Cos’è la fisica quantistica: quello che devi sapere

Forse non tutti sanno cos’è la fisica quantistica. Un tema molto dibattuto, affascinante e capace di rivoluzionare l’idea che abbiamo dell’universo che ci circonda. C’è chi ha abbracciato le scoperte della quantistica come un modo di vedere l’esistenza. Ma allora che cosa si nasconde dietro questa disciplina relativamente nuova? Andiamo a scoprirlo insieme ripercorrendo le principali tappe e intuizioni di una scienza innovativa.

Meccanica quantistica: questa sconosciuta

La si conosce come fisica quantistica ma si può chiamare anche teoria dei quanti o meccanica. Difatti si tratta di una teoria della meccanica che si concentra sui fenomeni della scala di lunghezza e dell’energia atomica e subatomica apportano nuova linfa alle teorie precedenti, considerate ormai sorpassate.
Qual è la differenza tra meccanica classica e meccanica quantistica? Quest’ultima descrive radiazione e materia come un fenomeno duplice: ondulatoria e particellare. Il dualismo onda-particella si può dunque considerare uno dei tratti caratteristici della disciplina. La relazione che intercorre tra le onde e le particelle è studiata e confermata da due principi:

• Principio di complementarietà
• Principio di indeterminazione di Heisenberg

Quest’ultimo formalizza il precedente.

Possiamo sicuramente affermare che dopo la scoperta della relatività e la nascita della fisica classica queste intuizioni hanno dato vita ad una nuova epoca, quella della fisica moderna. Per studiare la meccanica quantistica in modo completo è necessaria un’integrazione tra diversi settori della fisica:

• Fisica atomica
• Fisica della materia
• Fisica nucleare
• Fisica delle particelle

Ma cosa ha portato al bisogno di nuovi orizzonti e ricerche in questo campo? Com’è nata la fisica quantistica?

Nascita della fisica moderna

La fisica classica, sul finire del XIX secolo, non era in grado di studiare la materia a livello microscopico, oltre la misura dell’atomo per intenderci. La realtà sperimentale pertanto non poteva essere indagata, soprattutto i fenomeni legati alla luce e all’elettrone. Ma l’uomo ha sempre desiderato spingersi oltre e la sua innata curiosità l’ha condotto a ricercare ulteriormente.

Nei primi anni del Novecento le scoperte che vennero a galla a partire dalle scale atomiche misero in discussione i vecchi assunti. Nacque così la teoria dei quanti, grazie ad un termine coniato dallo studioso Max Planck agli inizi del Novecento. Il concetto di base è il fatto le grandezze e le quantità microscopiche di alcuni sistemi fisici possono variare anche in modo non continuo ma discreto.

Ma grazie a quali precedenti scoperte fu possibile giungere a queste conclusioni?

• 1803 riconoscimento degli atomi come elemento costitutivo delle molecole
• 1860 la tavola periodica raggruppa gli atomi per proprietà chimiche
• 1874 scoperta dell’elettrone e del nucleo
• 1887 studi sulla radiazione ultravioletta

Questa data segna forse lo spartiacque maggiore. Il fenomeno di interazione tra la radiazione elettromagnetica e la materia (effetto fotoelettrico) scompariva per frequenze della radiazione più basse di un valore di soglia. Con l’effetto fotolettrico l’energia degli elettroni era proporzionale alla frequenza della radiazione elettromagnetica. La teoria ondulatoria di Maxwell non era più sufficiente a spiegare determinati fenomeni.

Origine della teoria dei quanti

Per fornire uno schema riassuntivo di quanto ha contribuito a far nascere la fisica quantistica possiamo fornire delle date importanti, legate a scoperte e intuizioni. Gli studenti di corsi di laurea tecnico-scientifici sanno bene di cosa stiamo parlando, ma non sempre ricordano la successione dei fatti che ha condotto a queste sensazionali rivoluzioni scientifiche.

Ecco una cronologia sintetica per ripercorrere la storia della meccanica quantistica:

• 1900: Planck introduce l’idea che l’energia sia assorbita ed emessa quantizzata
• 1905: Einstein dimostra l’effetto fotoelettrico (l’energia del campo elettromagnetico è trasportata dai quanti di luce (fotoni)
• 1913: Bohr quantizza il moto orbitale dell’elettrone
• 1915: Sommerfeld introduce nuove regole, generalizzando i metodi di quantizzazione

Ma è dal 1924 in poi che si pongono le basi per quella che conosciamo adesso come teoria dei quanti. In questa data Louise de Brogie elabora una teoria delle onde materiali. L’anno successiva subentra il nome di Heinsenberg, che formula la meccanica delle matrici, sempre lui formulerà nel 1927 il principio di indeterminazione, seguira Dirac nel 1927 con la teoria della relatività ristretta. Fino al 1982, anno in cui l’Istituto Ottico di Orsay termina le ricerche sulla violazione della disuguaglianza di Bell, le scoperte si susseguono in modo serrato.

Concetti base della fisica quantistica

Tra le scoperte più affascianti, non solo tra gli esperti con alle spalle master di ogni tipo in fisica, ma anche tra i comuni mortali semplicemente curiosi, troviamo:

• dualismo onda particella
• principio di complementarietà
• principio di indeterminazione

Analizziamoli uno per uno per entrare ancora più in profondità in questa scienza.

Dualismo onda-particelle

Prima c’era solo la fisica classica. Questa era suddivisa in due gruppi di leggi:

• leggi di Newton
• Leggi di Maxwell

Siamo grati ad entrambi per gli studi e l’impegno che hanno saputo infondere. Il primo gruppo di leggi descrive il moto e la dinamica dei corpi meccanici, mentre il secondo gruppo l’andamento e i legami tra i soggetti che fanno parte di un campo elettromagnetico: luce e onde radio ad esempi.

Alcuni esperimenti facevano pensare che la luce potesse essere considerata un’onda. Ma non erano stati confermati. Invece l’idea che la luce avesse natura corpuscolare (di Einstein e Planck) e che quindi fosse costituita da fotoni prese sempre più legittimità. Grazie a Bohr si comprese che la natura della materia e della radiazione erano:

• Sia un’onda
• Sia un corposcuolo

Non si poteva più ragionare in termini di uno o l’altro ma semmai in un’ottica di complementarietà. Il principio di complementarietà di Bohr sottolinea esattamente questo, che i fenomeni che si manifestano a scale atomiche hanno proprietà duplici, di onde e particelle insieme.

Principio di indeterminazione di Heinsenberg

Come abbiamo segnalato prima nel 1927 Heinsenberg mostrò che alcune coppie di quantità fisiche, come velocità e posizione, è impossibile registrarle in contemporanea senza commettere errori. La precisione può riguardare una delle due misure, ma non entrambe, perché un fenomeno come la velocità provoca delle conseguenze sull’altro e ne inficia la misurazione.

Per individuare la posizione di elettrone ci sarà bisogno di illuminare un fotone. La lunghezza d’onda del fotone più sarà corta più sarà precisa la misurazione della posizione dell’elettrone.

Nella fisica quantistica le basse frequenze d’onda il fotone trasporta sempre più energia e velocità che l’elettrone assorbe. In contemporanea sarà impossibile stabilire il valore di queste misure.

Applicazioni della fisica quantistica

Dobbiamo ringraziare la teoria dei quanti se adesso abbiamo accesso a tecnologie all’avanguardia. Dall’elettronica passando per l’informatica sono davvero tante gli apparecchi basati sulle moderne intuizioni quantistiche. Qualche esempio?

• Laser
• Microscopio elettronico
• Chimica computazionale
• Risonanza magnetica nucleare

Pensiamo alle CPU dei nostri computer, in grado di contenere miliardi di transistor in pochi millimetri, si tratta di semiconduttori che amplificano segnali e che si sono rivelati indispensabili. Senza non si potrebbe progredire verso un futuro di ricerca e di evoluzione.

Anche il tema della sicurezza informatica sta ampliando gli orizzonti per comprendere se sarà possibile sfruttare la crittografia quantistica al fine di ottenere e trasmettere informazioni più sicure e difficili da intercettare.
È molto probabile che vedremo tra qualche decennio dei computer quantistici, con prestazione nettamente migliori rispetto a quelle dei modelli attuali. Chissà cosa ci aspetta ancora, la scienza si evolve di giorno in giorno, e non sappiamo quali saranno le prossime scoperte, ci resta solo l’immaginazione. Se ami sperimentare, ricercare, approfondire puoi scegliere una formazione accademica telematica, la nuova frontiera dell’apprendimento. Scegli uno dei tanti master dell’Università degli Studi Niccolò Cusano, potrai fare un salto quantico nelle nuove professioni.