Cos’è la meccanica quantistica?

Il mondo che conosciamo è composto da particelle minuscole il cui comportamento è davvero strano. Per questo la meccanica quantistica è così importante: essa descrive con precisione l’essenza della materia: atomi, molecole e onde.

Ma che cos’è la meccanica quantistica? Scopriamolo insieme!

IL CONTESTO STORICO

Siamo tra la fine dell’Ottocento e la prima guerra mondiale. Bisogna immaginare che tutto sta cambiando in modo rapidissimo: sta arrivando l’illuminazione elettrica, sono state inventate la radio, l’automobile, il cinema e tante altre comodità che rendono la vita più facile per molte persone nel mondo.

Questo periodo viene chiamato Belle Époque, dal francese “epoca bella”, in cui artisti e scienziati sono in fermento in tutte le grandi capitali d’Europa, dappertutto si respira un clima di grande ottimismo.

Anche la fisica vive in questi anni la sua Belle Époque: gli scienziati sono convinti di avere nelle loro mani una visione completa dell’intero universo!

Pensano di poter descrivere tutti i fenomeni naturali grazie a tre importanti teorie: la meccanica classica newtoniana, che spiega il movimento dei corpi, l’elettromagnetismo che spiega i fenomeni elettrici e magnetici e la meccanica statistica. Quest’ultima è una disciplina recente e strana, che vuole studiare come cambiano le caratteristiche, per esempio pressione, volume e temperatura, di un sistema formato da tante particelle (come un gas!).

Come ci insegna la storia, spesso le risposte portano solo ad altre domande… Ed è quello che è successo tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento.

In questo periodo si ha un grandissimo sviluppo tecnologico che permette, pian piano, di misurare cose che prima non erano misurabili. Per esempio strumenti che permettono di fare misure a temperature molto basse, o di studiare cosa succede in condizioni di quasi vuoto.

Quello che noi oggi diamo scontato, come l’esistenza degli atomi o la struttura delle molecole, in quel periodo era sconosciuto o poco compreso e la possibilità di fare esperimenti pratici ha permesso di andare in profondità nello studio di com’è fatta la materia che ci circonda.

Man mano che le osservazioni si facevano approfondite risultavano delle incongruenze, dei fenomeni che non potevano essere spiegati con la fisica conosciuta…

LE STRANEZZE DELLA MECCANICA QUANTISTICA

Il concetto di “quanto” fu introdotto da Max Plank nel 1900: per capire che cosa sono i quanti (ve lo diciamo più sotto) bisogna partire dalla spiegazione del paradosso dell’effetto fotoelettrico: è qui che possiamo individuare la nascita della meccanica quantistica.

L’autore della scoperta fu il grande scienziato Albert Einstein che, per questa teoria, vinse il premio Nobel per la fisica! Per farci spiegare cos’è l’effetto fotoelettrico e il paradosso che ne deriva abbiamo contattato Paolo Umari che, all’Università degli Studi di Padova, si occupa di fisica della materia e insegna meccanica quantistica.

“Per iniziare dobbiamo capire cos’è la radiazione elettromagnetica. Se pensiamo a un oggetto metallico scaldato sul fuoco sappiamo che, dopo un po’, diventa incandescente e luminoso.

Questa luce emessa è proprio radiazione elettromagnetica.”

All’inizio del secolo scorso si era visto che, prendendo un pezzo di metallo e mandandogli addosso della radiazione elettromagnetica si potevano osservare alcuni elettroni fuggire via dal metallo. Questo succedeva solo se la frequenza della luce superava un certo valore e ciò contraddiceva le teorie legate alla fisica classica.

“Secondo Einstein la radiazione elettromagnetica viaggia in “pacchetti” che hanno una determinata energia e che sono chiamati fotoni. Solo i pacchetti che hanno una certa energia, superiore al valore di soglia, riescono a far fuoriuscire degli elettroni dal metallo.”

Questi pacchetti sono i quanti.

È con questa spiegazione che nacque la meccanica quantistica ma subito iniziarono le stranezze. La teoria elettromagnetica ci dice che la luce è un’onda; Einstein dice che è una particella, il fotone.

La luce ha un comportamento a volte ondulatorio e a volte corpuscolare.

 Ma non è finita qui, anche le particelle di materia, come gli elettroni, a volte si comportano come onde! 


Può succedere, per esempio, che alcuni elettroni riescano ad oltrepassare una barriera senza nessuna apparente spiegazione. Si chiama effetto tunnel e lo possiamo immaginare così:

“Un ragazzo sta andando sullo skateboard e si trova davanti un ostacolo. Sappiamo che può arrivare in cima all’ostacolo e proseguire solo se, all’inizio, aveva abbastanza velocità. Questo non succede agli elettroni che possono trovarsi oltre l’ostacolo anche senza possedere l’energia necessaria per superarlo!”

Con tutta questa grande confusione di onde e particelle, come possiamo trovare il confine tra mondo quantistico e mondo non quantistico?

Ancora non si sa, è un campo di studio ancora aperto. Quello che sappiamo è che lo skater della foto qui sopra non può pensare di superare l’ostacolo sperando nell’aiuto della fisica quantistica!

LA MECCANICA QUANTISTICA

La comprensione delle basi della meccanica quantistica ha pian piano permesso lo sviluppo di moltissime applicazioni e dispositivi.

“Una delle tecnologie più importanti basate sulla meccanica quantistica è il transistor, un elemento fondamentale di tutta l’elettronica. Insomma, senza meccanica quantistica non avremmo nemmeno la musica rock!”

Quella del professor Paolo Umari è una frase detta per gioco, ma la cosa fondamentale da tenere in considerazione è che la fisica quantistica la troviamo ovunque attorno a noi.

Telefonino, schermo a cristalli liquidi, laser. In più la meccanica quantistica, assieme all’elettromagnetismo, ha permesso di spiegare in dettaglio i fenomeni chimici!

Se parliamo di applicazioni della meccanica quantistica non possiamo dimenticarci della più esotica: l’idea di poter costruire dei computer quantistici.

Alla base di questa teoria c’è una cosa chiamata entanglement, ovvero la possibilità di “sincronizzare” due particelle, per esempio elettroni. Se separo questi due elettroni sincronizzati succede che, se modifico qualcosa sul primo, istantaneamente si avrà la modifica anche sul secondo!

I computer quantistici dovrebbero funzionare con un certo numero di particelle sincronizzate assieme e permetterebbero di risolvere dei problemi complessi molto più velocemente dei computer normali.

La scomposizione di un numero nei suoi numeri primi!

Sembra un compito facile quello di trovare i numeri primi che, moltiplicati tra di loro, ci danno il numero di partenza, ma non è per nulla così. Per numeri grandi un computer tradizionale impiega moltissimo tempo ma uno quantistico dovrebbe riuscirci in pochi secondi!