La teoria quantistica dei campi e la fisica della materia vivente. Un’ipotesi sui fenomeni psichici

Emilio Del Giudice 18/9/2013

(Trascrizione di Michele Lucantoni e Domenico Fiormonte) Partiamo da una metafora sullo sviluppo della scienza negli ultimi millenni. La metafora consiste nel paragonare questo sviluppo a quello che fa un bambino quando qualcuno gli regala un giocattolo. La scienza sarebbe il bambino e il giocattolo sarebbe la natura. All'inizio il bambino gioca seguendo le istruzioni del giocattolo, se poi si scopre abbastanza vivace, il bambino vuole vedere come è fatto dentro, e allora rompe il giocattolo – per la disperazione di chi glielo ha regalato. Smontato il giocattolo in mille pezzettini, nella maggior parte dei casi il bambino rimane lì a guardarlo in attesa del prossimo giocattolo. Esiste però anche la possibilità che il bambino provi a rimontarlo, ottenendo un giocattolo simile al precedente, perché composto degli stessi pezzi. Vi sono dunque tre fasi dell'approccio al giocattolo, che corrispondono esattamente alle tre fasi della scienza. All’inizio gli esseri umani hanno guardato intorno la natura ed hanno cominciato a fare dei cataloghi […] l’elenco di tutto ciò che esiste – il che è un lavoro gigantesco. Tra l’altro, bisogna stabilire empiricamente delle correlazioni, cosa tutt’altro che facile. Un esempio, il grande colpo di genio dell’umanità nel capire come nascono i bambini: stabile una correlazione tra un atto sessuale avvenuto in un certo giorno, e la nascita del bambino nove mesi dopo, è una cosa non banale – significa seguire una concatenazione causale a lunga distanza. Capite che la prima fase della scienza è tutt'altro che banale e, di fatto, ha richiesto millenni – pensate a capire le regolarità di tutti i moti celesti... Questa prima fase è durata, almeno nel mondo occidentale, fino al Rinascimento – anche se si potrebbe dire che questa prima fase si sia conclusa in periodo ellenistico, ma a causa di alcuni “intoppi”, come l'ascesa dell'impero romano, il processo di sviluppo della scienza ha rallentato enormemente. Dopo il Rinascimento prese piede un altro approccio, che consisteva nel fare a pezzettini la natura. Ovviamente, la natura smontata non è più la natura: smontare la natura è un atto di morte, si uccide il vivente per vedere come è fatto dentro – la morte come parte essenziale della vita. Che cosa si scopre così? Rimanendo nel campo del vivente, si scopre che quest’ultimo è fatto di cellule, che a loro volta sono composte di nucleo e citoplasma. Poi vengono le molecole, atomi, protoni ed elettroni, fino ai quark – non ulteriormente scomponibili – in un'organizzazione che potremmo dire “a matrioska”. Ci troviamo ora sulla frontiera della terza fase, che significa ricomporre il tutto e vedere come si tiene insieme. Naturalmente ci sono i superficiali, ovvero coloro che vogliono arrivare alla terza fase senza lasciare la seconda. Cito alcune cose sinceramente ridicole. Nel campo della biologia, è andato di moda negli ultimi decenni – da quando ai biologi è stata insegnata l'esistenza delle molecole – cercare di scoprire quale sia la molecola che esprime una determinata funzione biologica. Naturalmente, la funzione biologica è un prodotto collettivo di interazione tra migliaia di molecole. Leggo a un certo punto, che è stato scoperto il gene responsabile della voglia di fumare. Siccome la voglia di fumare è nata storicamente cinquecento anni fa – ci vuole ovviamente la pianta del tabacco per avere la voglia, prima il problema non esisteva. Allora mi chiedo: dato che lo sviluppo dei geni, procede a tempi molto lenti e non a velocità come queste, cinquecento anni fa, questo gene cosa faceva? Come si era formato questo gene? Non di certo in prospettiva delle necessità del fumo. Allora qualcuno deve averlo progettato. Potete ben vedere, che a discapito delle apparenze, la scienza positivista e la teologia, lottano molto spesso insieme. Qualcuno ha previsto la scoperta della pianta del tabacco, pertanto avrebbe progettato un gene che interagisse con questa scoperta. Il gene ha dunque esercitato una spinta affinché si accelerasse il processo di scoperta della pianta... Capite quindi, che si tratta di stupidaggini totali. Non c’è mai nessuno di più stupido dell'esperto: perché l'esperto è uno che crede di sapere tutti i dettagli di una cosa, quando in verità ne conosce un piccolo pezzo. C’è un proverbio cinese che dice: “chi per vedere il cielo si mette in

fondo a un pozzo non ne può vedere molto”. La caratteristica dell'atomismo è stata anche l'estrema specializzazione, per cui c'è l'esperto del ginocchio sinistro che è diverso dall'esperto del ginocchio destro. Chi ha dolore al ginocchio sinistro va subito dal relativo esperto, senza contare che quel dolore può provenire da tutt’altra parte... Insomma, l’esistenza degli specialisti è stata una disgrazia totale per lo sviluppo della scienza. Ciononostante, l’umanità ha molte risorse e riesce anche a superare questa impostazione. Notate che nell’ultimo secolo, le grandi scoperte le hanno sempre fatte i non esperti: per esempio la teoria della deriva dei continenti viene da un meteorologo. La fisica quantistica è nata sulla base del lavoro dei chimici e viceversa la chimica moderna è nata sulla base del lavoro dei fisici. Ma non bisogna preoccuparsi: basta che qualcuno si interessi di cose che non gli competono e acquisisce la possibilità di fare una scoperta. Un’altra delle grandi stupidaggini della scienza moderna è quella di trattare il cervello umano come un computer, o meglio, un super computer. Sembra che ci siano 100.000.000.000 di neuroni nel cervello umano – non so come li abbiano contati. Ci sono 100.000.000.000.000 di connessioni sinaptiche. Capite che la ricomposizione partendo dagli atomi è semplice quando i componenti sono pochi, ma di fronte a queste cifre diventa veramente un problema molto complesso, che però vedremo si mostrerà più semplice rispetto a una apparente semplicità. Il cervello umano occupa 1,2 litri di volume ed ha una memoria stimata di 3,5 x 10 (alla quindici) di byte, ed opera a una velocità di 2,5 x 10 alla quindici operazioni al secondo – siccome si tratta di affermazioni poco importanti sono sicuramente vere! Tutta questa meraviglia, ha una spesa energetica piccolissima: 20 watt. Esistono dei super computer corrispondenti? Vediamo: ne esiste uno giapponese, testato nel giugno 2011, il Fujitsu “K”. Questo computer è grande come una grossa stanza, ha una memoria di 30 in byte – una memoria 10 volte quella del cervello umano – e viaggia a una velocità di [8,2 x ] operazioni al secondo. Quindi entro un fattore 10, il più grosso super computer esistente è comparabile come prestazioni a un cervello umano – diciamo che è circa dieci volte meglio. Ma dov’è la differenza? Questo oggetto consuma non 20 watt, ma 12,6 milioni di watt – cioè ha un consumo energetico dodici milioni di volte più alto di quello del cervello. C’è la necessità infatti di grossi sistemi di raffreddamento, altrimenti fonderebbe tutto. Un anno dopo, il computer K è stato soppiantato da un altro computer che si chiama Sequoia – della IBM – che lavora a 16,325 x operazioni al secondo – un miglioramento del 100%. C’è stato anche un miglioramento energetico – consuma il 37% meno del computer K. A oggi, il computer più avanzato è cinese e lavora a 30,7 x operazioni al secondo. Qui il punto che fa la differenza è il consumo energetico: con un joule di energia, un super computer compie 10.000.000 di operazioni, mentre un cervello umano compie 100.000.000.000.000 di operazioni (centomila miliardi). Il cervello dunque non è un super computer per questioni energetiche. Ci vorrebbe un’intera centrale elettrica per farci funzionare. La produzione energetica del cervello è di fatto piccola.1 Possibile dunque costruire un computer che non consumi 20.000.000 di watt? Il problema da affrontare è di natura concettuale. Come mai noi esseri viventi consumiamo così poca energia? Tutto il corpo consuma all'incirca come un motore di 300 watt. Se volessimo simulare le nostre funzioni biologiche con dei robot, il consumo energetico delle macchine sarebbe molto più alto del nostro. Perché? Cos’è l'energia? L’energia è il risultato dell’applicazione di una forza (fisica di base). La fisica classica che nasce con Galilei si fonda sul principio della scomposizione della natura in pezzettini (specialmente per gli atomi e la loro relazione). Abbiamo i principi della dinamica che ci dicono: in principio, questo oggetto, se isolato, è inerte. Si muoverà in moto rettilineo uniforme per l’eternità, se si vuole apportare un cambiamento c’è bisogno di applicare una forza esterna, ovvero qualcuno deve spingere o tirare. Viene in mente una metafora – perché la scienza è prima di tutto una metafora. Prendiamo due oggetti: un automobile con il serbatoio quasi vuoto e un gatto che non mangia da qualche giorno. Abbiamo due sistemi

1 Apro un inciso sulle fonti energetiche: il problema non è produrre nuove fonti energetiche, bensì di sviluppare una tecnologia capace di consumare pochissima energia. A 20 watt di consumo, come per il cervello, qualsiasi fonte di energia va bene.

quindi “affamati”, quasi privi di energia. Mentre il gatto usa la poca energia rimasta per cercare cibo, l’automobile invece rimane ferma e deve essere spinta fino al distributore da qualcuno. L’auto si rivela dunque passiva, mentre il gatto è attivo. Ecco, la fisica classica studia gli oggetti passivi. Ogni volta che vedete una variazione nello stato di moto uniforme di un corpo, dovete inferire che c'è una forza che sta agendo. La forza quando agisce consuma energia o alternativamente impulso. Quindi, se un oggetto classico deve muoversi nel mondo, ha bisogno di energia, dunque qualunque lavoro di costruzione nel mondo necessita di energia. Qui nasce il mito dell’energia: ci vuole energia per tutto. Costruire un vivente su questa base diviene dunque impossibile. Come si fa a riprodurre la capacità di autonomia dell'essere vivente, in termini di fisica della passività? Per fare quello che fa un cervello in 20 watt serve un energia 12 milioni di volte più grande. La maggior parte del pensiero scientifico tradizionale ignora questo aspetto, ignora la bolletta energetica che si pagherebbe se le proprie fesserie fossero vere. Allora qual è la via d’uscita? Esattamente 113 anni fa è nata la fisica quantistica. Qual è la differenza tra fisica quantistica e fisica classica? Come è avvenuto il passaggio nel riconoscere che la fisica classica era insufficiente per spiegare certi fenomeni? Il criterio consiste nel portare alle estreme conseguenze il ragionamento della fisica precedente. Ecco perché è importante la fisica teorica: con rigore logico, si possono derivare tutte le conseguenze dei principi. Quando si impatta in una “fesseria” si costretti a iniziare una rivoluzione concettuale. Dunque il problema da esaminare è quello che va sotto il nome di “calore specifico dei corpi solidi a bassa temperatura”. Il calore specifico è la quantità di energia necessaria per alzare di un grado la temperatura di un corpo. La temperatura è il grado di agitazione delle molecole, è l'energia cinetica media che le molecole hanno in un dato stato. La temperatura assoluta di un corpo è il valore medio dell'energia cinetica dei componenti. La temperatura assoluta differisce dalla temperatura centigrada (la temperatura normale di un corpo) per un numero: 273. Significa che bisogna spostare la scala. A 0°, temperatura a cui fonde il ghiaccio, corrispondono, sulla scala assoluta, 273° assoluti. Allo zero assoluto, che si ha quando tutte le molecole sono ferme, la temperatura assoluta è 0. Questo capita a 273° sotto 0, che corrisponde dunque allo 0 della temperatura assoluta. Quindi temperatura assoluta= temperatura centigrada + 273. Quindi la mia temperatura che è di 37° è anche di 310 gradi Kelvin – lo scienziato che scoprì questa unità di misura. Il calore specifico dipende dalla grandezza del corpo. Il corpo è una mole. Una mole è una porzione di materia composta da 6, (ventitré 0) molecole (numero di Avogadro). Fissiamo per ogni sostanza una mole, e prendiamo il calore specifico molare. Per alzare di un grado la temperatura di questo corpo io devo alzare l'energia cinetica di una quantità ben definita, il salto che devo fare è ben definito. Però, se io do energia a un dato corpo, questa energia può essere impiegata in due maniere: 1) può dar luogo a modifiche strutturali del corpo (per esempio passare da solido a liquido); 2) può aumentare la temperatura. Però i cambiamenti strutturali avvengono a temperature ben definite. Allora abbasso la temperatura fino ad andare al di sotto dell’ultima trasformazione strutturale. Al di sotto di questa temperatura l’unico modo per utilizzare l’energia è la variazione di temperatura. Dunque ci posizioniamo nell’intervallo tra lo zero assoluto e la temperatura a cui è avvenuta l’ultima trasformazione strutturale, e in questo intervallo, il calore deve corrispondere al gradiente energetico che ho apportato. Ne deriva la legge secondo cui a bassa temperatura i calori specifici debbano essere costanti, cioè indipendenti dalla temperatura, poiché l’energia necessaria per superare il primo gradino è uguale all’energia che mi serve per superare il ventiduesimo. Questa è una legge che è andata sotto il nome di Dulong e Petit e sostiene che i calori specifici dei solidi a bassa temperatura devono essere costanti. Questo ragionamento “non fa una grinza” poiché discende linearmente dai principi di conservazione dell’energia. Però c’è una sorpresa: se questo fosse vero, quella quantità misteriosa che si chiama entropia, nel limite della temperatura assoluta che va a 0, diventerebbe infinita. Siccome l’energia necessaria per compiere una qualunque trasformazione fisica è proporzionale all’entropia, vorrebbe dire che vicino allo 0 assoluto nessuna trasformazione diverrebbe possibile, perché richiederebbe una energia infinita. Significherebbe che l’universo non diviene più. Poiché l’universo si trova a

temperatura molto bassa – 2 o 3 gradi assoluti nello spazio cosmico – diventerebbe una sorta di Essere parmenideo. Eraclito ne uscirebbe deluso. Tuttavia l’osservazione da più ragione a Eraclito che non a Parmenide, perciò ci deve essere qualcosa di sbagliato nel ragionamento. Di conseguenza la legge della costanza dei calori specifici non può essere vera. Bisogna prima capire se la legge è vera o falsa, nonostante la lineare ragionevolezza. Il grande chimico tedesco Walther Nernst – ci vuole sempre il non esperto – usando tutti i progressi della tecnologia disponibili a cavallo tra 800 e 900 – all’epoca, le misurazioni sperimentali si fermavano ai 20° Kelvin – sembrava non poter sostituire la legge di Dulong e Petit. Tuttavia riesce ad abbassare la temperatura da 20 fino a 5° Kelvin, esplorando altri quindici gradi. Con grande sollievo del partito termodinamico, scopre che la legge risultava falsa, ovvero il calore specifico calava al calare della temperatura e tendeva allo 0 della temperatura assoluta (Nernst, 1918). Se ciò fosse vero, cadrebbe l’argomento dell'entropia infinita, che tenderebbe invece allo 0. Le trasformazioni avverrebbero dunque con grande facilità. Eraclito trionfa e Parmenide si sta zitto! Ora però sono i fisici a preoccuparsi. Come si fa a specificare il fatto che il calore specifico non è costante? Utilizziamo un’altra metafora – molto accessibile nei tempi in cui Equitalia ha cominciato a utilizzare il redditometro. Supponiamo che io venga chiamato in causa, e la finanza mi richieda di esibire le spese e il reddito degli ultimi cinque anni. Supponendo che vengano a scoprire che le mie spese sono rimaste costanti, ma i miei guadagni diminuiti, mi ritroverei nella situazione fisica per cui devo compiere un salto costante ma l’energia che il mondo mi offre è sempre di meno. Il passaggio da 0° a 1° non richiede praticamente niente, da 1° a 2° è richiesta un po’ di energia, da 2° a 3° un po' di più, finché arrivo fino a 20° e vado in saturazione. Come reagirebbe la guardia di finanza rispetto a questo quadro? Affermerebbe che ci sono dei pagamenti in nero. In altri termini, Nernst – che prima di svolgere il lavoro aveva evidentemente passato una vacanza a Napoli – scoprì una specie di contrabbando di energia, qualcosa che fornisce surrettiziamente energia al sistema senza che nessuno se ne accorga. Questa energia non viene dall’interazione con altri corpi, altrimenti ce ne accorgeremmo, essendo il sistema isolato in studio. Facendo dunque un conto di tutte le variabili di interazione, il conto non torna. È da qui che nasce la rivoluzione quantistica. Da dove viene dunque questa energia che non passa attraverso le molecole? Con grande audacia intellettuale Nernst risponde: dal vuoto! Ma il vuoto non è il nulla? Evidentemente no. Evidentemente l’idea che la natura si componga di oggetti immersi in uno spazio inerte che è il vuoto è falsa. Evidentemente il vuoto svolge una funzione dinamica, altrimenti l’entropia diventerebbe infinita e saremmo tutti fregati. Questa è la nascita della fisica quantistica. La fisica quantistica nasce da una crisi logica della fisica classica. Si dimostra falso il fatto che i corpi siano inerti e separati, che possano ricevere energia solo ed esclusivamente dall’interazione con altri corpi. Esiste allora una fluttuazione spontanea di tutti i corpi in connessione con la loro interazione col vuoto, siccome il vuoto è dappertutto, si tratta di un’interazione a cui non si può sfuggire. Se così dunque fosse, significherebbe non poter più disporre del corpo isolato, principio che sta alla base della concettualizzazione della fisica classica. Nessun copro può essere più isolato, perché grazie alle sue fluttuazioni nel vuoto comunica sempre con altri corpi, esiste sempre un’interazione. Per quasi un secolo, questo risultato – che è una rivoluzione del pensiero – è passato inosservato ed è stato nascosto dietro l’idea dell’esistenza paradossi, interpretazioni che attribuivano all'osservatore e alla sua interazione il motivo della fluttuabilità spontanea dei corpi. L’osservatore che perturba: l’atomo è piccolo, l’osservatore è grande, quest’ultimo non può che perturbare. Tuttavia sono stati scoperti sistemi quantistici macroscopici come i superconduttori. Posso avere un cavo superconduttore lungo cento miglia e i rapporti di grandezza si invertono (l’osservatore diventa microscopico). Non si tratta dunque di interazione con l’osservatore, bensì di interazione col vuoto, in cui il corpo è esposto alle fluttuazioni di tutti gli altri corpi dell'universo. Ci avviciniamo alla conclusione. Per riassumere dal punto di vista formale i risultati della fisica quantistica è importante ricordare il teorema di Bell, un fisico che ha posto in termini di logica formale gli esiti della fisica quantistica. Egli sostiene: “Il seguente insieme di tre affermazioni è logicamente incompatibile, per cui una

delle tre deve necessariamente cadere: 1) la realtà fisica è descritta dalla fisica quantistica; 2) la realtà fisica è suscettibile di descrizione oggettiva – nel senso di indipendente dall’osservatore; 3) la realtà fisica è descrivibile come un insieme di eventi localizzati nello spazio e nel tempo. Queste tre affermazioni non possono stare tutte e tre insieme (Bell, 1964). Einstein, che è stato anche uno dei padri della fisica quantistica ed ha anticipato le connessioni formalizzate da Bell, era geniale ma aveva dei blocchi psicologici. Per Einstein la realtà doveva essere oggettiva e allo stesso tempo localizzabile. E diceva: “se per capire un oggetto devo sapere anche cosa sta accadendo nella costellazione di Andromeda allora la scienza è finita. La scienza è possibile solo se posso localizzare gli oggetti” (Einstein; Podolsky; Rosen, 1935) Era una persona fortemente legata alla oggettività. La sua affermazione implicava la falsità della fisica quantistica, che diviene solo un’approssimazione alla realtà, in attesa di una teoria più vera. Quindi il partito di Einstein, che è rimasto minoritario, fa cadere la prima delle tre affermazioni. Niels Bohr e tutta la scuola di Copenaghen che ha dominato la fisica del 900, fa cadere invece la seconda affermazione riguardante l'oggettività. E dice: “siccome la fisica quantistica è vera e resta il problema della localizzabilità, vorrà dire che gli oggetti ancora prima di essere localizzati producono queste fluttuazioni incredibili che conducono all'indeterminismo” (Bohr, 1935). Supponete che io abbia una barca e non voglia ammettere la relazione con i moti marittimi lontani, posso dichiarare che alcune volte la barca produce da sé dei moti inconsulti. Questa è una via sciocca, perché tiene conto dell'oggettività apparente ma non va molto lontano. David Bohm, fa invece cadere la terza affermazione. E dice: “non è vero che si può concepire la realtà come un insieme di oggetti separati” (Bohm, 1951). Questo è il punto più importante. Data la fluttuazione di ogni corpo, il corpo dà luogo a un potenziale elettromagnetico, il quale viaggia lontano e connette gli altri corpi. La fluttuazione di un corpo viene immediatamente comunicata agli altri corpi, che producono una specie di danza collettiva. Naturalmente l'ampiezza di queste oscillazioni può variare in grandezza, per cui le conseguenze sperimentali posso essere anche piccole. Motivo per cui certe volte la fisica classica, specie quando lavora sulle alte temperature – che significa fluttuazioni prodotte dalle forze esistenti che sono abbastanza grandi da coprire le micro-fluttuazioni. Se però si lavora a bassa temperatura queste micro-fluttuazioni riemergono e sono osservabili – motivo per cui la fisica quantistica venne scoperta a bassa temperatura. Una volta capito il meccanismo, posso fare la seguente affermazione conclusiva. È possibile che le diverse fluttuazioni dei vari copri separati si sintonizzino tra di loro, per cui nasca un movimento collettivo che ingigantisce la fluttuazione d’insieme. Supponete io abbia tanti suonatori, ognuno produce un sussurro in fase l'uno con l'altro, alla fine emerge un concerto colossale. L'importante è mettere in fase le proprie fluttuazioni. Qui l'energia conta poco. L’energia esce come risultato finale. Quello che è importante è il ritmo, la fase, che non ha contenuto energetico. Se gli elementi di un sistema sono in fase, questo può funzionare con un consumo energetico infinitesimale. Questa è la principale differenza tra computer e cervello. Il computer è fatto da oggetti che non sono in fase, per cui ogni elemento del computer per fare qualcosa deve compiere una spesa energetica. Se però si usasse il gioco delle fluttuazioni spontanee – che non costano nulla perché sono prodotte naturalmente – e si riuscisse a pilotarle in modo da produrre una sinfonia in fase, quello che ne uscirebbe sarebbe una musica e non il solito rumore della discordanza. Questo è quello che succede veramente. Abbiamo visto che l’acqua liquida emette naturalmente un suono che ha la struttura di una partitura musicale. Questa è la base fisica per capire come la materia, ad un certo grado di sviluppo produce un psiche. Cos’è una psiche se non un logos? E cos’è un logos se non un insieme di fluttuazioni armonizzate che producono un significato? Ma a questo punto mi fermo. Lasciandovi con la curiosità di come proseguo: così mi invitate un’altra volta! BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE Del Giudice, E. (1993). Coherence in condensed and living matter. Frontier Perspectives 3:16.

Del Giudice, E., Preparata G., Vitiello G. (1988). Water as a free electric dipole laser. Physical Review Letters 61: 1085-1088. Walther Nernst, "The theoretical and experimental bases of the New Heat Theorem" (Ger., Die theoretischen und experimentellen Grundlagen des neuen Wärmesatzes). Halle [Ger.] W. Knapp, 1918 [tr. 1926]. [ed., this is a list of thermodynamical papers from the physico-chemical institute of the University of Berlin (1906–1916); Translation available by Guy Barr. J. S. Bell, On the Einstein Podolsky Rosen Paradox, Physics 1, 195-200 (1964) A Einstein, B Podolsky, N Rosen, Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete? in Physical Review, vol.47, n.10, 15 maggio 1935, pp.777–80. N. Bohr, Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?, Physical Review, 48 (1935), pag. 700. Bohm David. (1951). Quantum Theory, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, page 29, and Chapter 5 section 3, and Chapter 22 Section 19.