La fisica quantistica spiegata semplice

La fisica quantistica, denominata anche meccanica quantistica, è una teoria fisica che studia il comportamento della materia a livello atomico e subatomico.1

È stata ipotizzata e in seguito teorizzata dal fisico tedesco (e vincitore del premio Nobel nel 1918) Max Planck nel 1901 per supplire alle carenze della meccanica (fisica) classica le cui leggi, se applicate a elementi microscopici, non risultavano più valide.

Alla fine dell’Ottocento si pensava, infatti, di aver compreso i principi fondamentali della Natura. Gli atomi erano i “mattoncini” con cui era costruito il mondo, le leggi di gravitazione universale di Newton spiegavano il moto dei pianeti e di tutti gli altri corpi, l’Universo intero sembrava funzionare come un gigantesco orologio. Ma, nei primi decenni del Novecento, uno studio più approfondito dell’atomo e dei suoi componenti ha dato origine alla teoria dei quanti che, facendo perdere gran parte delle certezze su cui si basava la fisica classica, ha gradualmente fatto comprendere che la conoscenza della realtà era ben lontana dall’essere completa.

Primo principio: i quanti

Come la materia, l’energia si può suddividere fino a un certo punto, cioè fino a una determinata quantità limite, oltre la quale perde le sue qualità. La porzione più piccola che si ottiene nel processo di suddivisione dell’energia è il quanto: in ogni processo fisico, l’energia può essere assorbita o emessa solo in quanti e mai in frazioni di quanto.

Immaginiamo di avere uno scivolo e una scala. Entrambe le superfici permettono di raggiungere una posizione più elevata ma, mentre sullo scivolo si può avanzare quanto si vuole, anche di un solo millimetro alla volta, sulla scala non è possibile. Se un gradino è alto 15 centimetri, si potrà salire unicamente di 15 centimetri alla volta.
Lo scivolo è una superficie continua, la scala è una superficie quantizzata (o quantica).
Fino ad allora il riferimento mentale per l’energia era lo scivolo. Si pensava cioè che, non avendo massa, l’energia potesse essere prodotta o consumata in qualsiasi quantità.

Nel tentativo di trovare la legge che regola il fenomeno del corpo nero2, Planck fu costretto ad ipotizzare una natura discontinua dell’energia. Egli suppose che non è scomponibile illimitatamente ma vi sono invece delle quantità discrete, o pacchetti di energia detti atti elementari (che verranno in seguito chiamati quanti), la cui misura è indicata dalla costante di Planck, un valore incredibilmente piccolo ma ben preciso e determinato.

L’energia quindi non è continua, ma quantizzata.

Da questa scoperta si procedette a cascata: si scoprì, ad esempio, che la luce visibile e tutte le altre onde elettromagnetiche — radio, microonde, infrarossi, ultravioletti, raggi x e gamma — si presentano sotto forma di pacchetti, con precise caratteristiche fisiche ed energetiche.
La formula è:

E = h • v

Dove E è l’energia che si vuole conoscere, h la lunghezza d’onda del fotone, v la costante di Plank.

Secondo principio: il problema dell’indeterminazione

Fino a qui sembrerebbe tutto chiaro, ma adesso arriva la parte complicata. La meccanica quantistica si distingue in maniera radicale dalla meccanica classica in quanto si limita a esprimere la probabilità di ottenere un dato risultato a partire da una certa misurazione, rinunciando così al determinismo assoluto proprio della fisica precedente. Questa condizione di indeterminazione non è dovuta a una conoscenza incompleta, da parte dello sperimentatore, dello stato in cui si trova il sistema fisico osservato, ma è da considerarsi una caratteristica intrinseca del sistema e del mondo subatomico in generale.

La teoria quantistica, dunque, descrive i sistemi come una sovrapposizione di stati diversi e prevede che il risultato di una misurazione non sia completamente arbitrario, ma sia incluso in un insieme di possibili valori: ciascuno di detti valori è abbinato a uno di tali stati ed è associato a una certa probabilità di presentarsi come risultato della misurazione.

Si arriva, così, alla formulazione della meccanica quantistica di Schröedinger, che fa uso di un particolare formalismo per descrivere i sistemi fisici. È da notare che in questo formalismo la fisica passa dall’essere deterministica, nel senso che, se riesco a soddisfare tutta una serie di domande, so esattamente qual è la soluzione al problema, all’essere una disciplina probabilistica, ossia che, dato un problema, posso solo calcolare le probabilità che un certo fenomeno abbia luogo, cosa che non andava a genio a molti, tra cui Einstein.

Il paradosso del gatto di Schröedinger

Il paradosso del gatto venne ideato dal fisico austriaco per dimostrare i limiti della fisica quantistica, benché egli stesso fosse stato tra i fondatori di questa scienza.
Erwin Schröedinger, premio Nobel nel 1933, mescolò i due casi, quello quantistico e quello macroscopico (ovvero fisica classica) e ipotizzò un gatto chiuso in una scatola con una pistola attivabile dalle radiazioni di un atomo di uranio. Non si può sapere quando l’atomo emetterà radioattività attivando la pistola e uccidendo il gatto. In questo modo anche il destino del gatto (sistema macroscopico) risulta regolato da leggi probabilistiche. Questo paradosso servì a Schroedinger per sostenere che l’interpretazione fisica della meccanica quantistica (ancor oggi accettata) andava ridiscussa.

Terzo principio: il fenomeno dell’entanglement

Arriviamo ora uno degli aspetti più affascinanti della fisica quantistica: l’entanglement:

Se due particelle vengono fatte interagire per un certo periodo di tempo e quindi separate, quando si sollecita una delle due in modo da modificarne lo stato, istantaneamente si manifesta sulla seconda una analoga sollecitazione a qualunque distanza si trovi rispetto alla prima.

Nel 1998, nel corso di un curioso esperimento, sono state prelevate alcune cellule dal palato di un uomo e poste all’interno di una provetta. Tale provetta è stata collegata a un particolare dispositivo che ne misurava lo stato. Anche il soggetto è stato collegato a un identico macchinario, ma posizionato in una differente zona dell’edificio.
Hanno fatto guardare al soggetto diversi tipi di programmi televisivi, alcuni presentavano immagini di pace e tranquillità mentre altri erano violenti ed emozionanti.
Si è scoperto che le cellule del soggetto registravano la medesima attività esattamente nello stesso momento in cui la rilevava il soggetto stesso. Quando l’uomo guardava programmi calmi e rilassanti la risposta fisiologica sia dell’individuo che delle cellule si calmava. Quando si passava ai materiali stimolanti, sia il soggetto che le sue cellule mostravano segni di eccitazione. Gli sperimentatori allontanarono sempre di più il soggetto dalle sue cellule, fino a mettere fra loro una distanza di circa ottanta chilometri. Erano trascorsi cinque giorni da quando le cellule erano state prelevate dal palato del soggetto, e stavano ancora registrando esattamente la stessa attività all’unisono col soggetto.

In un’altra prova dagli effetti molto simili, ma da un soggetto all’altro anziché fra un soggetto e le sue cellule, a due persone che non si conoscevano sono stati concessi alcuni minuti per sviluppare una conoscenza superficiale, dopodiché sono stati separati di circa quindici metri e posizionati ognuno all’interno di una gabbia di Faraday3 e collegati a un elettroencefalografo (EEG).4 Un fascio di luce proveniente da una penna luminosa è stato proiettato negli occhi del primo soggetto, ma non in quelli del secondo. Nello stesso momento l’attività neurologica di entrambi i soggetti ha mostrato una identica attività elettroencefalografica e lo stesso restringimento della pupilla. Cambiando soggetti e posizionandoli a distanze sempre maggiori fra loro, gli esiti dell’esperimento non sono cambiati.

A un livello più scientifico (non trovo informazioni certe sui precedenti esperimenti, per cui prendiamoli con il beneficio del dubbio) si è osservato che, se due particelle correlate vengono lanciate in direzioni opposte e la particella A, durante il suo tragitto, incontra una carica magnetica che ne devia la direzione verso l’alto, la particella B, invece di continuare la sua traiettoria in linea retta, devia contemporaneamente la direzione assumendo un moto contrario alla sua gemella.

Tale esperimento dimostra che:

  1. Le particelle sono in grado di comunicare tra di loro trasmettendo ed elaborando informazioni.
  2. La comunicazione è istantanea.

Il fenomeno dell’entanglement violerebbe un postulato della relatività ristretta (che considera la velocità della luce la velocità limite alla quale può viaggiare un qualunque tipo d’informazione) e, più in generale, il principio di località, secondo il quale oggetti distanti non possono avere influenza istantanea l’uno sull’altro.
Albert Einstein, pur avendo dato importanti contributi alla teoria quantistica, non accettò mai che una particella potesse influenzarne un’altra istantaneamente e pertanto cercò a lungo di dimostrare che la violazione della località fosse solo apparente, ma i suoi tentativi furono di volta in volta ribattuti dai suoi oppositori.
Nel 1982 il fisico Alain Aspect, con una serie di sofisticati esperimenti dimostrò l’esistenza dell’entanglement e quindi l’inconsistenza della posizione di Einstein.
Infine nell’Ottobre del 1998 il fenomeno dell’entanglement è stato definitivamente confermato dalla riuscita di un esperimento sul teletrasporto, effettuato dall’Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, in California.

Riassumendo e semplificando (molto)

Secondo la fisica quantistica, il comportamento di una particella elementare (neutrone, elettrone, protone, fotone e così via) non è prevedibile con esattezza, ma solo in modo probabilistico: per esempio, sappiamo con certezza che un singolo atomo di uranio emetterà radiazioni, ma non possiamo sapere assolutamente quando questo accadrà.
Tale limitazione non esiste invece per i sistemi macroscopici (fisica classica), cioè composti da milioni di atomi riuniti: una volta conosciuti alcuni dati, si può sapere con esattezza che cosa e quando accadrà in essi.

Fonti


Nota:

Lo scopo di questo post nasce dall’esigenza di spiegare in pochi minuti nozioni estremamente complesse, non ha pertanto la pretesa di rappresentare una seria divulgazione scientifica. Mi si perdonino piccoli o grandi errori nell’esposizione dei concetti.


  1. In soldoni, si occupa di elementi molto piccoli, come gli atomi, gli elementi che compongono gli atomi (protoni, neutroni, elettroni), gli elementi che compongono i componenti degli atomi (quark), e così via.

  2. In fisica un corpo nero è un oggetto teorico che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente senza rifletterne alcuna.

  3. Una particolare gabbia metallica atta a impedire l’ingresso o l’uscita di frequenze radio.

  4. Una macchina che controlla l’attività neurologica.

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