Nella fisica classica due sono i modelli utilizzati per descrivere i fenomeni fisici. Da una parte il modello corpuscolare, fondamento della meccanica di Newton, che spiega le proprietà dei corpi materiali: il moto dei pianeti, le traiettorie dei proiettili e così via. Dall'altra parte il modello ondulatorio, che spiega le proprietà delle onde sonore, marine e soprattutto elettromagnetiche. Le equazioni di Maxwell sono il coronamento della teoria ondulatoria dei fenomeni elettrici e magnetici. I corpuscoli e le onde godono di proprietà diversissime tra di loro. I corpuscoli sono sempre localizzati nello spazio, in un punto preciso o comunque in una regione limitata. Le onde al contrario tendono a espandersi in tutto lo spazio. Ma la differenza forse più importante è che mentre è possibile sommare due onde per dare luogo a una terza onda (da qui hanno origine tutti i fenomeni di interferenza e diffrazione, caratteristici dei moti ondulatori), non è possibile, anzi non ha senso sommare due particelle.
Quello corpuscolare e quello ondulatorio sono quindi due modelli inconciliabili: un oggetto fisico o è un'onda oppure una particella. Questa almeno, grosso modo, è l'interpretazione classica di tutti i fenomeni fisici.
Nella meccanica quantistica le cose stanno in maniera diversa.
L'ipotesi di Max Planck è la prima di tre tappe fondamentali che nella prima metà del XX secolo hanno portato a una rivoluzione nel nostro modo di interpretare i fenomeni elettromagnetici. Nel 1900 Planck suppose che gli scambi di energia tra la radiazione e la materia avvengano tramite quantità (i quanti) discrete. Nel 1905 Albert Einstein ipotizzò non solo che gli scambi energetici, ma che la radiazione stessa sia composta da quanti, ai quali successivamente venne dato il nome di fotoni, la cui energia è direttamente proporzionale alla frequenza secondo la nota relazione E=hn (E è l'energia, n la frequenza e h la costante di Planck). In questo modo egli riuscì a spiegare in maniera tanto semplice quanto esauriente l'effetto fotoelettrico. Infine, nel 1923 Arthur H. Compton riprese l'ipotesi di Einstein per spiegare la diffusione di raggi X da nuclei atomici: questa fu la prova definitiva che convinse la comunità scientifica sulla realtà dei fotoni.
Quali furono le conseguenze di questa rivoluzione? Mentre prima del 1900, i fenomeni elettromagnetici venivano interpretati come fenomeni esclusivamente ondulatori, dopo Planck ci si rese conto che questa interpretazione del campo elettromagnetico non è più sufficiente: la radiazione in determinate condizioni manifesta anche dei fenomeni corpuscolari!
È di notevole importanza ricordare che nel 1924 Louis de Broglie ipotizzò che anche le particelle materiali (elettroni, protoni, ...) in determinate condizioni manifestano proprietà ondulatorie, accanto alle loro classiche proprietà corpuscolari. È stupefacente che questa ipotesi in seguito venne confermata sperimentalmente.
La conclusione è la seguente. Con l'avvento della meccanica quantistica, i due modelli corpuscolare e ondulatorio diventano insufficienti, nel senso che da soli non sono in grado di spiegare né le proprietà delle particelle elementari né tantomeno le proprietà delle onde elettromagnetiche. I sistemi fisici microscopici a volte manifestano proprietà corpuscolari, a volte proprietà ondulatorie. Questo significa che una particella elementare "è" sia un'onda che una particella? E cosa significa essere sia onda che particella? Non abbiamo detto che i due modelli sono in una certa misura incompatibili tra loro, e che un sistema fisico può comportarsi solo come un'onda oppure come una particella? È forse necessario elaborare un nuovo modello della realtà in grado di tenere conto sia delle proprietà corpuscolari che di quelle ondulatorie? A questa domanda la comunità scientifica non è ancora stata in grado di offrire una risposta soddisfacente: la ricerca rimane ancora aperta.
Dal punto di vista fondazionale (ontologico) quindi non siamo ancora in grado di dire con chiarezza cosa siano i quanti.
Il contenuto del principio di indeterminazione formulato da Werner Heisenberg è il seguente: supponiamo di misurare la posizione di una particella trovandola in una certa regione dello spazio: cosa possiamo dire del suo impulso? Heisenberg, con una certa serie di argomentazioni, "dimostra" che non è possibile dare alcuna risposta alla precedente domanda. Una volta misurata la posizione della particella, nulla possiamo sapere circa il suo impulso. In che senso non possiamo sapere nulla? Non nel senso che la particella possiede comunque un impulso, ma noi non abbiamo la possibilità di conoscerlo. Piuttosto, nel senso che nemmeno "in linea di principio" è possibile sapere qual è il suo impulso: la particella non possiede impulso; non c'è alcun fatto relativo all'impulso della particella.
La situazione naturalmente è simmetrica. Se decidiamo di misurare l'impulso della particella, perdiamo tutte le informazioni riguardanti la sua posizione. Di nuovo è importante sottolineare che, una volta misurato l'impulso, non è corretto affermare che la particella si trova ancora da qualche parte, ma a noi è sconosciuta la sua esatta posizione. Quello che il principio di indeterminazione afferma è che non c'è alcun fatto circa la posizione della particella, e che quindi non ha senso nemmeno porsi la domanda "dov'è la particella?" La risposta che Heisenberg darebbe, sarebbe di questo genere: "non chiederti dov'è la particella, ma dove la puoi trovare se decidi di misurare la sua posizione". Le conseguenze del principio di indeterminazione sono due:

1) Se una particella che possiede impulso non si trova in una regione definita, e una particella che si trova in una regione definita non possiede impulso, allora quella non è una particella, almeno nel senso classico del termine. Di nuovo, la meccanica quantistica sembra dirci che il modello corpuscolare non è più sufficiente per descrivere i fenomeni fisici. Un argomento simile si può sviluppare anche per le onde. Allora rimane la domanda: cosa sono i sistemi quantistici?Quale modello dobbiamo utilizzare per descriverli in maniera adeguata?

2) Il principio di indeterminazione ci dice qualcosa di più. I sistemi fisici non hanno proprietà di per sé, in quanto tali. Essi hanno delle proprietà solo quando vengono misurate: una particella è "qui" solo perché io l'ho trovata "qui", non perché era "qui" (o "là") anche prima. Prima non era da nessuna parte. Meglio ancora: prima della misura non aveva senso chiedersi dov'era la particella. Come conseguenza, l'ontologia implicata dal principio di indeterminazione è: non c'è nessuna ontologia. La natura in quanto tale, staccata dall'osservatore, non ha senso nella meccanica quantistica. La natura esiste solamente nella misura in cui noi la osserviamo.

Questa è una posizione di stampo neopositivistico, che ha dominato nella comunità scientifica dalla nascita della meccanica quantistica fino a non molti decenni fa. Le cose stanno cambiando, e ora pochi fisici che si occupano dei fondamenti della meccanica quantistica sottoscriverebbero questa posizione. Ma come ho già anticipato, non si è ancora capito bene quale messaggio la meccanica quantistica ci sta trasmettendo.

Letture consigliate
A. Einstein e L. Infeld, L'evoluzione della fisica, Bollati Boringhieri, Torino.
Questo bel libro ha il pregio di essere molto chiaro e lucido. Ha l'unico difetto di essere un po' datato e non contenere i recenti sviluppi sui fondamenti della meccanica quantistica. Per questi, consiglio:
Gian Carlo Ghirardi, Un'occhiata alle carte di Dio, Il Saggiatore, Milano.