sembravano adatti a descrivere un’interazione che agisce a distanza. Per questo, si iniziò a cercare un nuovo modo di fare i calcoli, una matematica diversa, che potesse descrivere come avvengono i passaggi tra diversi stati quantistici in eventi che sono lontani nello spazio e nel tempo. Un lavoro del fisico Paul Dirac, che parlava della Lagrangiana nella meccanica quantistica, fu visto come un possibile punto di partenza per questa ricerca di un nuovo formalismo.Davvero basta far viaggiare i segnali indietro nel tempo per risolvere tutto, o il capitolo omette perché questa idea non è diventata la norma?
Il capitolo presenta un’idea affascinante e storicamente importante, ma lascia intendere che la teoria dell’assorbitore-emittente sia la soluzione definitiva ai problemi dell’elettrodinamica quantistica degli anni ’40. Non chiarisce che, nonostante la sua influenza (soprattutto sul lavoro di Feynman), questa teoria non è diventata il fondamento della fisica moderna. La soluzione standard ai problemi delle interazioni quantistiche è la Teoria Quantistica dei Campi (QFT), in particolare l’Elettrodinamica Quantistica (QED), che affronta le divergenze con tecniche come la rinormalizzazione, senza ricorrere a segnali retrocausali come elemento fondamentale. Per comprendere il quadro completo, è essenziale studiare la Teoria Quantistica dei Campi e la storia del suo sviluppo, leggendo autori come Feynman, Schwinger, Tomonaga (i pionieri della QED) e testi moderni sulla QFT.2. Il Labirinto dei Cammini e del Tempo
Le funzioni di trasformazione descrivono come cambia uno stato quantistico nel tempo. Queste funzioni dipendono da come si muovono le particelle, cioè dalle loro variabili dinamiche come posizione e velocità . Sono collegate a un concetto chiamato lagrangiana, che si ottiene sottraendo l’energia potenziale dall’energia cinetica. Le funzioni di trasformazione prendono l’azione (legata alla lagrangiana) e la trasformano in fattori. Questi fattori, moltiplicati tra loro, mostrano come uno stato iniziale si trasforma in uno finale passando per tanti piccoli passi intermedi. È un modo per vedere un processo quantistico come una serie continua di trasformazioni molto piccole.Feynman e gli Integrali di Cammino
Richard Feynman ha sviluppato il metodo degli integrali di cammino partendo da questa idea della lagrangiana. Questo metodo ci permette di capire la teoria dell’assorbitore considerando non solo il percorso più logico o “classico” che una particella potrebbe seguire, ma tutti i percorsi possibili. Ogni cammino immaginabile, anche quelli più strani o improbabili, viene preso in considerazione. Ognuno di questi percorsi viene “pesato” in base alla sua probabilità , usando proprio le funzioni di trasformazione. Sommando i contributi di tutti questi infiniti cammini, si ottiene il risultato finale a livello quantistico. Si scopre così che il percorso classico è semplicemente quello che, tra tutte le infinite possibilità , ha la probabilità maggiore. Questo modo di vedere le cose introduce l’indeterminazione tipica della meccanica quantistica. Il metodo collega anche il principio per cui la natura tende a seguire il percorso che richiede meno “azione” (principio di minima azione) con il principio per cui la luce viaggia lungo il percorso più veloce (principio di Fermat). Questo spiega perché i segnali nel mondo di tutti i giorni sembrano seguire linee rette. Le funzioni di trasformazione agiscono qui come “fattori di fase” che misurano i ritardi lungo i diversi permini. I segnali che viaggiano sui percorsi più diretti e veloci hanno fasi simili, si rinforzano a vicenda (interferenza costruttiva) e contribuiscono di più al risultato che osserviamo.Il Tempo Quantistico e l’Idea di Wheeler
John Wheeler ha proposto un’idea affascinante: e se tutti gli elettroni nell’universo fossero in realtà la stessa singola particella che semplicemente viaggia avanti e indietro nel tempo? Secondo questa visione, un elettrone che si muove all’indietro nel tempo apparirebbe ai nostri occhi come un positrone (la sua antiparticella) che si muove in avanti nel tempo. Questa prospettiva suggerisce che, a un livello molto fondamentale, le leggi della fisica delle particelle potrebbero non essere legate a un’unica direzione fissa del tempo. A livello quantistico, il tempo stesso sembra presentarsi non come una linea retta, ma piuttosto come una specie di labirinto pieno di possibilità che si dividono. Ogni volta che c’è un’interazione tra particelle, questa può potenzialmente seguire moltissime strade diverse. Per capire veramente cosa succede nella realtà quantistica, non basta guardare un singolo percorso, ma bisogna considerare l’insieme di tutti i cammini possibili.Contesto Storico: La Seconda Guerra Mondiale
Durante la Seconda Guerra Mondiale, sia Feynman che Wheeler furono coinvolti nel Progetto Manhattan, il grande sforzo scientifico per sviluppare la bomba atomica. Feynman diede il suo contributo ai complessi calcoli necessari per separare gli isotopi di uranio, un passaggio cruciale per ottenere il materiale fissile. Lavorò anche alla progettazione della bomba al plutonio nel laboratorio segreto di Los Alamos. Wheeler, dal canto suo, si dedicò principalmente ai problemi legati alla produzione su larga scala del plutonio, l’altro elemento fissile usato nelle bombe. Eventi su larga scala come l’esplosione atomica mostrano chiaramente l’irreversibilità : una volta avvenuta la distruzione, non si può tornare indietro. Questo contrasta fortemente con la possibilità di reversibilità temporale che sembra esistere a livello delle singole particelle. La devastazione causata dalla bomba atomica è un esempio drammatico del secondo principio della termodinamica, quello che parla dell’aumento del disordine (entropia) nell’universo. L’esperienza della guerra e le sue terribili conseguenze etiche ebbero un profondo impatto sui fisici che vi parteciparono. Wheeler, in particolare, sostenne la scelta di sviluppare e usare le armi nucleari, riflettendo sulla difficile possibilità che il loro impiego avesse, alla fine, abbreviato il conflitto e salvato vite.La Teoria Assorbitore-Emittitore
La teoria dell’assorbitore-emettitore propone un’idea che mette in discussione la nostra comprensione normale del tempo e della causalità . Suggerisce che l’azione di un “assorbitore” che si trova nel futuro possa effettivamente influenzare il comportamento passato di una particella che lo ha “emesso”. Questo implica che eventi che devono ancora accadere potrebbero avere un impatto su ciò che è già successo. È un concetto che sfida direttamente la nostra nozione tradizionale di causa ed effetto, dove la causa precede sempre l’effetto in una linea temporale che si muove solo in avanti. In questa prospettiva, il futuro non è solo una conseguenza del passato, ma potrebbe attivamente parteciparvi.Ma davvero il futuro può influenzare il passato, come suggerisce la teoria assorbitore-emittitore?
Il capitolo presenta la teoria assorbitore-emittitore, che propone una visione del tempo e della causalità radicalmente diversa, dove il futuro potrebbe influenzare il passato. Questa idea è altamente speculativa e non rappresenta il consenso scientifico, sfidando uno dei principi fondamentali della fisica classica e della nostra esperienza quotidiana: la causalità unidirezionale. Per approfondire le basi teoriche che possono portare a simili conclusioni e per valutare la loro plausibilità , è essenziale studiare la meccanica quantistica avanzata e la teoria dei campi, esplorando le idee di autori come Feynman e le complesse questioni sollevate dalla filosofia della fisica riguardo al tempo e alla causalità .3. Sentieri e particelle
Dopo la Seconda guerra mondiale, la fisica affronta grandi sfide nel descrivere come la luce e la materia interagiscono a livello fondamentale. La teoria che si occupa di questo, l’elettrodinamica quantistica (QED), produce calcoli che spesso danno risultati infiniti, privi di senso fisico. Allo stesso tempo, nuovi esperimenti mostrano piccole ma significative differenze rispetto alle previsioni teoriche esistenti. Ad esempio, esperimenti misurano un leggero spostamento nei livelli di energia dell’atomo di idrogeno, noto come spostamento di Lamb. Anche il modo in cui gli elettroni si comportano come minuscoli magneti risulta leggermente diverso dalla previsione più semplice. Questi risultati sperimentali indicano chiaramente che la teoria ha bisogno di essere rivista. Per risolvere questi problemi e gestire gli infiniti, i fisici sviluppano l’idea della rinormalizzazione. Questo concetto ridefinisce le proprietà fondamentali delle particelle, come la loro massa e carica, tenendo conto delle loro continue interazioni con lo spazio “vuoto” circostante. Questo spazio non è veramente vuoto, ma pieno di particelle virtuali che compaiono e scompaiono continuamente. Includendo queste interazioni, la teoria può produrre risultati finiti e significativi.Due strade per risolvere i problemi
Per mettere in pratica l’idea della rinormalizzazione, emergono due approcci principali. Julian Schwinger sviluppa un quadro matematico molto dettagliato e rigoroso. Il suo metodo incorpora attentamente gli effetti di queste particelle virtuali e delle loro interazioni. Usando il suo formalismo, Schwinger riesce a calcolare con precisione le quantità fisiche, ottenendo risultati che corrispondono agli esperimenti. Nello stesso periodo, Richard Feynman propone un modo diverso e più visivo di pensare a queste interazioni. Immagina le particelle che viaggiano lungo ogni percorso possibile tra due punti, sommando i contributi di tutte queste “storie”. Feynman introduce anche semplici diagrammi, oggi chiamati diagrammi di Feynman, per disegnare e visualizzare le complesse interazioni tra le particelle. Inizialmente, l’approccio di Feynman sembra meno formale e più difficile da comprendere per molti fisici rispetto alle rigorose equazioni di Schwinger.L’equivalenza dimostrata da Dyson
La comunità scientifica ha bisogno di capire come questi due metodi diversi siano collegati tra loro. Freeman Dyson si assume il compito di studiare sia il formalismo dettagliato di Schwinger sia i diagrammi intuitivi di Feynman. Attraverso un’attenta analisi, Dyson dimostra che i due approcci sono fondamentalmente equivalenti. Mostra come la complessa struttura matematica di Schwinger possa essere sistematicamente derivata dai diagrammi di Feynman. Questa dimostrazione è cruciale perché convalida il metodo di Feynman, mostrando che non è solo un’immagine utile, ma un modo potente e corretto per fare i calcoli. Il lavoro di Dyson aiuta a colmare il divario tra i due stili e rende il metodo di Feynman, spesso più visivo e semplice, ampiamente accettato e utilizzato dai fisici in tutto il mondo.La scienza e il mondo che cambia
Questi progressi scientifici avvengono in un mondo profondamente cambiato dalla guerra e dalle tensioni politiche. Il periodo successivo alla Seconda guerra mondiale è dominato dalla Guerra Fredda, e lo sviluppo delle armi nucleari influenza pesantemente la ricerca scientifica. Questo contesto storico condiziona profondamente le vite e il lavoro di molti fisici. Alcuni, come John Wheeler, continuano a lavorare su progetti legati alla difesa nazionale e alle applicazioni militari della fisica. Altri, tra cui lo stesso Feynman, scelgono di allontanarsi dalla ricerca militare. Feynman preferisce concentrare le sue energie sull’esplorazione delle domande fondamentali sull’universo e sulle leggi di base della natura. Nel frattempo, i fisici cercano anche di applicare le nuove e potenti tecniche sviluppate per la QED alla comprensione della gravità . Tuttavia, questi tentativi non riescono a eliminare gli infiniti problematici che compaiono nei calcoli sulla gravità . Questo indica che la gravità richiede un approccio diverso rispetto a quello che ha funzionato per la forza elettromagnetica, evidenziando una sfida significativa che rimane aperta per la ricerca futura.Ma davvero possiamo ridurre la realtà a semplici ‘bit’ o attribuire all’osservatore un ruolo così attivo nella sua creazione, quando queste idee restano ai margini del consenso scientifico?
Il capitolo introduce concetti affascinanti come l’idea che l’universo sia fondamentalmente informazione (“it from bit”) e che l’osservatore giochi un ruolo attivo nella creazione della realtà . Tuttavia, presenta queste visioni senza evidenziare sufficientemente quanto siano speculative e lontane dal consenso scientifico consolidato. La visione “it from bit” è una proposta teorica, non un fatto empirico, e l’interpretazione del ruolo dell’osservatore in meccanica quantistica è uno dei dibattiti più accesi e irrisolti della fisica moderna. Per navigare queste complessità , è fondamentale distinguere tra i successi predittivi delle teorie (come la meccanica quantistica o la termodinamica dei buchi neri) e le loro interpretazioni fondamentali, che possono variare enormemente. Approfondire le diverse scuole di pensiero nelle fondazioni della meccanica quantistica e le ricerche sulla gravità quantistica e il principio olografico è cruciale. Autori come Carlo Rovelli o Leonard Susskind offrono spunti essenziali per esplorare queste frontiere della fisica e le loro implicazioni concettuali.6. Echi di Menti Straordinarie
La memoria di Richard Feynman e John Wheeler continua a vivere nelle persone che li hanno conosciuti, hanno studiato con loro o li hanno incontrati. Centinaia di studenti ricordano ancora oggi le lezioni di Feynman e il suo modo unico di insegnare.La Memoria di John Wheeler
John Wheeler è ricordato per la sua profonda intelligenza e la sua umanità , mostrata anche nell’emozione con cui parlava della perdita del fratello. Ha partecipato a una celebrazione per il suo novantesimo compleanno, un evento che ha riunito fisici importanti per discutere di vari argomenti, tra cui l’interpretazione a molti mondi. Wheeler ha seguito con grande attenzione ogni intervento.Un Incontro e i Suoi Ricordi
Un incontro con Wheeler ha permesso di raccogliere direttamente i suoi ricordi. Ha raccontato di Albert Einstein come vicino di casa e dei suoi sforzi per convincerlo della validità della somma sui cammini teorizzata da Feynman. Durante l’incontro, ha mostrato un umorismo sottile, offrendo una copia del suo libro Gravitation in cinese. Chi lo ha incontrato lo descrive come un uomo pieno di grazia, fascino e con una notevole capacità di intuizione. Il suo interesse principale di ricerca era rivolto alla domanda fondamentale sull’esistenza dell’universo.L’Eredità e le Celebrazioni
Il lavoro di Wheeler ha ispirato anche una celebrazione artistica a Filadelfia, con le mostre intitolate The Big Nothing e Mixmaster Universe, che si basavano sui materiali conservati nei suoi archivi. Anche il suo collaboratore Charles Misner ha preso parte a questo evento. Gli incontri con i familiari di Wheeler, come il figlio Jamie, aggiungono ricordi personali che rendono la sua storia ancora più concreta. Lo spirito di Wheeler continua a influenzare le vite grazie alle sue idee, alla sua perspicacia e alla sua generosità .Ma l’interpretazione a molti mondi, citata nel capitolo, ha davvero un solido consenso scientifico?
Il capitolo accenna all’interpretazione a molti mondi come un argomento di discussione, ma non ne chiarisce lo status attuale nel dibattito scientifico. Questa interpretazione è tutt’altro che universalmente accettata e solleva profonde questioni sui fondamenti della meccanica quantistica. Per comprendere meglio la controversia e le alternative, è utile approfondire i fondamenti della meccanica quantistica e le sue varie interpretazioni. Autori come Everett, Bell o Bohm sono figure chiave nel dibattito sulle interpretazioni della meccanica quantistica.Abbiamo riassunto il possibile
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