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A breve una descrizione...

LA MECCANICA QUANTISTICA O FISICA QUANTISTICA

Introduzione alla Fisica Quantistica per coloro che non ne sanno (quasi) nulla e che vorrebbero saperne un po' di più.

"Quelli che non sono rimasti scioccati quando si sono imbattuti per la prima volta nella teoria quantistica non possono averla capita". (Niels Bohr)

Alla fine dell'Ottocento, si pensava 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.

I   principi basilari della Fisica Quantistica:

1) Sia la luce che le particelle che costituiscono gli atomi e cioè gli elementi fondamentali che compongono la materia (quindi noi stessi e la realtà a noi manifesta) sono costituite da minuscoli concentrati di energia detti QUANTI, che hanno una duplice natura: ondulatoria e corpuscolare.

Precisamente a livello subatomico la materia presenta   le caratteristiche tipiche delle onde e solo all'atto dell'osservazione assume un comportamento corpuscolare.

Ad intuire la duplice natura, corpuscolare ed ondulatoria della materia fu il matematico e fisico Louis De Broglie (1892-1987) che ottenne il premio Nobel nel 1929.

Le proprietà delle vibrazioni dell'onda quantistica furono descritte matematicamente dalla Equazione d'onda di Schrodinger matematico e fisico austriaco (1987-1962) che per tale scoperta nel 1933 fu insignito del premio Nobel .

2) Non è possibile conoscere simultaneamente la velocità e la posizione di una particella quantistica, poiché quanto   maggiore è l'accuratezza nel determinarne la posizione tanto minore è la precisione con la quale si può accertarne la velocità e viceversa .

La suddetta proprietà è conosciuta come Principio d'Indeterminazione di Heisenberg   (1901 – 1976) fisico tedesco premio Nobel nel 1932.

L'indeterminazione non dipende dai limiti dei nostri strumenti, che comportano necessariamente un’interazione più o meno grande con l'oggetto da sottoporre a misurazione, bensì rappresenta una caratteristica intrinseca della materia.

3)   Se due particelle si fanno interagire per un certo periodo e quindi vengono 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. Tale fenomeno è detto "Fenomeno dell'Entanglement".

Il fenomeno dell'entanglement viola il «principio di località» per il quale ciò che accade in un luogo NON può influire immediatamente su ciò che accade in un 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.

All'atto dell'osservazione, una particella prende vita occupando una delle possibilità, solitamente quella che ci aspettiamo. L'aspetto sconvolgente ma anche illuminante di queste scoperte è che tutto l'universo e noi stessi siamo formati da particelle; le stesse particelle che esistono come materia quando le osserviamo ed esistono come onde di possibilità quando non le osserviamo.

Oltre alla posizione e alla velocità delle particelle, il principio di indeterminazione pone limiti anche alla misura simultanea di altre grandezze come ad esempio l'energia e il tempo: se si cerca di determinare con precisione l'energia di una particella, diminuirà inevitabilmente il grado di accuratezza con cui conosciamo la sua durata, e viceversa. Tale aspetto produce delle conseguenze del tutto incompatibili alla luce della nostra esperienza ordinaria, infatti, il grado d’indeterminazione esistente tra energia e tempo fa si che delle particelle (ad esempio una coppia elettrone-positrone), possano emergere dal nulla per una frazione infinitesimale di secondo (inferiore a 10-20 secondi), prima di svanire nuovamente.

Dette conseguenze costituiscono più di una semplice ipotesi teorica o di un artificioso calcolo, poiché sono state verificate in esperimenti di laboratorio. Due particelle vengono lanciate in direzioni opposte. Se 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.

Questo esperimento dimostra che:

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

Il fisico Niels Bohr disse:

"Tra due particelle [correlate] che si allontanano l'una all'altra nello spazio, esiste una forma di azione-comunicazione permanente. Anche se due fotoni si trovassero su due diverse galassie continuerebbero pur sempre a rimanere un unico ente ..."

La fisica quantistica è ormai alla base di tutta la Scienza. Oggi, infatti, le proprietà dei quanti non solo spiegano il mondo atomico e subatomico ma altresì decifrano numerosi aspetti relativi all'astrofisica e alla cosmologia e recentemente interpretano anche molteplici fenomeni inerenti la biofisica, la genetica e le neuroscienze.

Nonostante ciò, malgrado il nostro mondo quotidiano sia quasi totalmente permeato dalle applicazioni della quantistica (transistor, lettori CD; laser, risonanza magnetica, microsonde chirurgiche...) e malgrado gli sviluppi concettuali di questa teoria siano tra i più innovativi degli ultimi 100 anni, la maggior parte degli italiani non sa quasi nulla di questa disciplina ed il suo insegnamento   è praticamente ignorato dai programmi scolastici. (www.quantistica.altervista.org/, 2015).

MECCANICA QUANTISTICA

Il fisico tedesco Max Planck (1858-1947) fu il primo a introdurre il concetto di "quanto" nel suo lavoro del 1900 "Ueber die Elementarquanta der Materie und der Elektrizität" (Sui quanti elementari della materia e dell'elettricità)

La meccanica quantistica (anche detta fisica quantistica) è la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni, con particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di lunghezza o di energia atomica e subatomica.

Come caratteristica fondamentale, la meccanica quantistica descrive la radiazione e la materia sia come fenomeno ondulatorio che come entità particellare, al contrario della meccanica classica, dove per esempio la luce è descritta solo come un'onda o l'elettrone solo come una particella. Questa inaspettata e contro intuitiva proprietà, chiamata dualismo onda-particella, è la principale ragione del fallimento di tutte le teorie classiche sviluppate fino al XIX secolo. La relazione fra la natura ondulatoria e quella corpuscolare delle particelle è definita nel principio di complementarità e formalizzata nel principio di indeterminazione di Heisenberg.

La meccanica classica si dimostrò presto incapace di descrivere il comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica a livello microscopico, a scale di lunghezza inferiori o dell'ordine di quelle dell'atomo o ad energie nella scala delle interazioni interatomiche. L'incoerenza e l'impossibilità delle leggi classiche di rappresentare la realtà sperimentale, in particolare della luce e dell'elettrone, furono dunque le motivazioni principali che portarono allo sviluppo della meccanica quantistica nella prima metà del XX secolo. Essa nacque unendo ed elaborando un insieme di teorie fisiche formulate a cavallo del XIX e del XX secolo, di carattere spesso empirico. Il nome "teoria dei quanti", introdotto da Max Planck agli inizi del Novecento,[1] si basa sul fatto che alcune quantità o grandezze di certi sistemi fisici a livello microscopico, come l'energia o il momento angolare, possono variare soltanto di valori discreti, detti "quanti", e non continui.

Il termine “Meccanica” che vuol dire semplicemente “Fisica”. C’è Fisica e Fisica! Ad esempio Classica e Quantistica, gli ambiti che ci interessano in particolare. La Fisica Classica fa capo a Isaac Newton, si chiama infatti anche Meccanica Newtoniana.

Il principio di inerzia, F= m x a, il principio di azione e reazione…E poi il prisma di Newton e la dispersione della luce, e poi anche la diffrazione della luce. Un prisma separa la luce nei colori che compongono, lo spettro visibile. Lo spettro visibile della luce, ovvero lo spettro elettromagnetico che cade tra il rosso e il violetto, includendo tutti i colori percepibili dall'occhio umano. Ebbene, tra la fine del XIX secolo e l'inizio del XX alcuni risultati sperimentali misero in discussione la completezza della Meccanica newtoniana. In particolare, l'insieme delle righe spettrali, ottenute dall'analisi della luce emessa da gas incandescenti o da gas sottoposti a scarica elettrica, era in disaccordo con il modello atomico di Ernest Rutherford. Il modello atomico di Rutherford non è quello planetario, in cui s’immagina siano presenti un nucleo atomico e gli elettroni che ruotano intorno ad esso, come i pianeti del sistema solare attorno al sole. Lo studio dello spettro del corpo nero e dell'effetto fotoelettrico suggeriva che la radiazione elettromagnetica avesse un duplice comportamento (ondulatorio e corpuscolare) durante i processi d’interazione con la materia. Il corpo nero in fisica è una specie di radiatore ideale, il quale assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che lo colpisce e, quindi, né riflette né trasmette alcuna energia apparendo in prima approssimazione nero, secondo l'interpretazione classica del colore dei corpi. Il corpo nero, non riflettendo, assorbe dunque tutta l'energia incidente e, per la conservazione dell'energia, re-irradia tutta la quantità di energia assorbita. La luce emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero e la densità di energia irradiata spettro di corpo nero. Il corpo nero ideale, quindi nella realtà un tale oggetto non esiste. Aggiungo che la differenza tra lo spettro di un oggetto e quello di un corpo nero ideale permette di individuare la composizione chimica di tale oggetto e quindi di identificarlo.

In fisica dello stato solido l'effetto fotoelettrico è il fenomeno fisico caratterizzato dall'emissione di elettroni da una superficie, di solito metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica avente una determinata frequenza.

Tale effetto è stato fondamentale per comprendere la natura quantistica della luce. Il disaccordo tra l’analisi delle righe spettrali, prima citate, con il modello atomico di Rutherford mise in crisi la meccanica Newtoniana. Lo studio dello spettro del corpo nero e dell’effetto fotoelettrico fece pensare a un doppio comportamento della radiazione elettromagnetica: onda-particella. Tutto ciò portò alla formulazione di una nuova fisica, la Meccanica Quantistica. Planck, formulando il concetto di “quanto” nell'ambito degli studi sulla radiazione di corpo nero condotti alla fine del XIX secolo (ne abbiamo parlato prima; il termine corpo nero indica un corpo o una superficie ideale capace di assorbire tutta la radiazione incidente), fece il primo passo verso lo sviluppo della nuova teoria. I grafici sperimentali ottenuti dall'analisi dell'emissione di radiazione elettromagnetica di un corpo incandescente erano in disaccordo con le previsioni teoriche della fisica classica.

Planck, dopo aver determinato una relazione matematica che interpolasse correttamente le curve sperimentali, cercò un modello fisico che potesse giustificarne la forma. Planck ipotizzò che l'interazione tra radiazione e materia avvenisse per trasferimento di quantità discrete di energia, che chiamò quanti, ciascuno di energia pari a hv, dove v (ni greca) rappresenta la frequenza e h il quanto d'azione, il cui valore è ora noto come costante di Planck. Cercò di essere più preciso: nel 1900 Planck rese nota la sua ipotesi nella quale sosteneva che gli scambi di energia, nei fenomeni di emissione e di assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche, avvengono in forma discreta (proporzionale alla loro frequenza di oscillazione, secondo una costante universale), non già in forma continua, come sosteneva la teoria elettromagnetica classica. Nel 1901, Planck passò dall'ipotesi quantistica alla vera e propria teoria quantistica, secondo la quale gli atomi assorbono ed emettono radiazioni in modo discontinuo, per quanti di energia, cioè quantità di energia finite e discrete. In tal modo anche l'energia può essere concettualmente rappresentata, come la materia, sotto forma granulare: i quanti sono appunto come granuli di energia indivisibili. La sua teoria gli valse il premio Nobel per la fisica del 1918. In parole poverissime, secondo Planck ad ogni frequenza di una radiazione elettromagnetica sarebbe associata una ben determinata energia. E la costante di Planck esprimerebbe la proporzionalità che lega l’energia di una radiazione e la sua frequenza.

Allora quella strana formula E = h v riassumerebbe la legge che è alla base della Teoria elaborata da Planck e, quindi, della Meccanica Quantistica. Il termine "fotone" fu coniato dal chimico statunitense Gilbert Newton Lewis nel 1926 per definire quelli che da Planck erano stati chiamati quanti, in riferimento alla sua ipotesi secondo la quale l'energia fosse trasportata dalla radiazione elettromagnetica in pacchetti discreti. Come per tutte le particelle elementari, la Meccanica quantistica ne mostra il comportamento duale onda-particella e ne determina le proprietà intrinseche. Albert Einstein sviluppò gradualmente la moderna concezione di fotone per spiegare osservazioni sperimentali (come il citato effetto fotoelettrico) che non si accordavano con il classico modello ondulatorio della luce. In particolare, il fotone rese possibile un modello che descrivesse la dipendenza dell'energia della luce dalla frequenza e spiegasse l'equilibrio termico tra la materia e la radiazione elettromagnetica. Spiegava inoltre l'anomalia di alcune osservazioni, come le proprietà del corpo nero, tramite modelli "semiclassici" sviluppati da vari fisici, tra cui Planck, che contribuirono poi allo sviluppo della Meccanica quantistica. L’utilità dei fotoni, ha avuto una rilevanza fondamentale nello sviluppo della fisica, in particolare nel campo dell'Ottica, e hanno importanti applicazioni in Fotochimica, Microscopia, e in altri interessantissimi campi. La Meccanica quantistica ha, in pratica, risolto tutti i problemi della fisica dell'inizio del XX secolo, ha accresciuto il livello di conoscenza della struttura della materia e ha fornito una base teorica per la comprensione della struttura dell'atomo e del fenomeno delle righe spettrali: ogni riga spettrale corrisponde all'energia di un fotone emesso o assorbito quando un elettrone compie una transizione da un livello energetico a un altro. Anche la conoscenza dei legami chimici è stata completamente rivoluzionata. La fisica dello stato solido, la fisica della materia condensata, la superconduttività, la fisica nucleare, e la fisica delle particelle elementari sono fondate sui principi della meccanica quantistica.

La Meccanica quantistica ha permesso la descrizione del mondo microscopico, inaccessibile con i mezzi forniti dalla meccanica classica, e ancora oggi fornisce la base concettuale fondamentale per ogni sviluppo nell'ambito della fisica moderna. La meccanica newtoniana è stata corretta dalla meccanica quantistica e dalla relatività, molti scienziati sono convinti che anche la teoria quantistica sia destinata a subire profonde modifiche negli anni a venire. Ad esempio, fisici teorici come Stephen Hawking stanno tuttora cercando di elaborare un sistema che comprenda sia la relatività sia la meccanica quantistica (www.tutto-scienze.org/2012)    

LA FISICA QUANTISTICA SPIEGATA IN MODO SEMPLICE

In passato quasi tutti i fenomeni energetici erano attribuiti agli dèi o a qualche spirito maligno. Durante l’Illuminismo e il Rinascimento cominciammo a capire più a fondo e più accuratamente in che modo funzionavano realmente le cose, elaborando teorie adatte a descrivere i fenomeni. Scienziati quali Copernico, Keplero e Galileo posero delle sfide alle precedenti visioni del mondo in termini di astronomia e di orbite celesti, portando alla luce nuove informazioni, in particolare riguardo al fatto che i pianeti, inclusa la Terra, orbitano intorno al Sole, al contrario della precedente teoria secondo la quale tutto ruotava intorno alla Terra. Newton diede ulteriore impulso all’illuminismo scientifico con la sua ben nota teoria sulla forza di gravità, che scoprì (così si racconta) quando fu colpito alla testa da una mela caduta dall’albero. Inoltre, sviluppò il calcolo infinitesimale e le tre leggi del moto. Queste teorie funzionavano tutte abbastanza bene, per quanto se ne sapeva all’epoca. Tuttavia, si sapeva anche che c’erano parecchie cose che esse non erano in grado di spiegare. Quando Albert Einstein, uno degli scienziati più brillanti mai vissuti, dimostrò che E=mc2, il mondo scientifico fu proiettato in un nuovo paradigma, tale da corrispondere molto meglio a ciò che si verificava nell’universo. La scienza ha fatto un salto quantico grazie a questa conoscenza. L’energia può assumere molte forme. Per esempio, esiste un’energia che denominiamo “luce”. Essa comprende un determinato spettro di frequenze energetiche, compreso fra 4,3 x 1014 e 7,5 x 1014. Noi rileviamo tali frequenze per mezzo della vista. Esistono frequenze sonore che rileviamo mediante l’udito e i recettori posti nei nostri piedi e tessuti corporei. Esiste la banda a raggi infrarossi che percepiamo sotto forma di calore. C’è poi la banda ultravioletta, situata subito al di là di ciò che riusciamo a vedere da quel lato dello spettro luminoso. Esistono molte altre frequenze energetiche per le quali non disponiamo di recettori corporei. Quelle, naturalmente, un tempo erano ritenute mistiche, ma oggi possediamo strumenti in grado di rilevarle. Le chiamiamo raggi x, ultrasuoni, radar, UHF, VHF, eccetera. L’elenco è infinito. Le frequenze sono costituite da tre elementi principali. Uno riguarda il numero di volte in cui la frequenza passa da positiva a negativa in un determinato periodo di tempo. Di solito questo dato va sotto il nome di cicli al secondo. Per esempio, l’elettricità ha 120 cicli al secondo in Europa e 60 cicli al secondo negli Stati Uniti d’America. C’è poi l’ampiezza, cioè la magnitudo dell’onda al di sopra e al di sotto della linea di base, o punto zero. Infine, c’è la forma d’onda. Proprio così, le onde hanno una forma. Si può avere un’onda sinusoidale, costituita da un’onda bella, liscia, curva e simmetrica, che ricorda il movimento ondoso del mare. Ci sono onde frastagliate o punte-onda, che salgono e scendono come aghi. Esistono anche onde quadrate e molte altre forme d’onda. Ci sono poi delle frequenze che utilizziamo per trasmettere altre frequenze. Oggi abbiamo compreso come fare per inviare centinaia di migliaia di messaggi al secondo mediante una minuscola fibra, servendoci della frequenza della luce. Le chiamiamo fibre ottiche, e le usiamo ogni giorno quando parliamo al telefono. L’uso delle frequenze in campo medico dà risultati del tutto eccezionali ( LOYD, JOHNSON, 2012).