La Meccanica Quantistica

“Penso di poter affermare che nessuno  capisce la meccanica quantistica” 

(R. Feynman, premio Nobel per la fisica)

Ebbene sì, è infine giunto il momento di tuffarci nel surreale mondo della meccanica quantistica. Questa teoria descrive il comportamento dei componenti microscopici della materia, quali atomi e loro componenti, fino ad arrivare alle particelle elementari. Ma andiamo con ordine.

Tutto ebbe inizio dallo studio di un oggetto particolare: il corpo nero. Si tratta di un corpo con la capacità particolare di assorbire ogni tipologia di onda elettromagnetica e successivamente, per il principio della conservazione dell’energia, di emetterne altrettante lungo tutto lo spettro (quindi per tutte le lunghezze d’onda λ). A seconda della temperatura a cui il corpo si trova, la maggior parte di energia verrà “fornita” a un determinato range di λ. Ecco un’immagine che presenta lo spettro di corpo nero a diverse temperature.

C’era un problema riguardo il corpo nero che creava non poco imbarazzo tra i fisici: non si riusciva infatti a trovare una formula che conciliasse previsioni teoriche e misurazioni sperimentali. Osserviamo la curva nera: se si utilizza la fisica classica per spiegare il corpo nero, si arriva a un’equazione che porta a prevedere energia infinita per le lunghezze d’onda molto piccole. Fu Max Planck, che, perfezionando la precedente teoria di W. Wien, riuscì a formulare un’equazione che facesse coincidere previsioni ed esperimento. Tuttavia, per riuscirci, dovette ipotizzare qualcosa di assolutamente sconvolgente: che la luce fosse formata da multipli interi di una quantità minima, un pacchetto di base, chiamato quanto; in gergo, si dice che la luce non è continua, ma discreta. Per intenderci, anche il sistema monetario è discreto: non si può avere o pagare una quantità a piacere di denaro, deve sempre essere un multiplo intero del pacchetto di base che è il centesimo.

Inizialmente l’idea di Plank sembrava un semplice espediente matematico per far tornare i conti, ma Einstein dimostrò l’esistenza dei fotoni, i quanti della luce, provando che la luce è contemporaneamente particella e onda –e risolvendo in questo modo l’annosa diatriba sulla natura della luce, iniziata con Newton e Huygens- . Negli anni seguenti questa teoria fu ampliata da L. de Broglie, il quale teorizzò che non solo la luce, ma ogni particella quantistica è contemporaneamente corpuscolo e onda. Se vi sembra che tutto ciò sia paradossale, sappiate che non avete ancora sentito nulla. Negli stessi anni -prima metà del Novecento-, si effettuarono esperimenti sugli elettroni, scoprendo che le particelle quantistiche possono, in linea di principio, “aggirare” quasi tutte le leggi della fisica. Ciò che i fisici possono fare è studiare dei modelli probabilistici: non si può predire il comportamento di un singolo ente quantistico, ma si può calcolare in quale dei diversi stati è più probabile che esso scelga, una volta sottoposta a misura. L’utilizzo del verbo “scegliere” non è casuale, infatti si è scoperto che, prima di una misura, una particella quantistica si trova in una sovrapposizione di tutti gli stati che potrebbe potenzialmente assumere. Riassumendo, la MQ (meccanica quantistica) si basa su questi principi:

.predizione probabilistica;

.indeterminazione: di una particella non si possono conoscere sia posizione che velocità, così come non si possono conoscere lo scambio energetico con l’ambiente e il tempo impiegato per effettuarlo (secondo i due principi di indeterminazione di Heisenberg);

.complementaritàgli enti quantistici sono considerati sia onde, sia corpuscoli;

.sovrapposizione: fino ad avvenuta misura, le particelle si trovano in tutti gli stati possibili.

Per fortuna, a questi quattro, si aggiunge il principio di corrispondenza tra meccanica quantistica e classica per i corpi più grandi di atomi e molecole, sebbene non sia ancora stato stabilito un confine netto tra le due teorie. Questo ci rassicura sul fatto che nella vita di tutti i giorni è praticamente impossibili assistere a dei fenomeni quantistici, come teletrasporto o effetto tunnel.

Per quanto possa sembrare assurda, la MQ funziona e ci ha permesso, tra le altre cose, la formulazione del Modello Standard, teoria che dovrebbe descrivere tutte le particelle elementari e che analizzeremo nei prossimi articoli. I problemi aperti, tuttavia, sono ancora molti. Innanzitutto la MQ, e il Modello Standard in particolare, presentano problemi esplicativi, come quello della massa dei neutrini, e inestetismi che non giustificano certi parametri (sì, per quanto possa sembrare strano, più una teoria è “bella” e “pulita” da un punto di vista matematico, più è probabile che sia corretta). Inoltre, resta uno dei più grandi crucci della scienza contemporanea: non siamo in grado di conciliare relatività e MQ.

Oltre a queste problematiche, prettamente specialistiche, è chiaro che il problema maggiore presentato dalla meccanica quantistica è il fatto che essa sia assolutamente contraria alla nostra logica e al buon senso comune. Ad oggi, filosofi e fisici si stanno ancora interrogando su quale sia l’interpretazione da attribuire alla MQ.

La realtà dipende solo da quando e da come una misura viene effettuata? Il principio che dal nulla non nasce niente è da eliminare? Ci sono forse dei parametri nascosti che ci sfuggono e che “riordinano” la realtà quantistica? Oppure, che la MQ sia solo un espediente che abbiamo utilizzato finora a causa della nostra ignoranza e che un giorno si scopra che in realtà anche il mondo dell’infinitamente piccolo funziona in maniera deterministica?

Forse, con l’avanzare della ricerca troveremo delle risposte a queste e alle molte altre domande che la MQ ci pone innanzi. Sempre che, per una qualche oscillazione quantistica tutta l’umanità non venga teletrasportata istantaneamente su Plutone. Tuttavia non preoccupatevi, è un evento possibile, ma altamente improbabile.

Elia Cattaneo, Mirlinda Meta, Alberto Zorzetto

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