Antologia > Fisica quantistica
L’anno d’oro della fisica quantistica
Il 1027 è l’anno in cui il principio di indeterminazione e il principio
di complementarità riscrissero completamente la fisica dell’universo. Inizia
l’era in cui nulla è certo, tutto è soltanto probabile.
1 La scuola di Copenhagen.
A partire dal 1921 Niels Bohr diresse, per larga parte della
sua vita, l’Istituto di fisica teorica presso l’Università di Copenhagen.
Questo Istituto fu il punto di riferimento per i fisici teorici negli anni ‘20
e ‘30. Nell’ambito di questo Istituto si svilupparono gli studi sulla fisica
quantistica che, attualmente, vengono ritenuti il “corpus” più credibile sulla
materia.
L’istituto diretto da Bohr, che venne detto "Scuola di
Copenaghen", ha fornito la prima interpretazione dei fenomeni quantistici,
che oggi è la più diffusa. Si ispira ai lavori svolti nella capitale danese
principalmente da Niels Bohr e da Werner Heisenberg attorno al 1927 e riguarda
aspetti quali l’effettuazione delle misurazioni in ambito quantistico, il
principio di complementarità e il dualismo onda-particella.
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2 Il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Nell’ambito della Scuola di Copenhagen il fisico Werner
Heisenberg formulò, nel 1927, il principio detto "principio di
indeterminazione" pubblicandolo in un celebre articolo presso la rivista
"Zeitschrift für Physik".
Il principio di Heisenberg comporta senza dubbio una delle più
sconcertanti rivoluzioni del sapere umano, ed è stato materia di discussione
per tutto il Novecento
Secondo questo principio, nella realtà esistono delle
grandezze correlate tra loro (dette "coniugate") che non possono mai
essere conosciute con esattezza allo stesso tempo. Se misuro una grandezza, non
riesco a misurare con precisione l’altra.
Facciamo un esempio che riguarda la fisica classica. Nella
fisica classica possiamo conoscere in ogni momento tutte le misure di un
oggetto, altezza, larghezza, lunghezza, volume, peso, e possiamo conoscere
anche la sua velocità e il suo tragitto nel caso l’oggetto si muova.
Questa possibilità di misura è alla base dei concetti di
causalità e determinismo, tanto cari alla fisica classica. Ogni evento ha una
CAUSA, in quanto è DETERMINATO da un altro evento. Se conosco la causa posso
calcolare l’effetto. In questo modo calcolo la traiettoria di un proiettile per
sapere quale punto colpirà oppure calcolo il viaggio di una navicella spaziale
per sapere quando e dove atterrerà. Mi basta conoscere alcuni valori, come il
peso dell’oggetto, la sua forma e la spinta che riceve.
3 Che c’è di diverso nel principio di Heisenberg?
Se il principio di indeterminazione di Heisenberg fosse
applicabile alla realtà macroscopica, significherebbe poter conoscere l’altezza
di una scatola da scarpe ma non la sua larghezza. Oppure, significherebbe conoscere
il suo peso ma non la sua profondità.
Nella fisica subatomica succede esattamente questo. Non
possiamo conoscere contemporaneamente la posizione di una particella e la sua
velocità, o viceversa. Se misuriamo un valore, la misurazione dell’altro è
assolutamente incerta. Dunque, nella fisica quantistica CAUSALITA’ e
DETERMINISMO non sono più concetti validi.
Nel suo sviluppo matematico il principio di Heisenberg ha
delle implicazioni ancora più sconcertanti quando sostiene che delle particelle
possono venire all'esistenza “dal nulla”, cioè in assenza dell'energia
necessaria alla loro creazione. Queste particelle sono prodotte a partire da
indeterminazioni dell'energia, usando una “energia temporanea” tratta dal
vuoto. Però, immediatamente dopo l’energia viene “restituita”, e le particelle
scompaiono. Si tratta di creazioni effimere dette “particelle virtuali”. Non
possono essere osservate ma lasciano una traccia della loro esistenza nei
livelli di energia degli atomi.
Queste tracce sono state effettivamente misurate. Qualcosa di
simile accade quando l’agente di una infezione scompare dal corpo ammalato, ma
restano gli anticorpi a testimoniare che l’infezione c’è stata.
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4 Il principio di complementarità di Niels Bohr.
Nello stesso anno 1927 Bohr partecipò al Congresso
internazionale dei fisici, che si tenne in Italia a Como in occasione del
centenario della morte di Alessandro Volta.
Nel corso di quel convegno Bohr enunciò il “principio di complementarità”.
Secondo questo principio tutti i fenomeni fisici presentano, a livello atomico
o subatomico, un duplice aspetto, corpuscolare e ondulatorio. Qualsiasi
tentativo si faccia per evidenziare uno dei due aspetti impedisce
l’evidenziazione dell’altro.
È difficile fare un esempio valido nella fisica classica.
Immaginiamo una carta da gioco, l’asso di cuori. Possiamo vedere
contemporaneamente il cartoncino di forma rettangolare e il disegno dell’asso
sovrapposto al cartoncino. Per ogni carta del mazzo possiamo vedere la forma e
il disegno. La carta da gioco è contemporaneamente forma e figura.
5 Che c’è di diverso nel principio di Bohr?
Se applicassimo il principio di complementarità alla carta,
potremmo vedere un solo aspetto alla volta. Se ci concentrassimo sulla forma
rettangolare, la figura dell’asso sarebbe una nube evanescente, uno sbuffo di
fumo disperso nell’aria. Viceversa, se volessimo concentrare l’attenzione sulla
figura dell’asso il cartoncino diventerebbe una forma indefinita, incorporea e
impalpabile.
Un oggetto subatomico, per esempio un fotone, è
contemporaneamente onda e particella, ma non possiamo osservarlo
contemporaneamente nei due stati. I due aspetti, corpuscolare e ondulatorio,
sono complementari e allo stesso tempo si escludono a vicenda, per cui
l'osservazione dell'uno preclude quella dell'altro.
6 Il probabilismo
Il principio di complementarità di Bohr e il principio di
indeterminazione di Heisenberg rappresentano la sintesi della fisica
quantistica. Non si può avere una rappresentazione causale dei fenomeni
quantistici nello spazio e nel tempo. Le grandezze di energia e quantità di
moto, che sono alla base della causalità della fisica classica, non possono
essere misurate con sufficiente precisione. La teoria quantistica nega la
causalità e il determinismo, e introduce un nuovo argomento, il probabilismo.
Nel regno quantistico nulla è certo, tutto è probabile. A livello quantistico
lo schermo su cui state leggendo queste parole non è un oggetto solido, è un
brodo ribollente di particelle in frenetica agitazione. I vostri sensi ve le
fanno percepire come se fossero ordinate a formare uno schermo, ma non
fidatevi. Si tratta di una illusione?
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