Andromeda

Nel numero scorso, avevamo concluso con le scoperte di Louis de Broglie secondo cui le particelle possono comportarsi come onde. Le orbite all'interno di un atomo

sono quantizzate, dunque un elettrone può saltare da un'orbita all'altra in misura

di un numero intero: un po' come un bambino che, per gioco, salta da una mattonella all'altra.

Una delle conseguenze della natura ondulatoria delle particelle è che creano delle frange di inteferenza con sé stesse; ipotesi confermata dall'esperimento della Doppia fenditura.

In buona sostanza, una sola particella passa contemporaneamenteattraverso due fenditure, non soltanto da una. Non ha una traiettoria dritta, precisacome quella di un proiettile, ma sinuosa come quella di un'onda. 

Nel 1925, Wolfgang Pauli, eminente fisico teorico ed eccellente matematico, enuncia il suo Principio di esclusione, che spiega come la struttura della materia rimanga stabile: pena, il collasso su se stessa. Per il fisico austriaco, all'interno di un atomo non possono esservi, nella stessa orbita, due elettroni con le medesime proprietà.

Dunque, provando ad immaginare che un elettrone giri su se stesso (non è proprio così) l'altro deve avere girare dal lato opposto. La proprietà di "rotazione" degli elettroni è detta spin. Peraltro, come altrove abbiamo ricordato, due elettroni non possono nemmeno stare fermi contemporaneamente. 

Assodato che una particella possiede caratteristiche ondulatorie, bisogna capire a quali regole soggiace la sua natura. Quali equazioni possano descriverla.

In questa impresa, si cimenta un'altra delle mentri brillanti di quegli anni:

Erwin Schroedinger, il fisico del famoso esperimento teorico con un gatto

come protagonista. 

Si narra che le idee più felici sulla fisica gli nascessero durante i suoi slanci amorosi

dedito com'era a correre dietro alle gonnelle. E durante una di queste avventure 

amorose, in uno chalet delle alpi svizzere, crea le equzioni che descrivono

il movimento di una particella, o libera o sottoposta ad una forza.

Semplificando davvero parecchio, Schroedinger descrive una 

cosiddetta funzione d'onda, sottoposta ad una variabile che lui chiama Ψ (psi, dall'afabeto greco) ma che egli stesso non sa di che natura sia. Questa equazione, rivisitata da Max Born, descrive la probabilità  di trovare un elettrone in un certo punto dello spazio in un determinato tempo. 

Stiamo, chiaramente, parlando di tempo e spazio infinitesimali che riguardano

la struttura atomica. E' come se la particella fluttuasse, ovunque, attorno al

nucleo atomico. Quando tale particella viene rilevata si ha il Collasso della funzione  d'onda. Cioè, indiviuduato l'elettrone, cessa la proprietà ondulatoria che gli pemette di essere ovunque quando non è osservato. Stavolta è lì: in quel punto, in quell'attimo. 

Il 1927, è l'anno di un altro fuoriclasse: Werner Karl Heinseberg. La realtà è indeterminata. 

Non si può conoscere nel medesimo istante la quantità di moto di una particella e la sua posizione e nemmeno energia e suo tempo di energia. Ci sarà sempre un'incertezza  circa l' una o l'altra misura.

Heinseberg intrattenne con Einstein un duraturo dibattiito intellettuale sulla natura

della realtà. 

Per il padre del principio di indeterminazione, la realtà esiste solo se osservata. 

Le proprietà di un corpo sussistono solo nell'ambito delle modalità in cui le si misura. 

Non esiste una realtà se non nell'ambito dell'osservazione e dell'esperimento. 

Albert Einstein, che della fisica quantistica era il primo precursore assieme a Max Planck, ma era un convinto determinista, formatosi sui testi del filosofo Ernst Mach, rifiutava  l'idea così incerta e indeterminata. 

Era convinto che la natura apparantemente casuale del mondo quantistico fosse dovuta ai limiti della conoscenza della fisica di quel tempo. 

Oggi sappiamo che a sbagliarsi era proprio Einstein.

Il mondo della particelle è dominato dai principi di incertezza e casualità.

Sintetizzando il concetto, le cose accadono anche per puro caso.

Tornando all'atomo, oggi, grazie alle scoperte appena descritte, si è abbandonata

l'idea che l'elettrone giri intorni all'atomo un po' come i pianeti girano intorno al Sole.

Il concetto delle particelle con una traiettoria ben definita, ha lasciato il testimone

alla Nuvola di probabilità: una zona tutta attorno al nucleo atomico in cui c'è la 

possbilità che l'elettrone vi si trovi. Non possiamo sapere dove l'elettrone sia

possiamo calcolarne la probabilità in merito alla posizione. 

Tuttavia, gli orbitali (cioè le posizioni) dipendono dall'energia che l'elettrone ha. 

Se non attraverso ben complessi procedimenti fotografici, fatti di numerosi passaggi tecnici, non è possibile vedere gli elettroni. E si tratta pur sempre di elaborazioni grafiche che restituiscono un'immagine ingrandita migliaia di volte. Gli elettroni si individuano risolvendo le equazioni di Schroedinger nell'ambito di un sistema in esame. La soluzioneci dice dove l'elettrone si trova. 

Una cosa sembra fuor di dubbio: il mondo quantistico rappresenta la nuova frontiera della fisica. E dal suo studio, potrebbero venire le risposte sull'origine del cosmo.

Per redarre questo articolo mi sono avvalso dei libri e delle lezioni video dell'astrofisico Gabriele Ghisellini e della biografia di Albert Einstein, edita da Walter Isaacson.