La fisica quantistica: il mondo dell'immensamente piccolo
(Prima Parte)
Negli ultimi anni dell'Ottocento e all'inizio del Novecento, la fisica era regolata dalle leggi sul moto dei corpi enunciate da Newton. Il mondo microscopico era descritto dagli atomi. L'impalacatura era questa: l'elettrone aveva natura corpuscolare (come un piccolo mattoncino), alla luce corripondevano caratteristiche ondulatorie. Proprio agli inizi del ventesimo secolo, un particolare esperimento del fisico Max Planck era destinato a cambiare per sempre il mondo della scienza e non solo. Planck stava misurando la variazione di calore in diversi intervalli di tempo, all'interno di un corpo nero (un forno). Ma considerando l'energia, quindi il calore, come un qualcosa di natura ondulatoria, i conti non tornavano. Per comodità, considerò l'emissione di energia a piccoli pacchetti. Una trovata matemetica per risolvere un probelma pratico. Per avere una vaga idea: un po' come quando aggiungiamo moneta alla cifra che dobbiamo pagare per facilitare la cassiera nel darci il resto. Più tardi, Einstein, con lo studio sull'effetto fotoelettrico, che anni dopò gli varrà il Nobel, spiegherà che l'energia non è continua ma emessa in piccole unità. Dunque la trovata matematica di Planck rispecchiava la natura: i quanti di energia (fotoni) si comportano sia come onde sia come particelle. E anche l'elettrone (mattoncino della materia) ha questa doppia natura: è sia onda sia particella. Un altro noto esperimento, detto della doppia fenditura, chiarirà che il mondo quantistico è fatto così: finché non lo osserviamo, fa una cosa; se lo osserviamo, ne fa un'altra. E' dunque l'osservatore a deteriminare cosa succede. Sembra pazzesco, ma è così. Questi aspetti bizzarri tolsero il sonno ai fisici dell'epoca. La diatriba fra Albert Einstein e Niels Bohr durerà per anni. Il fisico tedesco, padre della relatività, pensava che lo strano comportamento dei quanti fosse da attribuire non alla loro natura ma al deficit di conoscenze della comunità scientifica. Insomma, per Einstein c'era qualcosa che sfuggiva. Il danese Bohr, al contrario, era convinto che la fisica quantistica fosse di quella natura strana. Non c'era nulla di sbagliato nelle equazioni che la descrivevano. Suo malgrado Einstein dovette arrendersi all'evidenza: aveva ragione Bohr.
Ma vediamo su quali basi poggia la fisica quantistica.
1) La particelle sia della materia che della luce hanno doppia natura: ondulatoria e corpsucolare. I quanti di materia sono gli elettroni, i quanti di energia sono i fotoni. A livello subatomico, la materia ha natura ondulatoria. E solo all'atto dell'osservazione che se ne evince l'aspetto corpuscolare. Il primo fisico ad intuire questa doppia natura fu Louis De Broglie.
2) Non è possibile conoscere al tempo stesso la velocità e la posizione di una particella perché se siamo impegnati a misurare l'una, non possiamo accuratamente misurare l'altro aspetto. Un po' come fotografare una macchina in corsa: o abbiamo il dettaglio preciso della vettura o abbiamo il dettaglio dello sfondo. Questo principio prende il nome dal fisico che lo ha enunciato: di Heinseberg. Non dipende dagli strumenti di misura ma è insito nella natura stessa delle particelle.
3) Se facciamo interagire due quanti di materia per un certo periodo di tempo, essi diventano un unico sistema e, una volta separati, anche a kilometri di distanza, rispondono simultaneamente alle medesime sollecitazioni. Quindi, se "pestiamo i piedi" al primo quanto anche il secondo dirà, istantanemente: ahi! Su questo concetto sembrava andare in frantumi un caposaldo della fisica moderna, ossia l'impossibilità di superare la velocità della luce. Se un'informazione passa da un sistema all'altro istantaneamente, vuol dire che la velocità della luce è stata abbatuta. In realtà fra le due particelle non avviene alcuna comunicazione. Non c'è un passaggio di informazioni fra l'una e l'altra. E' un aspetto intrinseco al sistema. Esempio: ci sono due scatole, in una c'è un numero pari, nell'altra il dispari. Appena io apro la mia scatola scopro di avere il numero pari, di conseguenza nell'altra scatola, che ha preso il mio amico, c'è il numero dispari. E una cosa che apprendo istantaneamente, non sto comunicando nulla al mio amico.
La prossima settimana cercheremo di capire meglio alcuni aspetti.
