La Scienza: la meccanica quantistica tra viaggi nel tempo e teorie incomplete

Uno dei più recenti motivi di discussione da parte della comunità scientifica globale è la meccanica quantistica. La visione del mondo con la meccanica quantistica ci appare come un mondo “magico”, caratterizzato da presenza di eventi sensazionali come viaggi nel tempo e teletrasporto.

Commento del direttore

Sono onorato di presentare una rubrica che fino ad adesso era mancata su questo giornale e che affronta tematiche che non sono comuni a molti canali d'informazione. Molte volte ci perdiamo nei numeri e nelle informazioni delle discipline scientifiche, ma altrettante volte ci servirebbe procedere e capire come queste regolano il mondo. Qui ci prefiggiamo di assolvere questo compito.

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Questi concetti vengono riutilizzati in molti capolavori di produzione cinematografica e scritta, come ad esempio celebri film come Avengers Endgame, Star Trek, Ritorno al Futuro e molti altri. Ma esistono probabilità in cui in un futuro, più o meno lontano, potremmo parlare di questi fatti in modo non solo immaginario ma anche scientifico? Grazie ai nuovi studi sulla meccanica quantistica si può iniziare a parlarne. Ma procediamo con ordine.

CHE COSA È LA MECCANICA QUANTISTICA?

La meccanica quantistica (o fisica quantistica o teoria dei quanti) è la teoria della meccanica attualmente più completa, in grado di descrivere il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni con particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di lunghezza o di energia atomica. In poche parole, la meccanica quantistica ci spiega con precisione l'essenza della materia: atomi, molecole e onde. Per sapere meglio a proposito di ciò dobbiamo però considerare anche il contesto storico in cui si iniziò a parlare di meccanica (prima classica e poi quantistica).

Siamo tra la fine dell’Ottocento e la Prima guerra mondiale. Bisogna immaginare che tutto sta cambiando in modo rapidissimo: sta arrivando l’illuminazione elettrica, sono state inventate la radio, l’automobile, il cinema e tante altre comodità che rendono la vita più facile per molte persone nel mondo. Questo periodo viene chiamato Belle Époque, in cui artisti e scienziati sono in fermento in tutte le grandi capitali d’Europa, dappertutto si respira un clima di grande ottimismo. Anche la fisica vive in questi anni la sua Belle Époque: gli scienziati sono convinti di avere nelle loro mani una visione completa dell’intero universo.

Pensano di poter descrivere tutti i fenomeni naturali grazie a tre importanti teorie: la meccanica classica newtoniana, che spiega il movimento dei corpi, l’elettromagnetismo che spiega i fenomeni elettrici e magnetici e la meccanica statistica. Quest'ultima è una disciplina recente e strana, che vuole studiare come cambiano le caratteristiche, per esempio pressione, volume e temperatura, di un sistema formato da tante particelle (come un gas). In questo periodo si ha un grandissimo sviluppo tecnologico che permette, pian piano, di

misurare cose che prima non erano misurabili. Per esempio, strumenti che permettono di fare misure a temperature molto basse, o di studiare cosa succede in condizioni di quasi vuoto.

Quello che noi oggi diamo scontato, come l’esistenza degli atomi o la struttura delle molecole, in quel periodo era sconosciuto o poco compreso e la possibilità di fare esperimenti pratici ha permesso di andare in profondità nello studio di com’è fatta la materia che ci circonda.

Man mano che le osservazioni si facevano approfondite risultavano delle incongruenze, dei fenomeni che non potevano essere spiegati con la fisica conosciuta…

LE STRANEZZE DELLA MECCANICA QUANTISTICA

Il concetto di "quanto" fu introdotto da Max Plank nel 1900: per capire che cosa sono i

quanti bisogna partire dalla spiegazione del paradosso dell’effetto fotoelettrico: è qui che possiamo individuare la nascita della meccanica quantistica.

L’autore della scoperta fu il grande scienziato Albert Einstein che, per questa teoria, vinse il premio Nobel per la fisica.

Per iniziare dobbiamo capire cos’è la radiazione elettromagnetica. Se pensiamo a un oggetto metallico scaldato sul fuoco sappiamo che, dopo un po’, diventa incandescente e luminoso. Questa luce emessa è proprio radiazione elettromagnetica.

All’inizio del secolo scorso si era visto che, prendendo un pezzo di metallo e mandandogli addosso della radiazione elettromagnetica si potevano osservare alcuni elettroni fuggire via dal metallo. Questo succedeva solo se la frequenza della luce superava un certo valore e ciò contraddiceva le teorie legate alla fisica classica.

Ecco come funziona l'effetto fotoelettrico: la radiazione elettromagnetica (onde rosse) colpisce il metallo e alcuni elettroni (palline) fuggono via!

“Secondo Einstein la radiazione elettromagnetica viaggia in “pacchetti” che hanno una determinata energia e che sono chiamati fotoni. Solo i pacchetti che hanno una certa energia, superiore al valore di soglia, riescono a far fuoriuscire degli elettroni dal metallo".

Questi pacchetti sono i quanti.

È con questa spiegazione che nacque la meccanica quantistica ma subito iniziarono le

stranezze. La teoria elettromagnetica ci dice che la luce è un’onda; Einstein dice che è una particella, il fotone. La luce ha un comportamento a volte ondulatorio e a volte corpuscolare.

Ma non è finita qui, anche le particelle di materia, come gli elettroni, a volte si

comportano come onde. Può succedere, per esempio, che alcuni elettroni riescano ad oltrepassare una barriera senza nessuna apparente spiegazione. Si chiama “effetto tunnel” e lo possiamo immaginare così:

“Un ragazzo sta andando sullo skateboard e si trova davanti un ostacolo. Sappiamo che può arrivare in cima all’ostacolo e proseguire solo se, all’inizio, aveva abbastanza velocità. Questo non succede agli elettroni che possono trovarsi oltre l’ostacolo anche senza possedere l’energia necessaria per superarlo!”

Con tutta questa grande confusione di onde e particelle, come possiamo trovare il confine tra mondo quantistico e mondo non quantistico?

Ancora non si sa, è un campo di studio ancora aperto.

Nel prossimo episodio affronteremo tutte le teorie e i “rompicapi” del confine del mondo quantistico nel LIMITE TRA LEGGI DELLA LOGICA E IL MONDO

QUANTISTICO.

Samuele Talli

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