Niels Bohr - Il fondamento della meccanica quantistica
1) Introduzione
2) Lettura
3) Guida alla lettura
4) Guida alla Comprensione
Introduzione
Nel testo del 1938, Bohr chiarisce le difficoltà concettuali introdotte dai principi della meccanica quantistica, mettendo in evidenza in particolare il problema dell'interazione inevitabile tra l'oggetto e lo strumento di misura nell'osservazione dei fenomeni atomici. Questa problematica solleva interrogativi sulla compatibilità e coerenza dei diversi linguaggi e modelli descrittivi, sia quantistici che classici, portando alla formulazione di due principi fondamentali della meccanica quantistica: il principio di complementarità, proposto dallo stesso Bohr in questo testo e il principio di indeterminazione, introdotto da Heisenberg.
Lettura
Siamo con ciò di fronte ad un problema epistemologico di natura totalmente nuova nella filosofia naturale, nella quale ogni descrizione di esperienze è stata fin qui basata sull'ipotesi, implicita già nelle ordinarie convenzioni del linguaggio, che è possibile distinguere nettamente il comportamento degli oggetti dai mezzi di osservazione. Questa ipotesi non solo è giustificata dall'esperienza di ogni giorno, ma costituisce anzi l'intera base della fisica classica, che dalla teoria della relatività è stata portata a così magnifico compimento.
Non appena, però, entrano in giuoco i processi atomici individuali, che per la loro stessa natura sono essenzialmente determinati dall'interazione tra gli oggetti in questione e gli strumenti di misura, siamo costretti a chiederci che tipo di conoscenza siamo in grado di acquisire circa quegli oggetti.
A questo riguardo dobbiamo da un lato osservare che lo scopo di ogni esperimento fisico – quello cioè di procurarci nuove informazioni in condizioni riproducibili e comunicabili – ci obbliga a usare concetti d'impiego quotidiano, tutt'al più raffinati dalla terminologia della fisica classica, per la descrizione non solo della costruzione e dell'uso degli strumenti di misura, ma anche dei risultati sperimentali ottenuti.
D'altra parte, non è meno importante comprendere che proprio questa circostanza implica che nessun risultato di esperienze riguardanti fenomeni che in linea di principio sono al di fuori dell'ambito della fisica classica, possa venir interpretato come un'informazione su proprietà indipendenti dell'oggetto, facendo esso parte intrinseca di un quadro in cui gli strumenti di misura interagenti col sistema stesso entrano in modo essenziale.
Quest'ultima circostanza fornisce la spiegazione diretta delle evidenti contraddizioni che insorgono ogni volta che si tenta di riunire in un'unica coerente descrizione dell'oggetto i risultati ottenuti operando con dispositivi sperimentali diversi di un sistema atomico.
È però possibile riguardare l'informazione ottenuta circa il comportamento di un sistema atomico sotto certe condizioni sperimentali come complementare, secondo una terminologia spesso usata in fisica atomica, rispetto a ogni altra informazione sullo stesso sistema, ottenuta con un dispositivo escludente il verificarsi delle predette condizioni. Benché queste diverse informazioni non possano venire combinate in una sola descrizione per mezzo di concetti ordinari, esse costituiscono aspetti ugualmente essenziali della conoscenza che di quel sistema si può avere in questo campo.
La scoperta di questo carattere complementare delle analogie meccaniche con cui si è cercato di visualizzare gli effetti individuali della radiazione, ha in effetti portato a un chiarimento assolutamente soddisfacente di quelle misteriose proprietà della luce cui alludevo più sopra. Similmente, solo tenendo conto della relazione di complementarità esistente tra differenti esperienze riguardanti il comportamento di particelle atomiche. È stato possibile dare una spiegazione del notevole contrasto tra le proprietà dei modelli meccanici ordinari e le peculiari leggi di stabilità governanti le strutture atomiche, che costituiscono la base per qualsivoglia interpretazione delle proprietà fisiche e chimiche specifiche della materia.
Guida alla lettura
1) Qual è il problema epistemologico individuato da Bohr?
Il problema epistemologico individuato da Bohr riguarda l'interazione essenziale tra l'oggetto e lo strumento di misura nell'osservazione dei fenomeni atomici. Questo problema nasce dal fatto che, a differenza della fisica classica, nei processi atomici individuali non è possibile distinguere nettamente il comportamento degli oggetti dai mezzi di osservazione. Di conseguenza, ogni descrizione di esperienze non può essere interpretata come informazione su proprietà indipendenti dell'oggetto, piuttosto come parte di un quadro in cui gli strumenti di misura interagiscono in modo essenziale con il sistema osservato.
2) Quali sono le sue conseguenze sulle capacità descrittive della fisica?
Le conseguenze sulle capacità descrittive della fisica, come descritto nel testo di Bohr, includono:
Difficoltà concettuali: L'interazione essenziale tra oggetto e strumento di misura nell'osservazione dei fenomeni atomici introduce difficoltà concettuali significative. La fisica classica si basa sulla separazione tra oggetti e strumenti di osservazione, un'ipotesi non valida nei processi atomici individuali.
Epistemologia nuova: La necessità di usare concetti d'impiego quotidiano, affinati dalla terminologia della fisica classica, per descrivere sia gli strumenti di misura sia i risultati sperimentali, implica che non si possono ottenere informazioni indipendenti sull'oggetto studiato. Gli strumenti di misura sono parte intrinseca del sistema osservato.
Complementarità: L'informazione ottenuta sotto certe condizioni sperimentali è complementare rispetto a quella ottenuta con dispositivi che escludono quelle condizioni. Anche se queste informazioni non possono essere combinate in una singola descrizione coerente con concetti ordinari, costituiscono aspetti essenziali della conoscenza del sistema atomico.
Descrizione non unificabile: Le contraddizioni emergono quando si tenta di riunire in una descrizione coerente i risultati ottenuti con dispositivi sperimentali diversi. Questo implica che le capacità descrittive della fisica devono accettare che informazioni diverse e complementari non possano essere integrate in una singola rappresentazione.
Chiarimento delle proprietà della luce e delle particelle: La complementarità ha chiarito le misteriose proprietà della luce e ha permesso di spiegare il contrasto tra le proprietà dei modelli meccanici ordinari e le leggi di stabilità delle strutture atomiche. Questo è fondamentale per l'interpretazione delle proprietà fisiche e chimiche della materia.
In sintesi, la fisica quantistica richiede un cambiamento nella comprensione tradizionale della descrizione scientifica, accettando che i diversi aspetti complementari non possano essere unificati ma devono essere considerati insieme per comprendere pienamente i fenomeni atomici.
3) La teoria della relatività, secondo Bohr, può essere considerata un sovvertimento rivoluzionario delle basi della fisica classica?
No, secondo Bohr, la teoria della relatività non può essere considerata un sovvertimento rivoluzionario delle basi della fisica classica. Egli afferma che la fisica classica, culminata magnificamente nella teoria della relatività, si basa sull'ipotesi che è possibile distinguere nettamente il comportamento degli oggetti dai mezzi di osservazione, ipotesi giustificata dall'esperienza quotidiana e costituente l'intera base della fisica classica.
4) In che cosa consiste il principio di complementarità?
Il principio di complementarità, come spiegato nel testo, consiste nel riconoscere che le informazioni ottenute sul comportamento di un sistema atomico sotto certe condizioni sperimentali sono complementari rispetto a quelle ottenute con un dispositivo che esclude il verificarsi di quelle condizioni. Anche se queste diverse informazioni non possono essere combinate in una sola descrizione tramite concetti ordinari, esse costituiscono aspetti ugualmente essenziali della conoscenza di quel sistema. In altre parole, le diverse osservazioni di un sistema atomico, effettuate con differenti metodi sperimentali, forniscono ciascuna un contributo essenziale e complementare alla comprensione complessiva del sistema stesso.
Guida alla Comprensione
1) Possiamo dire che, secondo Bohr, la fisica quantistica costituisce un superamento della fisica classica? Motiva la risposta.
Sì, secondo Bohr, la fisica quantistica costituisce un superamento della fisica classica.
Nel testo, Bohr spiega che nella fisica quantistica si introducono nuove difficoltà concettuali, in particolare per quanto riguarda l'interazione essenziale tra oggetto e strumento di misura nell'osservazione dei fenomeni atomici. Bohr sottolinea che nella fisica classica si poteva distinguere nettamente il comportamento degli oggetti dai mezzi di osservazione, cosa che costituisce l'intera base della fisica classica, magnificamente completata dalla teoria della relatività. Tuttavia, nei processi atomici individuali, questa distinzione non è più possibile e si deve considerare l'interazione tra gli oggetti e gli strumenti di misura.
Bohr introduce i principi di complementarità e di indeterminazione, fondamentali per la meccanica quantistica che spiegano come le diverse informazioni ottenute con vari dispositivi sperimentali non possano essere combinate in una singola descrizione usando concetti ordinari. Invece, queste informazioni costituiscono aspetti complementari ed essenziali della conoscenza di un sistema atomico.
Pertanto, la fisica quantistica non solo supera ma anche integra la fisica classica, offrendo una spiegazione soddisfacente delle proprietà della luce e delle particelle atomiche che non potevano essere comprese completamente con i modelli meccanici ordinari della fisica classica.
2) L'obiettivo che Bohr pone alla fisica quantistica è quello di fornire un'immagine rigorosamente deterministica dei fenomeni microfisici? Motiva la risposta.
No, l'obiettivo che Bohr pone alla fisica quantistica non è quello di fornire un'immagine rigorosamente deterministica dei fenomeni microfisici.
Dal testo si evince che Bohr sottolinea la complessità e le difficoltà concettuali introdotte dai principi della meccanica quantistica, in particolare il problema dell'interazione essenziale tra oggetto e strumento di misura. Bohr evidenzia che i risultati sperimentali ottenuti non possono essere interpretati come informazioni su proprietà indipendenti dell'oggetto a causa dell'intrinseca interazione tra gli strumenti di misura e il sistema osservato.
Inoltre, Bohr introduce il principio di complementarità, il quale afferma che le informazioni ottenute su un sistema atomico in condizioni sperimentali diverse sono complementari ma non possono essere combinate in una sola descrizione per mezzo di concetti ordinari. Questo suggerisce che la fisica quantistica riconosce la natura probabilistica e non deterministica dei fenomeni microfisici, poiché diverse osservazioni forniscono aspetti differenti e non unificabili di un sistema.
Quindi, Bohr non mira a un'immagine rigorosamente deterministica, piuttosto a una comprensione completa che riconosce la complementarità e la probabilità nella descrizione dei fenomeni quantistici.
Fonti: Zanichetti, libri scolastici superiori