Viaggio ai confini della fisica con Michael Berry

APPROFONDIMENTO – Caos quantistico, fisica asintotica e più in generale fisica semiclassica applicata a fenomeni ondulatori, questi sono alcuni dei campi di ricerca di Michael Berry, professore di fisica matematica presso l’Università di Bristol. Le sue ricerche e scoperte, in meccanica quantistica e ottica, lo hanno reso molto noto nella comunità scientifica. Presso il grande pubblico, invece, il suo nome viene più facilmente associato a una ricerca sulla levitazione delle rane che nel 2000 gli è valsa il premio Ig Nobel insieme ad Adrej Gejm (poi premio Nobel per la fisica nel 2010).

Tra i numerosi riconoscimenti che ha ricevuto vi è la Medaglia Dirac, conferita ogni anno dall’International Center for Theoretical Physics (ICTP) di Trieste, a scienziati che lavorano nel campo della fisica teorica o della matematica. La Medaglia Dirac in passato ha visto tra i sui vincitori anche scienziati che in seguito hanno vinto il Nobel come David Gross, Frank Wilczek, Yoichiro Nambu. È stata assegnata a Michael Berry per una delle sue scoperte più importanti: la cosidetta fase geometrica, chiamata in suo onore fase di Berry, un fenomeno di difficile comprensione, ma che ha effetti in moltissimi campi della fisica.

Proprio l’ICTP ha ospitato la scorsa settimana una serie di conferenze di Michael Berry, in cui il professore ha esposto le sue ricerche sulle superoscillazioni un campo della fisica di recente in forte sviluppo e che potrebbe avere importanti ricadute pratiche. Ne abbiamo approfittato per chiedergli di fare luce sul complesso campo della fisica di cui si occupa e di come farla arrivare al gran pubblico. Non è mancata la domanda finale sul premio Ig Nobel, alla quale il professore ha risposto con un certo divertimento.

Michael Berry, fisico, matematico e vincitore di una lunga lista di premi e medaglie per i suoi contributi alla scienza. Vuole presentarsi al pubblico e spiegare quale è il suo campo di ricerca?

Sono soprattutto un fisico teorico. Questo significa che faccio segni sul foglio con la mia penna e faccio calcoli sul mio computer che spero abbiano rilevanza nel descrivere i fenomeni del mondo fisico. Il campo in cui lavoro è incentrato sulla fisica teorica delle onde, siano esse di acqua, di luce o, in particolare, quantistiche e sulla matematica ad esse associata. Questo perché quando studi le onde ti accorgi che, malgrado l’acqua sia molto differente dalla luce o dalle onde della fisica quantistica, le loro strutture geometriche sono molto simili: hai le lunghezze d’onda, l’interferenza, la rifrazione e così via.

C’è un qualcosa in comune tra i differenti tipi di onda, il che significa che un dato fenomeno in un’area della fisica ha una controparte in un’altra: dal punto di vista astratto le puoi pensare come molto simili. Ci sono, quindi, caratteristiche delle onde che hanno a un livello di generalità maggiore rispetto al substrato fisico in cui si manifestano. L’acqua è molto differente dal suono ed entrambi questi substrati sono differenti dal mondo quantistico, ma le onde che si propagano in essi mostrano caratteristiche comuni.

Un altro aspetto della fisica su cui mi concentro è il differente livello di descrizione della stessa classe di fenomeni. Un esempio semplice potrebbe essere quello di pensare alla pioggia. Cosa sia la pioggia è chiaro a tutti, ma se guardi più da vicino vedrai gocce d’acqua, poi vedrai acqua e infine molecole d’acqua. Ognuna di queste descrizioni è corretta, ma, quando arrivi a parlare di molecole d’acqua, avrai perso la pioggia perché non sei al giusto livello di descrizione del fenomeno. La stessa cosa avviene con le teorie fisiche. Puoi descrivere la luce come raggi e questa è una buona approssimazione. Quando, però, osservi da più vicino, i raggi scompaiono e diventano onde. Le connessioni tra questi due livelli di descrizione sono molto complesse dal punto di vista matematico e molto di ciò su cui lavoro è incentrato proprio su questo tipo di connessioni. La meccanica quantistica è un livello di descrizione, la meccanica classica un altro. La seconda è, in realtà, un’approssimazione della prima, ma la usiamo comunque. Nessuno descriverebbe una navicella spaziale in viaggio verso la Luna come una soluzione dell’equazione di Schrodinger della fisica quantistica. Certo lo è, ma a un livello di dettaglio che nessuno potrà mai osservare. La visione newtoniana classica è quella corretta per descrivere un fenomeno di quel tipo.

Quindi si può affermare che lei si occupa anche dell’esplorazione di ciò che avviene al confine tra fenomeni classici e quantistici?

Questa in effetti è una illustrazione di parte di ciò che faccio. Un esempio di ciò è chiamato meccanica semiclassica. Ci sono molti fenomeni che ricadono in questa regione di confine, come ad esempio la teoria del caos. Il caos è un fenomeno che accade nella meccanica classica, perché in essa certi tipi di moto non sono predicibili. Il moto dei pianeti è predicibile, il moto di una pallina nel flipper no. La questione che sorge è: nella meccanica quantistica ci sono distinzioni analoghe tra moti predicibili e moti caotici? La risposta è sì, queste distinzioni ci sono, ma sono abbastanza complicate e difficili da esplorare matematicamente. Esse però hanno portato alla meccanica semiclassica e alla scoperta e descrizione di un’intera nuova classe di fenomeni che coinvolgono atomi e molecole.

Lei in questi giorni è stato all’ICTP a Trieste. Proprio lì nel 1995 le è stata consegnata la Medaglia Dirac per le sua ricerche sulla fase di Berry. Può spiegarci cos’è? Ci sono manifestazioni evidenti del fenomeno e quanto è importante dal punto di vista fisico?

Questa fase che è chiamata anche fase geometrica è un’applicazione nella fisica quantistica di un’idea matematica. Questa idea matematica, in termini astratti, ha che fare con qualcosa che varia in modo ciclico e che si ripete, ma, ogni volta che si ripete, qualcos’altro non si ripete.

Le faccio un esempio molto familiare: il parcheggiare un’automobile. Quando vai indietro con l’auto in uno spazio a volte scopri che sei più lontano dal marciapiede di quanto vorresti. Allora compi una seria di manovre, spostandoti e girando il volante, in maniera ciclica. Dopo ognuna di questa sequenze di manovre, sei più vicino al marciapiede. Questo leggero spostamento laterale che si ottiene in ogni sequenza ciclica è l’analogo geometrico di questa fase.

Nella fisica quantistica o delle onde si ha in genere a che fare con qualcosa che sta oscillando. Ogni momento dell’oscillazione è descritto dalla fase che varia periodicamente – la puoi descrivere con un angolo che va da 0 a 360 e ricomincia daccapo. Durante questa oscillazione si possono, però, compiere una serie di cambiamenti sul sistema – ad esempio nel caso di uno stato quantico di una molecola, variando il campo elettromagnetico che agisce su di essa – attraverso una sequenza di numerose manovre. Alla fine ti chiedi quale è la fase dell’onda? C’è una fase che è conosciuta da 80 anni chiamata dinamica (il cui valore dipende dal tempo trascorso) per la quale, per saper il valore, bisogna rispondere alla domanda: quanto è durato il viaggio della molecola? Generalmente è una fase molto grande e vi sono molte sequenze di oscillazione legata alla sua variazione.

Ho scoperto, però, che c’è una fase abbastanza piccola addizionale, che in un certo senso risponde alla domanda: dove è stata la molecola e cosa ha fatto? È una questione differente che ha a che fare con la geometria dei cambiamenti che hai compiuto. È emerso che questo fenomeno influenza un grande numero di aree della fisica, da quella della materia condensata a quella nucleare, all’ottica e così via. Quindi si tratta di una piccola aggiunta al comportamento delle onde nella fisica quantistica e nella meccanica delle onde in generale, ma come fenomeno è analogo a quello molto familiare dello spostamento laterale di un’automobile nella serie di manovre che compi quando parcheggi la macchina. È un concetto complicato da spiegare, ma devo dire che sono sorpreso dal numero di applicazioni che ancora si continuano a trovare.

Lei nel 2000 ha vinto il premio Ig Nobel per una ricerca abbastanza bizzarra sulle rane levitanti (qui spiegata molto bene dal professore). Come ha accolto questo riconoscimento insolito? Pensa che questo tipo di iniziative siano positive per la scienza?

C’è un’espressione inglese, non so se abbia un analogo italiano. Io dico che ho preso la vittoria di questo premio con pizzico di sale, che significa che non l’ho presa molto seriamente. Comunque Marc Abrahams, colui che ha ideato l’Ig Nobel lo ha pensato per la “scienza che prima ti fa ridere e poi fa riflettere” – una descrizione abbastanza seria. Nel caso delle mie rane levitanti si è trattato di una collaborazione con Andrej Gejm – che più tardi a proposito, ha vinto il vero nobel per la sua scoperta del grafene. Lui ha fatto levitare le rane usando un campo magnetico, ma c’erano degli aspetti dell’esperimento che non riusciva a comprendere. Non riusciva a capire le ragioni per cui ciò avvenisse. Come teorico stavo studiando dei giochi scientifici dove un un oggetto rotante levita sopra un magnete. Questo fenomeno chiama in causa una meccanica newtoniana molto sofisticata. Ho capito che una parte molto simile a questa matematica poteva spiegare anche il suo esperimento e così abbiamo collaborato e abbiamo vinto questo Ig Nobel.

La ricerca della rana levitante è in parte divertente, ma in parte anche seria, perché è un modo di esprimere un problema abbastanza complicato. In effetti la difficoltà non è capire perché la rana è respinta dal campo magnetico, ma è capire perché viene respinta in maniera stabile e non viene spinta di lato, ad esempio. Così, sì, questo premi ha dato un’ampia pubblicità a un’area della fisica che è molto complessa, una fisica classica newtoniana, ma non per questo banale.

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