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La nuova meccanica quantistica

La nuova meccanica quantistica

La nuova fisica quantistica  

Nel 1905 Albert Einstein, per spiegare l’effetto fotoelettrico, postulò che la luce debba essere composta da “Quanti di Luce”, cioè particelle che oggi conosciamo come Fotoni. Louis de Broglie postulò nel 1924 che anche le particelle dotate di massa debbano presentare caratteri ondulatori. Più precisamente l’ipotesi di De Broglie è che una particella con una certa massa e velocità sia equivalente ad una onda la cui frequenza si trova dividendo il prodotto della massa e della velocità della particella per la costante di Planck. Nel 1927, dunque solo tre anni dopo, furono osservati gli effetti dell’interferenza con un fascio di elettroni con una sottile pellicola metallica. Anche gli atomi, dunque, si possono comportare come la luce dando luogo a fenomeni di interferenza. Questi nuovi risultati rappresentarono un nuovo importante tassello per dare sostanza all’ipotesi quantistica.

Fino a questo punto, lo studio della fisica sub-atomica andò avanti solo tramite ipotesi e postulati: Planck ipotizzò che gli scambi di energia nei fenomeni di emissione e di assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche avvenissero in forma discreta e non in forma continua. Einstein ipotizzò che la radiazione elettromagnetica fosse costituita da pacchetti di luce. Bohr ipotizzò che gli elettroni ruotassero attorno al nucleo solo su orbite circolari per le quali il valore del modulo del momento angolare è un multiplo intero della costante di Planck. De Broglie postulò che una particella con una certa massa m e velocità v fosse equivalente ad un’onda con frequenza proporzionale al prodotto m*v diviso la costante di Planck. Ma esisteva una teoria in grado di spiegare tutto questo in maniera coerente?

Nel 1925 il fisico tedesco Werner Heisenberg pubblicò la prima versione completa di quella che verrà chiamata “Meccanica delle Matrici” estendendo il modello atomico di Bohr e giustificando dal punto di vista teorico l’esistenza dei salti quantici. Successivamente il fisico austriaco Erwin Schrödinger pubblicò la sua teoria basata su un’equazione che è alla base della Meccanica Ondulatoria e che verrà chiamata appunto “Teoria di Schrödinger”.

Ma perché questi due metodi, benché diversissimi tra loro in quanto a formalismo matematico e funzionamento, fornivano la stessa risposta ai problemi spinosi insorti nella meccanica quantistica? In realtà la meccanica delle matrici e la meccanica ondulatoria erano due facce della stessa medaglia, ma per dimostrarlo ci volle un altro genio. Il fisico inglese Paul Dirac dimostrò matematicamente l’equivalenza tra la formulazione di Heisenberg e quella di Schrödinger, indicando che erano entrambi casi particolari della cosiddetta teoria delle trasformazioni. Ma allora la materia e la luce sono formate da onde o particelle? Niels Bohr, nel 1927, prova a superare questo dilemma enunciando il principio di complementarietà secondo il quale una descrizione completa della materia e della luce non può fare riferimento solo alla sua natura ondulatoria o solo alla sua natura particellare ma deve necessariamente includerle entrambe. Questo porta al cosiddetto dualismo onda-particella. Il dualismo onda-particella è un principio della fisica quantistica, per il quale gli oggetti fisici possono essere descritti sia come onde sia come particelle.

Ma questo Principio solleva problemi non indifferenti, poiché le onde si espandono nello spazio, si rafforzano o si indeboliscono sovrapponendosi e possono stare allo stesso tempo in posti diversi mentre le Particelle si possono trovare in un dato momento solo in un dato punto. Immaginate un qualcosa che può essere contemporaneamente descritto come un proiettile di una pistola, quindi una particella che sta ad ogni istante in una certa posizione, e un’onda sonora che invece è delocalizzata.

Cosa significa trattare oggetti materiali come onde? Significa che le leggi fisiche non ci dicono, ad esempio, dove è un elettrone, ma solo la probabilità di trovarlo in un posto piuttosto che in un altro! Dalle leggi della Meccanica Quantistica discende il fatto che esistono precisi limiti nella misurazione e dunque nella conoscenza dei valori di grandezze fisiche come, ad esempio, la posizione e la velocità di una particella.

Questa impossibilità di conoscere perfettamente i valori di tutte le grandezze fisiche in gioco viene chiamata Principio di indeterminazione e fu enunciato da Heisenberg e poi confermato da innumerevoli esperimenti. Fu riconosciuto solo in seguito essere conseguenza delle leggi della Meccanica Quantistica e dunque non un Principio indipendente. Questo rappresenta un concetto cardine della fisica quantistica e sancisce una radicale rottura rispetto alle leggi della fisica classica. Nella fisica classica, infatti, è possibile conoscere la velocità e la posizione di un determinato oggetto con una precisione arbitraria, mentre leggi della natura che si applicano al mondo subatomico, determinate dalla fisica quantistica, sembrano rispondere in maniera completamente diversa andando perfino in contraddizione con le leggi della fisica classica. L’avvento della meccanica quantistica segnò una svolta nella fisica poiché fu capace di fornire un quadro organico della fisica atomica e molecolare. Fu secondo Fermi l’epoca delle vacche grasse, un’epoca di grandi scoperte che hanno rivoluzionato la fisica e aperto nuovi orizzonti.