L'esperimento mentale nella ricerca scientifica

Un vero e proprio strumento di indagine

22Cfr. J. Norton, Why Thought Experiments Do not Transcend Empiricism, p.24304.1 Il rapporto tra Fisica ed esperimento mentaleAbbiamo visto che molti filosofi sostengono che gli esperimenti mentali non siano una fontedi conoscenza del mondo, ad eccezione di quelli che concernono le scienze naturali, ed inparticolare la fisica, l'unica in grado di fornire un avanzamento cognitivo vero e23proprio. Secondo i sostenitori di questa dottrina, nominata fisicalismo, solo la fisicaoffrirebbe un'adeguata descrizione di ciò che esiste, solo quest'ultima può avvalersi in modorigoroso degli esperimenti mentali.Non è un caso che i gedankenexperiment hanno assunto maggior notorietà nell'ultimo secoloproprio grazie a Einstein che ne ha proposti diversi, nonostante questi ultimi percorrano tutta lastoria del pensiero scientifico, egli ci racconta in alcune sue note autobiografiche che a sedicianni

immaginò di viaggiare insieme a un raggio di luce che avrebbe quindi dovuto apparire per lui come un'onda stazionaria e ci spiega che sia secondo esperienza che secondo le equazioni di Maxwell ciò non era possibile; la fisica però doveva essere la stessa tanto per un osservatore "fermo" sulla Terra quanto per uno in moto rettilineo uniforme. È lui stesso a riconoscere nel paradosso che derivava dal suo gedankenexperiment il seme della successiva teoria della relatività ristretta.

Un altro esperimento mentale molto noto di quell'epoca (questo, a differenza del precedente, realizzabile) è quello che contempla una persona chiusa in un ascensore in caduta libera in un campo gravitazionale uniforme che lascia liberi dei gravi che ha con sé. Questi rimangono solidali con la persona che quindi non può distinguere se si trova in "caduta libera" in un campo.

scienze sarebbe l'unica corretta e precisa, da preferire rispetto a quelle basate su percezione personale, senso comune o mezzi artistici quando ci si chiede "che cosa c'è al mondo?". La realtà così come viene vissuta dalle persone non sarebbe altro che un'illusione: l'amore sarebbe un inganno biologico, i valori abbagli della ragione; colori, melodie e tutto ciò che è espressivo pare esistere sarebbe riducibile a un mondo sul cui palcoscenico si troverebbero solo particelle e forze.

Questo esperimento, che illustra l'equivalenza tra inerzia e gravitazione, stimolò Einstein a superare la teoria della gravitazione newtoniana e a formulare la teoria della Relatività Generale. Rispetto a quelli del passato, gli esperimenti mentali di Albert Einstein spiccano per la chiarezza delle immagini proposte, capaci di

sconvolgono la "meccanica classica" senza nemmeno ricorrere a spiegazioni verbali. Lo stesso Einstein, del resto, con l'aforisma "l'immaginazione conta più della conoscenza" aveva suggerito di non soffermarsi sugli aspetti matematici della Teoria della Relatività ma di privilegiare l'immaginazione guidata da esperimenti mentali del tipo di quelli da lui proposti. Aveva poi aggiunto che gli "esperimenti mentali" (in primis quelli fisici) devono spingere a interrogarci senza pregiudizi quando un'esperienza nuova entra in conflitto con le conoscenze acquisite. Sia l'esperimento mentale che presenteremo nel prossimo paragrafo, elaborato da Einstein, sia la risposta di Bohr, mostrano in modo più chiaro di tante teorizzazioni astratte come gli esperimenti mentali possano essere determinanti per accertare e mettere alla prova i fondamenti di una teoria fisica, dando origine a importanti critiche concettuali chepossono trasformarsi in situazioni sperimentalmente realizzabili. Il caso che verrà illustrato in seguito concerne la meccanica quantistica, prima occorre presentare una digressione che mostri al lettore il contesto in cui veniva delineandosi uno dei dibattiti filosofico - scientifici più importanti del novecento, intorno ai fondamenti della nuova teoria fisica che stava maturando. Nel 1927, alla celebre quinta edizione del Congresso Solvay Niels Bohr colse l'occasione per presentare la nuova meccanica quantistica, sviluppata in gran parte da lui e dal suo allievo Werner Heisenberg, come una teoria generale e completa per la descrizione degli oggetti del microcosmo. Un altro partecipante al congresso, Albert Einstein, si sentì stimolato a esporre pubblicamente le sue critiche nei confronti della nuova meccanica quantistica formulata da Bohr e Heisenberg. Le intense discussioni nate tra Bohr e Einstein al congresso proseguirono a lungo anche privatamente ecostituiscono quello che ormai è passato alla storia come il dibattito tra Bohr e Einstein. Il fatto che, stando a quanto si deduce necessariamente dalla meccanica quantistica, un oggetto quantistico come un elettrone non potesse avere contemporaneamente una posizione determinata e una quantità di moto determinata, riusciva particolarmente sgradito ad Einstein. Il principio di indeterminazione di Heisenberg che nella meccanica quantistica assumeva un ruolo centrale nella descrizione del comportamento degli oggetti quantistici, era del tutto inconciliabile con la visione del mondo deterministica di Einstein. Egli dubitava profondamente della generale pretesa di completezza della meccanica quantistica. Il lungo dibattito che caratterizza la prima metà del novecento tra i due intellettuali, venne realizzato a colpi di esperimenti mentali tesi a chiarire alcuni aspetti della nuova teoria emergente. 4.2 Un caso emblematico in meccanica quantistica Il primo serio attacco diEinstein alla concezione ortodossa che si stava affermando si ebbe durante la Quinta conferenza di Fisica dell'Istituto Solvay nel 1927. Einstein presentò un argomento che diede origine ad una serie di vivaci dibattiti tra i partecipanti. Egli si chiese se non risultasse possibile utilizzare le leggi di conservazione dell'impulso (del prodotto della massa per la velocità) e dell'energia per ottenere qualche informazione addizionale sullo stato di una particella che prende parte ad un processo di interferenza. Per cogliere il suo argomento e la conseguente risposta di Bohr prendiamo come riferimento una disposizione sperimentale illustrata nella figura (1). Ernest Solvay (inventore del processo di produzione della soda) nutriva un vivo interesse per la scienza e fondò gli istituti Solvay per la Chimica, la Fisica e la sociologia. Figura (1) Un fascio monocromatico investe un primo schermo, diffrange e l'onda associata investe un secondo.< p >schermo con due fenditure portando alla formazione di una figura di interferenza sulla lastra F. Si assume che una particella alla volta attraversi l'apparecchio in modo che la figura di interferenza si formi nel tempo per il contributo dei successivi processi elementari.

Un fascio incidente collimato ma con un fronte abbastanza esteso, incontra uno schermo S1, il quale presenta una fenditura molto sottile nella direzione di X. Dopo aver attraversato il foro il fascio diffrange ed investe un secondo schermo S2 con due fenditure. La successiva propagazione delle onde porta alla formazione di una figura di interferenza sullo schermo finale F. Sottolineiamo come, al passaggio dei due fori dello schermo S2, gli aspetti ondulatori del processo giocano un ruolo essenziale. Sottolineiamo anche come qualsiasi tentativo di mettere in evidenza gli aspetti corpuscolari, inevitabilmente distrugge gli aspetti ondulatori e comporta il sparire della figura di interferenza e l'apparire di una

macchia di diffrazione che conferma la nostra conoscenza circa la fenditura da cui la particella è passata. Einstein chiamando in gioco il primo schermo argomenta: poiché le particelle incidenti hanno praticamente velocità perpendicolare allo schermo e poiché la legge di conservazione dell'impulso implica che la somma degli impulsi di due corpi che interagiscono resti costante, allora, se la particella devia verso l'alto lo schermo dovrebbe rinculare verso il basso e viceversa. In condizioni reali la massa dello schermo è talmente grande che praticamente esso resta fermo, ma in linea di principio, risulta possibile misurare anche un suo infinitesimo rinculo. Se si immagina di eseguire la misura dopo il passaggio di ogni particella si potrà sapere, per le particelle che subiscono una deviazione che le porta ad attraversare una delle due

fenditure dello schermo S2,se esse hanno attraversato il foro superiore oppure quello inferiore. Anche se la misura delladirezione di rinculo del primo schermo nel momento in cui la particella sta propagandosi versoil secondo non può influire sul successivo svolgimento del processo, si avrà comunque laformazione della figura di interferenza sullo schermo F. L'interferenza richiede che al passaggiodai due fori lo stato sia la sovrapposizione degli stati che corrispondono al passaggio da uno odall'altro, richiede dunque che in quel momento gli aspetti ondulatori governino il processo.Malgrado ciò, per ognuna di esse si conoscerà (tenendo conto del rinculo del primo schermo)se essa ha attraversato il foro superiore o inferiore di S2.Notiamo come da questo esperimento mentale si potrebbe,in linea di principio, mettere in evidenza gli aspetti corpuscolari (da quale fenditura è passata) della particella senzadistruggere quelli ondulatori (la

sovrapposizione) nell' istante preciso in cui essa supera il secondo schermo. Inoltre con la stessa tecnica si avrebbe una determinazione simultanea di posizione e velocità della particella.

Vediamo ora perché l'idea di Einstein non funziona secondo Bohr. Egli nel commentare questo esperimento si serve due figure (2) e (3), che incorporano la proposta di Einstein.

Nella figura (2) la finestrella mobile è posta in evidenza per sottolineare che il tentativo di conoscere da che fenditura passa una particella distrugge la figura di interferenza. Nella figura (3) viene indicato come vada alterato il primo schermo, per poter realizzare la proposta di Einstein, sostituendolo con uno capace di spostarsi verso l'alto o verso il basso grazie alla sua sospensione tramite molle, ciò per determinare il rinculo.

Bohr osserva che la conoscenza precisa dell'eventuale moto verticale del primo diaframma risulta un presupposto essenziale dell'argomento.

Infatti se la sua velocità nella direzione X prima del passaggio della particella non fosse conosciuta con una precisione su