Categorie: Fisica classica Meccanica quantistica
Tags: campi quantici etere macrocosmo microcosmo onda propagazione
Scritto da: Vincenzo Zappalà
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Onda su onda. 2: il ritorno all'etere? ***
Questo articolo è inserito nella sezione d'archivio Onda su onda
Avevo fatto il mio programma di articoli dedicati alle onde, ma mi sono sorti grossi dubbi. In parte, la "colpa" è del nostro caro amico Giorgio con la sua domanda (e il suo stupore) sulla durata del concetto di etere.
E' il modo migliore per affrontare le onde un secolo dopo che Einstein ha distrutto l'etere? Come mi arrabbio un po' quando si continua a spiegare la fisica classica, trascurando del tutto o quasi la relatività einsteniana, così avrei piacere di cercare di far capire lo stato attuale delle cose, dopo che la meccanica quantistica è diventata scienza descrivibile e sfruttabile, malgrado lasci ancora aperte le porte della sua effettiva comprensione. Pensiamo alla teoria newtoniana della gravità: tutto molto bello, ma ricco di problemi enormi, quali l'azione a distanza tra due corpi.
In particolare, è essenziale ricordare che sotto questo aspetto la scomparsa del Sole avrebbe immediatamente un effetto sulla situazione di un pianeta come la Terra. E, invece, sappiamo che non è così, dato che l'informazione necessaria alla Terra per sapere che il Sole è scomparso non può andare più velocemente della luce. Attenzione... se l'informazione è lenta, devono esserlo anche le risposte fisiche, costrette a seguirla.
In fondo, non è molto diverso dal pensare di usare un'asta di lunghezza paragonabile alla distanza tra Terra e Marte e pensare che un minimo spostamento dell'asta provochi immediatamente una reazione su Marte. Sappiamo che non è così, dato che le particelle che compongono l'asta devono avere il loro tempo per passare l'informazione da una all'altra come in un telefono senza fili. La relatività generale ci dice qualcosa di simile: la curvatura dello spaziotempo e le sue variazioni devono trasferirsi lungo un certo spazio e la velocità della luce è nuovamente un ostacolo per un'informazione istantanea. La luce, la povera luce, obbligata a viaggiare per miliardi di anni prima di informarci su quello che è successo su una galassia primordiale.
A questo punto viene a fagiolo il dubbio sollevato da Giorgio: "Perché c'è voluto così tanto tempo per distruggere l'etere?". La risposta potrebbe essere: "Perché l'etere non è mai stata distrutto, ma solo modificato!". Lo stesso Einstein ha espresso il suo rammarico sulla scomparsa dell'etere, affermando che non era quello che voleva. Lui aveva solo trascurato l'esistenza di un mezzo tra due oggetti, dato che accettarlo o non accettarlo non avrebbe cambiato la stesura delle sue teorie rivoluzionarie. In fondo, cari amici, Einstein credeva ancora nell'etere o, più correttamente, nell'esistenza di un "mezzo" che riempisse il cosiddetto vuoto cosmico. Un mezzo, però, che poco aveva in comune con la materia con la quale siamo abituati a convivere.
Veniamo quindi alle nostre onde. Loro sono state velocemente comprese quando erano di carattere meccanico, ossia nascevano da un disturbo creato nella comune materia. Potevano essere onde marine, onde acustiche, onde sismiche, ma erano pur sempre dovute a spostamenti improvvisi dei costituenti della materia: un sasso nel mare, un grido, la caduta o lo sfregamento di strati rocciosi sotterranei.
Ben più difficile è stato arrivare alle onde elettromagnetiche e a quelle gravitazionali. Nel primo caso nascevano in modo simile a quelle meccaniche (molto approssimativamente), ma si propagavano nel vuoto, un vuoto che allora era considerato veramente assoluto. Bellissima la teoria di Maxwell e la naturale descrizione in termini di onde, ma resta il fatto che la loro propagazione dell'informazione, ossia di energia e, quindi, anche di quantità di moto, doveva avvenire senza alcun aiuto per tale trasporto. Se un lago è asciutto, possiamo tirare tutte le pietre che vogliamo, ma non si formerà nessuna onda.
E doveva anche avvenire con una certa velocità, non superabile (e perché mai potrei chiedervi?). Ancora più complessa la formazione delle onde gravitazionali. E' facile descrivere la loro nascita, dovuta a variazioni dell'accelerazione di masse, introducendo una specie di tessuto e dicendo che le onde lo stropicciano e lo stropicciamento si trasferisce anche molto lontano, proprio come un'onda. Apparentemente comprensibile, peccato, però, che non vi sia nessun tessuto. In poche parole, per propagarle abbiamo comunque bisogno di un "qualcosa", anche se è il vuoto. Oggi si mette la polvere sotto il tappeto dicendo che è tutta la struttura spaziotemporale che si deforma, ma non si tiene conto che lo spaziotempo non è un'entità fisica che si tocca con mano, ma solo e soltanto (almeno per adesso) una rappresentazione matematica, una metrica capace di descrivere, ma niente di realmente concreto.
A questo punto, arriviamo abbastanza rapidamente alla introduzione dei campi.
Cos'è un campo? In realtà anch'esso ha ben poco di fisico ed è in fondo solo un'operazione matematica che associa a ogni punto dello spaziotempo un certo valore. Se è un numero si ha un campo scalare, se è un vettore, un campo vettoriale, se è un tensore, un campo tensoriale, proprio quello utilizzato da Einstein. Tante belle parole che abbiamo già imparato a conoscere introducendo la relatività generale, ma, ancora una volta, opera di descrizione matematica piuttosto che di realtà fisica osservabile.
Ma questi campi così importanti sono solo espressioni matematiche o nascondono realtà fisiche non ancora comprese a fondo? Nessuno lo sa ancora, così come non si sa ancora se la rappresentazione matematica che gli si sta dando sia veramente quella seguita dalla Natura. Essi sono, però, entità che diventano essenziali entrando nello studio della meccanica quantistica. La famosa dualità tra onde e particelle si inserisce perfettamente in questo contesto. In ogni campo esistono onde che trasmettono l' informazione, ma solo dove esse interagiscono vengono create le particelle.
Fa quasi ridere pensare che questa svolta così rivoluzionaria sia stata merito di Einstein, proprio colui che divenne acerrimo nemico di certe caratteristiche peculiari della meccanica quantistica. Sotto questa visione, ci accorgiamo come acquisti senso il parlare di un'esistenza contemporanea sia come onda che come particella. E ogni campo ha la sua particella che può essere interpretata anche come onda. Queste poche e coincise parole fanno anche pensare al genio di Feynman che ha adottato nella sua QED le interazioni tra due campi, quello dell'elettrone e quello del fotone, riuscendo a descriverle con diagrammi puramente geometrici. In fondo, anche il fotone potrebbe avere un suo campo.
Cosa risulta da tutto ciò? Risulta, a mio modesto parere, che si sta tornando alla necessità di un'etere, anche se radicalmente diverso da quello storico. Il campo stesso è riempito da questa strana essenza che assomiglia un po' a un continuo ribollire di quasi particelle che non sono ancora materia. Questa strana essenza è poi quella che permette alla luce di trasportare informazione e, quindi, energia.
Dove voglio parare con questo mio articolo? Nel fatto che descrivere e spiegare le onde in modo classico, pur avendo sicuramente un grande interesse, sembra quasi un'operazione archeologica, così come utilizzarle per descrivere i campi "classici" generati dalle cariche elettriche e magnetiche, dovuto al genio enorme di Maxwell. Lasciatemi volare con la fantasia (ma non poi tanto): la vera differenza tra onde meccaniche e onde che si propagano nel vuoto è dovuta solo alle dimensioni delle particelle coinvolte. Per le onde meccaniche vi è materia, per quanto rarefatta, che oscilla e regala l'informazione a quella che sta vicina affinché la propaghi pur stando ferma. Per le onde come quelle elettromagnetiche, lo stesso processo è svolto nel microcosmo e sono le particelle-onde che trasmettono l'informazione una con l'altra. Non potrebbe essere che i fotoni servano solo a mantenere una certa oscillazione e la trasmettano al loro vicino di casa? Ne segue che l'etere non sarebbe altro che un "fluido" che oscilla quando si entra nel microcosmo, dove regna sovrana una fisica nettamente diversa da quella del macrocosmo. Lasciatemi scatenare e non picchiatemi: "E se l'esistenza di questo strano fluido fosse proprio ciò che pone un limite superiore alla velocità dell'informazione ?". Va bene, va bene... cerchiamo di essere seri e tornare con i piedi per terra.
Vi chiedo, perciò, un parere a riguardo... Vi sembra utile partire con le solite descrizioni delle onde meccaniche e suddividerle secondo la loro strategia di propagazione? E' altrettanto utile l'applicazione delle stesse caratteristiche alle onde elettromagnetiche che "dovrebbero" propagarsi nel vuoto? E' stato veramente distrutto l'etere? L'argomento è estremamente vasto e ricco di rivoli secondari e ci vorrà del tempo. Resta comunque un lavoro abbastanza "semplice" e standardizzato che non mi preoccupa più di tanto. Molto più difficile mi è stato scrivere questa sintesi estremamente rozza e imprecisa dello stato attuale delle cose. Insomma, ditemi voi che cosa preferireste sapere e analizzare più a fondo...
24 commenti
Ottimo inizio Enzo! ma l'appetito vien mangiando...quindi attendo con ansia il seguito, che immagino riguarderà "l'energia del Vuoto".
Grazie
Bella domanda Enzone. Ecco la mia risposta: tutte e due ahahahahah.
Scherzi a parte un minimo di definizione matematica della sinusoide mi pare indispensabile. Spiegata alla tua maniera sarebbe digeribile e leggera. So che sono trattazioni facilmente reperibili ma quelle che ho trovato sono impossibili da seguire. Puoi sempre scindere in due parti l'articolo e proseguire con la trattazione matematica fin che qualcuno non urli "basta! Ci arrendiamo", mentre con l'altra sicuramente più interessante e divulgativa, portata avanti contemporaneamente, così si può interagire con chi legge e sentirne di tutti i colori. Ahahahah
So cosa stai pensando, si è doppio lavoro ma ti tocca......
PS alla faccia della sintesi rozza, hai già risposto ad alcune delle domande che mi ronzavano in testa.
Caro Enzo, leggendo il tuo articolo, la mente viaggiava anche verso il mare di Dirak, ossia l'idea di un vuoto composto da particelle a energia negativa e di quanto questo concetto sia estremamente diverso da quello attribuito al concetto di vuoto in passato.
Non so se questo vuoto colmo di energia negativa sia una modo elegante di ridefinire anche un'idea di etere molto molto diversa da quella del passato (non ci avevo mai pensato... ah i pregiudizi, in questo caso sull'etere, non facilitano mai la conoscenza).
Così come mi risulta difficile comprendere la differenza tra l'astrazione o la descrizione matematica dello spaziotempo e la sua rappresentazione "astratta" di un tessuto che può contrarsi, dilatarsi ed essere attraversato da onde gravitazionali che lo stropicciano, o se si preferisce che sembrano farlo vibrare.
E che dire poi delle onde di probabilità, che da semplici descrizioni matematiche probabilistiche, riescono a produrre o distruggere una figura di interferenza (vedi esperimento della doppia fenditura), con il solo fatto di osservare (facendo collassare l'onda probabilistica) o non osservare.
Bene ora che ho finito di dire sciocchezze
, non mi resta che seguire con interesse questo tuo percorso, qualunque sia la strada o le strade che si sceglierà di intraprendere.
Grazie ragazzi... non sarà facile, ma forse ha ragione Frank (accidenti!) e la cosa migliore sarà seguire entrambe le strade. Tuttavia, cercherò comunque di restare sui concetti e fare poco uso di formule.
Tra parentesi, vorrei anche fare una breve storia dell'etere dai greci al mare di Dirac, come ricorda Paolino.
Oh, povero me... mala tempora currunt...
Fatto, ho archiviato lo screenshot. Naturalmente ho cancellato il "forse" con Photoshop. Ahahahahaha
Allora comincio subito, l'incompatibilità tra gravitazione e meccanica quantistica è colpa della teoria delle onde che non è quella giusta per andare a fondo. Un poco come la teoria di gravitazione newtoniana, per andare oltre è occorso un cambio totale di prospettiva. Quindi stiamo per imparare una teoria, quella ondulatoria, che dovrà essere sostituita o almeno integrata con altro. Ahahahahaaha. Ti avevo avvisato che ne avresti sentite di tutti i colori.......
PS notare il sentire i colori che sono entrambi onde.
Caro Frankotto,
forse proprio la teoria dei campi potrebbero aiutare nell'unire il tutto. Prima forse solo matematicamente, poi chissà... Certo che ci vorrebbe un altro Einstein, capace di una giusta dose di fantasia e libertà creativa.
Caro professore,
la frase "..Ne segue che l'etere non sarebbe altro che un "fluido" che oscilla quando si entra nel microcosmo, dove regna sovrana una fisica nettamente diversa da quella del macrocosmo. Lasciatemi scatenare e non picchiatemi: "E se l'esistenza di questo strano fluido fosse proprio ciò che pone un limite superiore alla velocità dell'informazione ?""
mi ha fatto tornare in mente questo articolo:
https://www.reccom.org/lo-spazio-non-e-curvo-e-un-fluido-dilatante-e-i-conti-tornano-un-passo-verso-la-tanto-attesa-gravita-quantistica-2/
Non sono assolutamente in grado di valutare la correttezza formale dello studio, ma qualitativamente mi sembra molto simile alla sua "fantasia".. che ne pensa?
caro Francesco,
beh... direi solo da un punto di vista molto approssimativo. Io sto pensando al vuoto non vuoto alla Dirac e non a qualcosa che "freni" addirittura il moto dei corpi. Il passaggio da micro a macrocosmo è fondamentale e la soluzione del problema della gravità quantistica è, secondo me, legata probabilmente alla estrema debolezza del campo di gravità: non siamo ancora in grado di valutare la vibrazione dei possibili gravitoni. Tornando a noi, sono molto dubbioso della necessità di cambiare la descrizione dello spazio tempo enisteniano che vive benissimo fluido o non fluido. Einstein si è disenteressato dell'etere e non l'ha mai veramente rifiutata. Dobbiamo solo riuscire a descriverla compiutamente con le regole dei quanti. Probabilmente, a quel punto, anche la gravità troverà il suo campo quantico.
Per finire: trovo il modo di parlare del nostro preside un po' saccente, così come resto interdetto dal fatto che due approcci completamente diversi possano dare lo stesso identico risultato. Non parliamo poi del frullato di materia ed energia oscura...
Ti ringrazio, comunque, per l'interesse e per il tuo contributo!
Pienamente d'accordo su tutto!
Ben vengano teorie alternative che cerchino di superare i limiti di quelle esistenti, ma poi devono fare i conti con le verifiche sperimentali! E in questo la relatività ha ormai decenni di conferme.. resta "solo" da inquadrarla con la quantistica!
Personalmente, caro Francesco, io propendo per la gravità quantistica a loop, anche se non incontra favori unanimi e, per adesso, non ha la possibilità di essere verificata sperimentalmente. Però, ha un qualcosa che mi affascina...
Si, ho letto da non molto il libro "La realtà non è come ci appare" di Carlo Rovelli, veramente affascinante!
Le prossime generazioni di scienziati avranno un bel da fare nel verificare, confutare o integrare queste nuove teorie..
PS: vorrei approfittare di questo spazio per ringraziare te (posso darti del tu?) e tutti gli altri frequentatori di questo circolo per il grande lavoro di divulgazione che portate avanti con passione. Sappiate che i vostri sforzi non sono vani, ci sono molti lettori silenti (come me) non più giovanissimi, ma anche lettori appena poco più che ragazzi. E in questi ultimi basta poco a far accendere la curiosità di sapere come è veramente quella realtà che non è come ci appare!
Caro Francesco, il TU è d'obbligo per noi che amiamo ancora la Scienza e la Natura. Spero tanto nei giovani e credo nelle tue parole. Comunque, siamo noi che ti ringraziamo per seguirci con assiduità. E' il minimo che si possa fare per ricambiare l'Universo che ci ha permesso di farne parte!!! A presto...
grazie Prof anche per i voli " in alto sull'etere " ...ho sempre fatto gran fatica nel pensare ad onde nel ' nulla..' .per di più ricordo sempre una frase del Prof. Tullio Regge ..."l'etere non c'è però bolle...." Grazie di cuore per il suo lavoro , mi fa sentire un pò meglio rispetto alla vertigine delle conoscenze ..sempre limitate .
grazie a te Mario che mi accompagni in questo viaggio! Conoscevo molto bene Tullio Regge ed era veramente un grande uomo oltre che scienziato.
Caro Vincenzo,
ti ringrazio per la consueta tua chiarezza nell'esporre argomenti che altri di solito espongono in modo criptico e quindi incomprensibile ai più. Alle tue due prime domande rispondo convintamente sì; per quanto riguarda l'etere ero convinto che fosse sparito dopo il famoso esperimento di Michelson - Morley, ma leggendo il tuo articolo mi viene qualche dubbio. Sarebbe bene chiarire quanto possibile.
Grazie di nuovo
Michele
Grazie a te, caro Michele
Campo, magnetico, elettrico, elettromagnetico, gravitazionale, campo di Higgs.
I campi in fisica, potrebbero forse essere la manifestazione di mutua interazione, emergente, con le particelle elementari, della stessa cosa, della stessa realtà sottostante?
Il nostro linguaggio matematico, li descrive singolarmente, analogamente a come potrebbe fare un poeta con un tramonto e un'alba, descrizioni eleganti, separate, dello stesso fenomeno di base...chissà...
Caro Massimo, potrei dirti di più: le particelle sono proprio i campi, o meglio le loro interazioni e/o perturbazioni.
Caro Vincenzo
allora le perturbazioni delle particelle sono le onde? Se non ci sono particelle non ci soni campi?
Attendo i prossimi articoli sulle onde per capirci un po' di più, spero.
Grazie.
Michele
caro Michele,
prendi tutto come un'estrema semplificazione... Le stesse particelle sono delle perturbazioni di un campo, ma generano anche esse stesse un campo. Insomma, qualcosa del genere... Speriamo di riuscire a fare maggiore chiarezza in seguito, tenendo presente che i campi sono formulazioni matematiche e renderli qualcosa di concreto è molto difficile.
Caro Vincenzo
lancio una idea che può sembrare assurda ma che a pensarci bene non lo è poi tanto.
Le stelle frantumano gli atomi ed emettono fuori di esse, nello spazio, le particelle subatomiche che ne risultano in uno stato di surriscaldamento estremamente alto che non ne consente la successiva condensazione. Di tali particelle quelle stabili (potrei sbagliarmi ma penso a elettroni e protoni perchè tutte le altre decadono nel tempo) si accumulano formando, a meno di deformazioni locali, due sfere concentriche di elettroni e protoni che sono in equilibrio statico sotto l'azione repulsiva elettrostatica ed attrattiva gravitostatica. Si ottiene così un reticolo perfettamente omogeneo ed elastico che risponde alle sollecitazioni elettriche e di massa creando uno stato di eccitazione vibrazionale che si trasmette a tutto il suo interno. Ecco il nostro etere.
La frequenza propria fondamentale del reticolo trasmette tutte le informazioni che vogliamo compresa la luce che però non può ritenersi costante perché essa è legata alla densità degli elettroni e dei protoni che continua a crescere con le stelle in attività. Ma qualsiasi sistema vibrante ha un numero elevato di frequenze proprie di vibrazione. Allora ci sono anche infinite velocità della luce tutte multiple di quella che conosciamo?
Da ignorante, mi viene da pensare: secondo la relatività, un oggetto che si muove (anche nel vuoto)
1. si comprime nella direzione del moto;
2. aumenta la propria massa (ergo, per accelerare ha bisogno di più energia di quanta ce ne vorrebbe per la semplice accelerazione in sé);
3. Comprime lo spazio davanti a sé;
4. Rallenta il proprio tempo.
Tutto questo è normalmente considerato un "fatto bruto" (che dovrebbe fare orrore alla scienza, visto che dovrebbe invece cercare sempre le cause di ciò che osserva). Se invece considerassimo una qualche forma di "etere subatomico":
1. l'oggetto si comprime nella direzione del moto semplicemente perché le sue particelle (o esso stesso, se è una singola particella) incontra una resistenza, nel cosiddetto spazio vuoto che evidentemente non è tale;
2. l'apparente aumento di massa, e quindi di necessità di più energia di quanto ci si sarebbe aspettati per poter eventualmente accelerare nel vuoto) significa semplicemente che ci vuole più energia per accelerare in un mezzo che esercita resistenza;
3. lo "spazio" che viene compresso davanti all'oggetto non è altro che etere compresso o spostato dal movimento;
4. non c'è nessun rallentamento del tempo, c'è semplicemente un rallentamento di ogni singola particella dell'oggetto perché esse incontrano più resistenza nel loro movimento "interno" all'oggetto, rispetto al loro normale muoversi di quando l'oggetto è statico; nel caso di una singola particella elementare, in cui vediamo lo stesso rallentamento temporale, è sufficiente comprendere che il carattere puntiforme che viene loro assegnato è una convenzione, e che una qualche struttura interna devono averla, che evidentemente viene alterata (presumibilmente vengono rallentati i processi interni) dal movimento della particella nello spazio/etere (famoso è l'esempio dei muoni: si formano nell'alta atmosfera e dovrebbero "morire" prima di raggiungere terra nonostante scendano quasi alla velocità della luce, eppure a livello del mare ne troviamo tantissimi: ciò è convenzionalmente spiegato con un accorciamento dello spazio ed un rallentamento del proprio tempo dovuto alla loro velocità relativistica). Ovviamente, in soggettiva, un rallentamento delle proprie particelle fa comunque vivere la propria esperienza mentale e coscienziale in modo normale (perché a rallentare sono anche i singoli elettroni dei neuroni, ecc.), con l'impressione che sia il resto dell'universo a muoversi più velocemente. A spiegare il fatto che la deformazione di "spazio e tempo" avvenga anche in prossimità di corpi massicci, essa è spiegabile con l'etere se si considera non un "rallentamento del tempo", ma un semplice ispessimento di questo presunto mezzo in prossimità di una massa (esattamente come nella teoria della relatività), e che qualunque particella o insieme di particelle che si trovi in tale zona più "densa" troverebbe maggior resistenza nei propri movimenti, esattamente come quando si sposta nello spazio.
Niente spaziotempo quindi, ma solo un mezzo in qualche modo deformabile e deformante, che cioè interagisce, e niente relativismo assoluto del proprio punto di vista, ma solo casi particolari di un generale "ritmo universale".
Mi sembra che tu confonda "accorciamento" con "compressione"
Salve, vedo solo oggi questo sito di Vincenzo e il dibattito, MOLTO interessante che ne segue. Proprio ieri in un convegno ho cercato, timidamente e con rispetto,di confutare Michelson -Morley con il lavoro di Dayton Miller tra il 1920 e 1926, affiancato per anni ....dallo stesso Morley!! Vento d'etere" o come volete chiamarlo, tra i 3 e i 9 Km/sGrazie, con un interferometro molto più grande del più famoso(1887 se non erro) Grazie