La teoria quantistica dei campi e la fisica della materia vivente

La teoria quantistica dei campi e la fisica della materia vivente. Unipotesi sui fenomeni psichiciEmilio 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 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 l a guardarlo in attesa del prossimo giocattolo. Esiste per anche la possibilit che il bambino provi a rimontarlo, ottenendo un giocattolo simile al precedente, perch composto degli stessi pezzi. Vi sono dunque tre fasi dell'approccio al giocattolo, che corrispondono esattamente alle tre fasi della scienza. Allinizio gli esseri umani hanno guardato intorno la natura ed hanno cominciato a fare dei cataloghi [] lelenco di tutto ci che esiste il che un lavoro gigantesco. Tra laltro, bisogna stabilire empiricamente delle correlazioni, cosa tuttaltro che facile. Un esempio, il grande colpo di genio dellumanit 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, una cosa non banale significa seguire una concatenazione causale a lunga distanza.

Capite che la prima fase della scienza tutt'altro che banale e, di fatto, ha richiesto millenni pensate a capire le regolarit di tutti i moti celesti...

Questa prima fase 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 pi la natura: smontare la natura un atto di morte, si uccide il vivente per vedere come fatto dentro la morte come parte essenziale della vita. Che cosa si scopre cos? Rimanendo nel campo del vivente, si scopre che questultimo 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, andato di moda negli ultimi decenni da quando ai biologi stata insegnata l'esistenza delle molecole cercare di scoprire quale sia la molecola che esprime una determinata funzione biologica. Naturalmente, la funzione biologica un prodotto collettivo di interazione tra migliaia di molecole. Leggo a un certo punto, che stato scoperto il gene responsabile della voglia di fumare. Siccome la voglia di fumare 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 velocit come queste, cinquecento anni fa, questo gene cosa faceva? Come si era formato questo gene? Non di certo in prospettiva delle necessit 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 affinch si accelerasse il processo di scoperta della pianta... Capite quindi, che si tratta di stupidaggini totali. Non c mai nessuno di pi stupido dell'esperto: perch l'esperto uno che crede di sapere tutti i dettagli di una cosa, quando in verit ne conosce un piccolo pezzo. C un proverbio cinese che dice: chi per vedere il cielo si mette in fondo a un pozzo non ne pu vedere molto. La caratteristica dell'atomismo stata anche l'estrema specializzazione, per cui c' l'esperto del ginocchio sinistro che diverso dall'esperto del ginocchio destro. Chi ha dolore al ginocchio sinistro va subito dal relativo esperto, senza contare che quel dolore pu provenire da tuttaltra parte... Insomma, lesistenza degli specialisti stata una disgrazia totale per lo sviluppo della scienza. Ciononostante, lumanit ha molte risorse e riesce anche a superare questa impostazione. Notate che nellultimo 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 nata sulla base del lavoro dei chimici e viceversa la chimica moderna 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 possibilit di fare una scoperta.

Unaltra delle grandi stupidaggini della scienza moderna 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 semplice quando i componenti sono pochi, ma di fronte a queste cifre diventa veramente un problema molto complesso, che per vedremo si mostrer pi semplice rispetto a una apparente semplicit.

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 velocit 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 grande come una grossa stanza, ha una memoria di 30 inbyte una memoria 10 volte quella del cervello umano e viaggia a una velocit di [8,2 x] operazioni al secondo. Quindi entro un fattore 10, il pi grosso super computer esistente comparabile come prestazioni a un cervello umano diciamo che circa dieci volte meglio. Ma dov la differenza? Questo oggetto consuma non 20 watt, ma 12,6 milioni di watt cio ha un consumo energetico dodici milioni di volte pi alto di quello del cervello. C la necessit infatti di grossi sistemi di raffreddamento, altrimenti fonderebbe tutto. Un anno dopo, il computer K 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 stato anche un miglioramento energetico consuma il 37% meno del computer K. A oggi, il computer pi avanzato cinese e lavora a 30,7 x operazioni al secondo. Qui il punto che fa la differenza 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 un super computer per questioni energetiche. Ci vorrebbe unintera centrale elettrica per farci funzionare. La produzione energetica del cervello di fatto piccola. Possibile dunque costruire un computer che non consumi 20.000.000 di watt? Il problema da affrontare di natura concettuale.

Come mai noi esseri viventi consumiamo cos 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 pi alto del nostro. Perch? Cos l'energia?

Lenergia il risultato dellapplicazione 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, inerte. Si muover in moto rettilineo uniforme per leternit, se si vuole apportare un cambiamento c bisogno di applicare una forza esterna, ovvero qualcuno deve spingere o tirare. Viene in mente una metafora perch la scienza 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 quindi affamati, quasi privi di energia. Mentre il gatto usa la poca energia rimasta per cercare cibo, lautomobile invece rimane ferma e deve essere spinta fino al distributore da qualcuno. Lauto si rivela dunque passiva, mentre il gatto 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' 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 dellenergia: ci vuole energia per tutto. Costruire un vivente su questa base diviene dunque impossibile. Come si fa a riprodurre la capacit di autonomia dell'essere vivente, in termini di fisica della passivit? Per fare quello che fa un cervello in 20 watt serve un energia 12 milioni di volte pi 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 la via duscita?

Esattamente 113 anni fa nata la fisica quantistica. Qual la differenza tra fisica quantistica e fisica classica? Come 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 perch 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 quello che va sotto il nome di calore specifico dei corpi solidi a bassa temperatura. Il calore specifico la quantit di energia necessaria per alzare di un grado la temperatura di un corpo. La temperatura il grado di agitazione delle molecole, l'energia cinetica media che le molecole hanno in un dato stato. La temperatura assoluta di un corpo 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 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 di 37 anche di 310 gradi Kelvin lo scienziato che scopr questa unit di misura. Il calore specifico dipende dalla grandezza del corpo.

Il corpo una mole. Una mole una porzione di materia composta da 6, (ventitr 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 quantit ben definita, il salto che devo fare ben definito. Per, se io do energia a un dato corpo, questa energia pu essere impiegata in due maniere: 1) pu dar luogo a modifiche strutturali del corpo (per esempio passare da solido a liquido); 2) pu aumentare la temperatura. Per i cambiamenti strutturali avvengono a temperature ben definite. Allora abbasso la temperatura fino ad andare al di sotto dellultima trasformazione strutturale. Al di sotto di questa temperatura lunico modo per utilizzare lenergia la variazione di temperatura. Dunque ci posizioniamo nellintervallo tra lo zero assoluto e la temperatura a cui avvenuta lultima 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, cio indipendenti dalla temperatura, poich lenergia necessaria per superare il primo gradino uguale allenergia che mi serve per superare il ventiduesimo. Questa una legge che 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 poich discende linearmente dai principi di conservazione dellenergia. Per c una sorpresa: se questo fosse vero, quella quantit misteriosa che si chiama entropia, nel limite della temperatura assoluta che va a 0, diventerebbe infinita. Siccome lenergia necessaria per compiere una qualunque trasformazione fisica proporzionale allentropia, vorrebbe dire che vicino allo 0 assoluto nessuna trasformazione diverrebbe possibile, perch richiederebbe una energia infinita. Significherebbe che luniverso non diviene pi. Poich luniverso 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 losservazione da pi ragione a Eraclito che non a Parmenide, perci ci deve essere qualcosa di sbagliato nel ragionamento. Di conseguenza la legge della costanza dei calori specifici non pu essere vera. Bisogna prima capire se la legge 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 allepoca, 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 ci fosse vero, cadrebbe largomento dell'entropia infinita, che tenderebbe invece allo 0. Le trasformazioni avverrebbero dunque con grande facilit. Eraclito trionfa e Parmenide si sta zitto!

Ora per sono i fisici a preoccuparsi. Come si fa a specificare il fatto che il calore specifico non costante? Utilizziamo unaltra 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 lenergia che il mondo mi offre sempre di meno. Il passaggio da 0 a 1 non richiede praticamente niente, da 1 a 2 richiesta un po di energia, da 2 a 3 un po' di pi, finch 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 scopr una specie di contrabbando di energia, qualcosa che fornisce surrettiziamente energia al sistema senza che nessuno se ne accorga. Questa energia non viene dallinterazione 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. 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 il nulla? Evidentemente no.

Evidentemente lidea che la natura si componga di oggetti immersi in uno spazio inerte che il vuoto falsa. Evidentemente il vuoto svolge una funzione dinamica, altrimenti lentropia diventerebbe infinita e saremmo tutti fregati. Questa 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 dallinterazione con altri corpi. Esiste allora una fluttuazione spontanea di tutti i corpi in connessione con la loro interazione col vuoto, siccome il vuoto dappertutto, si tratta di uninterazione a cui non si pu sfuggire. Se cos dunque fosse, significherebbe non poter pi disporre del corpo isolato, principio che sta alla base della concettualizzazione della fisica classica.

Nessun copro pu essere pi isolato, perch grazie alle sue fluttuazioni nel vuoto comunica sempre con altri corpi, esiste sempre uninterazione. Per quasi un secolo, questo risultato che una rivoluzione del pensiero passato inosservato ed stato nascosto dietro lidea dellesistenza paradossi, interpretazioni che attribuivano all'osservatore e alla sua interazione il motivo della fluttuabilit spontanea dei corpi. Losservatore che perturba: latomo piccolo, losservatore grande, questultimo non pu 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 (losservatore diventa microscopico). Non si tratta dunque di interazione con losservatore, bens di interazione col vuoto, in cui il corpo 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 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 logicamente incompatibile, per cui una delle tre deve necessariamente cadere: 1) la realt fisica descritta dalla fisica quantistica; 2) la realt fisica suscettibile di descrizione oggettiva nel senso di indipendente dallosservatore; 3) la realt fisica 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 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 realt 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 finita. La scienza possibile solo se posso localizzare gli oggetti (Einstein; Podolsky; Rosen, 1935) Era una persona fortemente legata alla oggettivit. La sua affermazione implicava la falsit della fisica quantistica, che diviene solo unapprossimazione alla realt, in attesa di una teoria pi vera.

Quindi il partito di Einstein, che 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'oggettivit. E dice: siccome la fisica quantistica vera e resta il problema della localizzabilit, vorr 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 s dei moti inconsulti. Questa una via sciocca, perch tiene conto dell'oggettivit apparente ma non va molto lontano.

David Bohm, fa invece cadere la terza affermazione. E dice: non vero che si pu concepire la realt come un insieme di oggetti separati (Bohm, 1951). Questo il punto pi importante. Data la fluttuazione di ogni corpo, il corpo d 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 lampiezza di queste oscillazioni pu variare in grandezza, per cui le conseguenze sperimentali possono essere anche piccole perch sono coperte da fattori ambientali, motivo per cui certe volte la fisica classica, specie quando lavora sulle alte temperature rappresenta bene la realt senza il ricorso alla meccanica quantistica perch le fluttuazioni prodotte dagli urti dovuti allagitazione termica sono abbastanza grandi da coprire le micro-fluttuazioni. Se per 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.

possibile che le diverse fluttuazioni dei vari copri separati si sintonizzino tra di loro, per cui nasca un movimento collettivo che ingigantisce la fluttuazione dinsieme. Supponete io abbia tanti suonatori, ognuno produce un sussurro in fase l'uno con l'altro, alla fine emerge un concerto colossale. L'importante mettere in fase le proprie fluttuazioni.

Qui l'energia conta poco. Lenergia esce come risultato finale. Quello che importante il ritmo, la fase, che non ha contenuto energetico. Se gli elementi di un sistema sono in fase, questo pu funzionare con un consumo energetico infinitesimale. Questa la principale differenza tra computer e cervello. Il computer fatto da oggetti che non sono in fase, per cui ogni elemento del computer per fare qualcosa deve compiere una spesa energetica. Se per si usasse il gioco delle fluttuazioni spontanee che non costano nulla perch 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 quello che succede veramente. Abbiamo visto che lacqua liquida emette naturalmente un suono che ha la struttura di una partitura musicale. Questa la base fisica per capire come la materia, ad un certo grado di sviluppo produce un psiche. Cos una psiche se non un logos? E cos un logos se non un insieme di fluttuazioni armonizzate che producono un significato? Ma a questo punto mi fermo. Lasciandovi con la curiosit di come proseguo: cos mi invitate unaltra 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 Wrmesatzes). 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 (19061916); 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.77780. 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. Apro un inciso sulle fonti energetiche: il problema non produrre nuove fonti energetiche, bens di sviluppare una tecnologia capace di consumare pochissima energia. A 20 watt di consumo, come per il cervello, qualsiasi fonte di energia va bene.

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