Uno, nessuno o centomila elettroni. Qual è la verità?

Questa volta parleremo di John Archibald Wheeler, un grandissimo fisico americano del secolo scorso, di cui, tra l'altro, è stato allievo e spesso collaboratore nientemeno che Richard Feynman. Come sempre, cerchiamo di semplificare i concetti, ma di lasciare intatta la loro vera essenza.

Ancora una volta l'attore principale è l'elettrone, questa fantastica "particella" che ha permesso proprio a Feynman di proporre il suo celebre esperimento della doppia fenditura. Ma, finalmente, sappiamo cosa -o meglio- chi è.

Particella o onda? Tutti e due o solo uno dei due? La faccenda non è ancora perfettamente chiusa, ma l'introduzione del "campo" ha permesso, in qualche modo, di classificarlo come onda, ossia come disturbo del campo dell'elettrone. Resta inalterato il fatto che la sua presenza in un certo luogo o tempo sia legata alla probabilità, descritta dalla funzione d'onda di Schroedinger.

A noi interessa, però, fare un'altra domanda? Come può mai essere che questa "onda" o "particella" in cui si trasforma nel momento della misurazione (non per disturbo, però...) sia sempre la stessa? In altre parole, come fanno gli elettroni ad avere le loro caratteristiche perfettamente identiche?  Ciò comporta una domanda successiva... "Se sono tutti uguali" come può un elettrone decidere il suo comportamento? Cadiamo immediatamente nel campo della QED di Feynman e sulla conoscenza indiretta dell'elettrone. Esso (o "egli") possiede un libero arbitrio, o è soggetto alla casualità di un evento o, ancora, risponde solo e soltanto alla probabilità di fare un qualcosa in un dato momento e in dato luogo?

L'ultima ipotesi, la più seguita, ci dice soltanto, però, che riusciamo a sapere quale sia la probabilità che un elettrone si comporti in un certo modo, ma non perché e come lo faccia. Un discorso questo che ci rimanda nientemeno che a Epicuro, supremo filosofo greco, che -forse- aveva già capito tutto (ma ci torneremo in un altro articolo).

Ed eccoci arrivati a Wheeler e ad una sua telefonata a Feynman. Il primo propone una soluzione per l'identicità degli elettroni. Forse la più semplice concettualmente, ma di un'arditezza spaventosa. Il succo sta in questa constatazione: Se moltissimi oggetti sono tutti uguali tra loro, non potrebbe darsi che non siano moltissimi, ma sempre e soltanto lo stesso oggetto?

Possiamo fare un esempio pratico sotto agli occhi di tutti e che  rimanda al mio amato fiume Tanaro. Immaginiamo proprio un  fiume che giunge in pianura. Cosa succede normalmente? Beh, il corso d'acqua comincia a seguire un percorso molto tortuoso, come fosse un gigantesco serpente. Immaginiamo ancora di non conoscere la zona in cui siamo e di volere procedere in linea retta, magari immersi nella nebbia che ci limita una visione generale. Saremmo costretti a incontrare il nostro fiume molte volte durante la nostra camminata e niente ci direbbe se stiamo attraversando tanti fiumi o, invece, sempre lo stesso. Qualcosa ci potrebbe aiutare, anche se non risolvere il caso completamente: una volta il fiume va verso l'alto e una volta verso il basso, come mostra la Fig. 1.

Molto bene, cambiamo "un poco" l'ambiente e spostiamoci nello spaziotempo. Ammettiamo che il nostro fiume sia il percorso di una sola particella che non solo può spostarsi avanti e indietro nello spazio, ma che può invertire la rotta temporale e spostarsi avanti e indietro anche nel tempo. Cosa succederebbe a una persona che si muova nello spazio tempo? Beh... incontrerebbe la stessa particella molte volte, così come la stessa particella si troverebbe in ogni parte dell'Universo (Fig. 2).

In poche parole, basterebbe un solo elettrone, sempre lo stesso, per far credere che siano, invece, miliardi di miliardi di particelle uguali. Vi è anche la possibilità di intuire velocemente se stiamo incontrando una particella che va verso l'alto (tempo crescente) o  verso il basso (tempo decrescente). Essi sembrerebbero uguali, ma con una differenza enorme: i primi sarebbero elettroni e i secondi positroni!

Una teoria sconvolgente e ricca di insidie, messe a nudo subito da Feynman che rispose ricordando che il numero di elettroni è di gran lunga superiore a quello dei positroni, mentre, invece, dovrebbero pareggiarsi a causa del movimento temporale oscillatorio. Wheeler non si convinse del tutto e ribatté che -forse- i positroni hanno una grande probabilità nel finire nei protoni, attraverso una teoria molto contorta e non verificabile. Morale della favola: Wheeler seguì per un poco la sua idea e poi la mise da parte, pur mantenendo un certo seguito.

Feynman, invece, sfruttò sapientemente l'idea dell'inversione della direzione del tempo e inserì questa ipotesi nei suoi celebri diagrammi, che gli valsero il Nobel, mostrando come le interazioni tra elettroni e positroni potessero essere rappresentate attraverso la creazione di un positrone nel momento in cui un elettrone è costretto a tornare indietro nel tempo. In poche parole: il positrone non è altro che un elettrone che cambia il verso del tempo.

Bisogna dire che Feynman, da quel Signore che era, ha sempre ammesso la paternità di Wheeler per quella idea così sconvolgente, ma utilissima.

Va bene, continuiamo a credere che gli elettroni siano perfettamente uguali tra loro perché picchi di onda dello stesso campo quantico... però devo dire che l'idea di Wheeler è veramente di geniale fantasia.

P.S.: Ovviamente, il discorso fatto per l'elettrone vale anche per tutte le altre "particelle" del Modello Standard, ognuna di esse ha un suo ben preciso campo e quindi differiscono tra loro, ma quello dello stesso campo sono tutte identiche.