Quantistica

January 24, 2024
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Nell’infinitamente piccolo, la materia si comporta in modo del tutto eccentrico.
Questo è noto da più di un secolo e le applicazioni pratiche sono ora in fase di studio. Il mondo è alle soglie della seconda rivoluzione quantistica. 
meccanica quantistica

Tutto, assolutamente tutto ciò che esiste – voi, io, l’aria che respiriamo, le foglie degli alberi, la mia bicicletta, il vostro cane, il pianeta Giove o lo schermo su cui state leggendo – è fatto di molecole. Le molecole sono assemblaggi di atomi, che a loro volta sono assemblaggi di protoni, neutroni ed elettroni. E quando le si osserva su scala molto, molto piccola (qualcosa come 10-18 metri), si vede che queste particelle, questi “grani” di materia, si comportano in modo molto diverso dai grandi assemblaggi che formano. 

Un elettrone o un fotone (“granello di luce”) è in grado di passare attraverso due fori contemporaneamente, di trovarsi in più luoghi simultaneamente o di ruotare in più direzioni allo stesso tempo. Ancora più strano, queste particelle sembrano essere in grado di comunicare da un punto all’altro dello spazio, più velocemente della luce (!). E persino di teletrasportarsi (!!). 

meccquantis

Il mondo quantistico non può essere descritto da un diagramma, ma solo da equazioni, che hanno dato grattacapi a generazioni di fisici e fisiche. Virtualphoto

“Se la teoria dei quanti non vi sconvolge, è perché non l’avete capita”, ha detto Niels Bohr, premio Nobel per la fisica nel 1922, portiere di calcio e primo uomo ad avere unificato le varie scoperte che hanno dato origine alla teoria dei quanti. 

heisemberg

Come facciamo a sapere tutto questo, e da così tanto tempo, se nessuno ha mai visto qualcosa di così piccolo come un elettrone? 

“È l’impressionante potenza dell’intelligenza umana che riesce a combinare l’osservazione della natura con le costruzioni matematiche”, risponde Nicolas Gisin, fisico, giocatore di hockey, direttore della nuova Commissione quantistica svizzera. 

Alla fine del XIX secolo, i fisici e le fisiche erano convinti di aver svelato gli ultimi segreti della materia e non si aspettavano più di fare progressi nella loro disciplina. Ma ci sono ancora alcuni fenomeni che la fisica classica non può spiegare. Ad esempio, il modo in cui il colore di un oggetto cambia quando viene riscaldato. Sotto una fiamma ossidrica, un pezzo di metallo passa dal rosso al giallo, poi al bianco e dovrebbe emettere luce ultravioletta, che i nostri occhi non possono rilevare. A quel punto diventerebbe invisibile. Ma questo non accade mai, perché in realtà emette molto meno ultravioletto di quanto previsto dalla teoria. 

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Fu questa anomalia a spingere Max Planck, premio Nobel per la fisica nel 1918, pianista e professore all’Università di Berlino, a seguire la pista di una nuova teoria che spiegasse il comportamento dell’infinitamente piccolo. Strofinandosi gli occhi e sperando di sbagliarsi, Planck elaborò delle equazioni e presentò nel 1900 l’ipotesi che l’energia (la luce è una forma di energia) non venga emessa in modo continuo, ma sotto forma di piccoli pacchetti, che chiamò quanti. Come l’acqua che non scorre in un flusso continuo, ma solo a gocce. 

Albert Einstein, premio Nobel per la fisica nel 1921, violinista e poi impiegato presso l’Ufficio federale dei brevetti di Berna, si è ispirato a questa scoperta e nel 1905 ha proposto la sua teoria dell’effetto fotoelettrico. Essa presuppone che la luce non sia un’onda, come si credeva in precedenza, ma un fascio di particelle, i quanti, che sarebbero stati chiamati fotoni. 

quantist

Quindi, la luce è un’onda o un fascio di piccole sfere? 

È entrambe le cose. Ma anche nessuna delle due. La seconda generazione di fisici all’inizio del XX secolo – Niels Bohr, Louis de Broglie, Paul Dirac, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli e Werner Heisenberg (tutti premi Nobel) – dimostrò che fotoni, elettroni e altre particelle si comportano sia come piccoli grani di materia sia come onde. Una realtà inquietante, che portò Heisenberg a chiedersi se fosse “possibile che la natura sia così assurda come sembra”. 

gattom

 

E che dire del famoso gatto di Schrödinger, chiuso in una scatola dove può essere sia vivo che morto? La gabbia doveva essere aperta per scoprire se l’animale fosse vivo o morto. Questo esperimento puramente teorico fu proposto nel 1935 dal fisico per dimostrare che il mondo quantistico si basa su una combinazione di probabilità. Tuttavia, sarebbe stato fattibile solo se il gatto fosse stato una particella, non un essere vivente composto da qualche miliardo di atomi. 

solvayconference

Le menti più brillanti della fisica mondiale alla conferenza Solvay di Bruxelles del 1927. È l’anno del famoso scontro tra Einstein (al centro) e Niels Bohr (seconda fila, estrema destra). In prima fila (secondo da sinistra) si vede Max Planck, il pioniere della fisica quantistica, e accanto a lui Marie Curie, l’unica donna dell’assemblea. All’estrema sinistra, in terza fila, lo svizzero Auguste Piccard, padre di Jacques e nonno di Bertrand. 

Cosa dobbiamo aspettarci dalla seconda rivoluzione quantistica? 

Nel 2022, il Premio Nobel per la fisica viene nuovamente assegnato ai teorici dei quanti. Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger hanno lavorato sul cosiddetto entanglement (o “correlazione” a distanza) quantistico. 

Questa è una delle proprietà più sconcertanti delle particelle. Quando due di esse sono correlate, se si cambia lo stato di una, l’altra assumerà lo stesso valore. Immediatamente e anche se si trova all’altro capo della galassia (!). “Questo rimane un mistero assoluto. È come se queste correlazioni apparissero dall’esterno dello spazio-tempo”, ci ha detto Nicolas Gisin nel 2008, dopo un esperimento di teletrasporto quantistico condotto all’Università di Ginevra. 

Principio di indeterminazione di Heisenberg

Un altro duro colpo al determinismo classico venne sferrato da Werner Heisenberg con il suo principio di indeterminazione che mina alle fondamenta l’idea che, conoscendo ad un dato istante la posizione e la velocità di una particella, si riesca a conoscerne il valore ad un qualunque tempo successivo (nel paragrafo precedente, abbiamo definito questa situazione con il termine di determinismo). La relazione di indeterminazione riguarda per l’appunto la precisione Δ con cui possiamo conoscere posizione e velocità di una particella e recita cosi:

  • Δx Δ(mv) >= h /4 π 

  • e significa che tanto meglio si conosce, ad esempio, la posizione, tanto peggio possiamo sapere la velocità della particella (e viceversa). Nella formula precedente il simbolo h è lo stesso incontrato nella descrizione della radiazione di corpo nero. Il fatto rilevante è che il prodotto Δx Δ(mv) non può mai annullarsi, quindi per nessuna delle variabili in esame la sua incertezza può essere ridotta a zero.
  • Ci troviamo quindi di fronte ad una proprietà del mondo quantistico, ossia che interessa il microcosmo, completamente nuova e sconvolgente. 

può accadere che piccole differenze nelle condizioni iniziali ne producano di
grandissime nei fenomeni finali. Un piccolo errore nelle prime produce
un errore enorme nei secondi. La previsione diventa impossibile e si ha
un fenomeno fortuito”. 

Il caos è necessario per l’evoluzione di sistemi molto complessi, per la diminuzione locale dell’entropia, per l’ordine, per l’informazione, per avere un mondo “divertente”

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