Uno speciale dedicato alla Meccanica Quantistica non si può intitolare, tanto per dirne una, “Teoria dei quanti spiegata in modo semplice”. Non abbiamo intenzione di farvi digerire formule difficili e concetti impossibili, ma non si può nascondere che ciò di cui tratteremo riguarda una teoria paradossale che, ancora oggi, suscita non poche perplessità agli stessi scienziati che se ne occupano.

    Nessuno la comprende davvero” ha ammesso, nel 1965, il famoso fisico Richard Feynman.

    Quando si studia l’infinitamente piccolo, dare un senso al termine ‘misurare’ diventa complicato; la stessa misurazione può incidere notevolmente sul sistema oggetto di studio. Vi spiegheremo perché.

    La meccanica quantistica (detta anche fisica quantistica o teoria dei quanti), insieme alla teoria della relatività, ha stravolto la fisica classica rappresentando un vero punto di svolta per la nascita della fisica moderna. La fisica atomica, nucleare e subnucleare, la fisica delle particelle e della materia condensata si basano sulla teoria quantistica dei campi.

    Ci addentriamo in un mondo misterioso, quello microscopico, popolato da infinite particelle ancora da capire, decifrare, scoprire. Sfugge ai nostri sensi, all’intuizione degli scienziati più geniali ma, in un mondo sempre più inesorabilmente votato alla legge quantistica come il nostro, non possiamo non domandarci “a che punto siamo” in termini di applicazioni di questa rivoluzionaria teoria.

    Ci siamo immersi in questo speciale da comuni mortali appassionati della materia per scavare nelle teorie, applicazioni, dibattiti, perplessità, iniziando da zero.

    E’ il piede giusto per partire, l’unico che possa rendere accessibile a tutti una teoria che gli stessi creatori non comprendono appieno, ma pur sempre l’unica che si è dimostrata in grado di spiegare il comportamento della materia nell’universo microscopico.

    Meccanica Quantistica: atomo, particella, quanto

    La prima domanda per iniziare la lettura senza agitarsi troppo è: “Che cos’è il quanto?”.

    Simbolo dell'atomo

    Quantum, quantità in latino.

    Per la Meccanica Quantistica il quanto è una quantità discreta e indivisibile di una determinata grandezza. Spesso, viene usato come sinonimo di particella. Nella teoria quantistica dei campi, il termine quanto si usa genericamente: le particelle vengono considerate quanti di un campo di forze (i fotoni, ad esempio, sono quanti del campo elettromagnetico).

    Fisica quantistica e fisica classica (newtoniana) formulano concetti diversi riguardo alle grandezze.

    La meccanica classica, come pure l’elettromagnetismo, conclude che tutte le grandezze possono adottare un insieme di valori continuo.

    Per la Meccanica Quantistica, in certi casi, queste grandezze possono racchiudere in sé soltanto un insieme discreto di misure multiple di in valore essenziale che non può essere scomposto.

    Uno dei principali quanti studiati (sviluppati dal modello atomico di Bohr) si riferisce alla quantizzazione dell’energia: questa teoria stabilisce che gli elettroni di un atomo possono essere presenti soltanto in certi livelli energetici.

    La differenza tra atomo e quanto? L’atomo può essere scisso in protoni, neutroni ed elettroni mentre il quanto è una particella che non può essere divisa. Questo concetto è stato introdotto, per la prima volta, da Planck nel 1900 e, poi, ripreso da Einstein.

    Meccanica Quantistica: un po’ di storia

    Mentre Ernest Rutherford, alla fine del XIX secolo, insisteva sul fatto che l’atomo fosse costituito da protone ed elettrone (particelle cariche), la meccanica quantistica si rivelò, nel XX secolo, una teoria fisica rivoluzionaria.

    Già nel 1900, Max Planck aveva teorizzato che le vibrazioni generate dal calore di un corpo si ripartivano seguendo una certa legge, retta dalla costante h: per un po’, dovette sopprimere la teoria dei quanti ma, in seguito, non poté far altro che confermarla.

    L’idea di funzione d’onda su cui si basa la Meccanica Quantistica fu avviata da Bohr, Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, Heisenberg, Pauli e Schrodinger.

    La quantizzazione: il punto di partenza della meccanica quantistica

    La quantizzazione è la principale caratteristica di questa misteriosa teoria. In che consiste?

    Nell’insondabile mondo microscopico, le quantità fisiche (ad esempio, l’energia) non sono scambiabili in modo continuo ma a ‘pacchetti’, a ‘quanti’. E’ la stessa differenza che passa tra l’acqua che fluisce dal rubinetto (e che si può dosare a piacimento) e bicchieri o bottiglie d’acqua dal volume prestabilito.

    Facciamo un esempio pratico con la luce: i fotoni (corpuscoli di energia) di cui è composta la luce possono essere assorbiti dagli atomi non in modo continuo ma a pacchetti (1,2,3, ecc., e non mezzo fotone o 2,3 fotoni).

    Il duplice comportamento dei quanti: onde e particelle

    Isaac Newton padre della fisica classica considerava la luce solo come onda e l’elettrone solo come particella. La fisica quantistica descrive, invece, il comportamento di materia e radiazione considerando la relative interazioni di entrambe come fenomeni ondulatori ma anche come fenomeni particellari (dualismo onda/particella).

    Nel 1924, De Broglie ipotizzò che tutta la materia manifestasse lo stesso dualismo: elaborò la teoria delle onde materiali secondo cui ai corpuscoli materiali possono associarsi proprietà ondulatorie. Louis de Broglie segnò, in tal modo, il primo passo verso la meccanica quantistica vera e propria.

    Bohr capì che la natura della materia e della radiazione non doveva essere concepita solo come onda o come particella; sia l’elettrone sia il fotone sono, contemporaneamente, corpuscolo e onda.

    Il punto più importante del dibattito scientifico è proprio questo: la dualità del quanto legato alla lunghezza d’onda, la sua duplice caratteristica corpuscolare e ondulatoria.

    Secondo l’elettrodinamica quantistica relativistica, l’interazione elettromagnetica tra particelle cariche viene generata tramite scambio di fotoni: l’interazione gravitazionale avviene per scambio di gravitoni mentre le interazioni forti e deboli si verificano attraverso i bosoni.

    Gli scienziati spiegano che le particelle hanno una doppia natura: talvolta si comportano come corpuscoli, altre volte come onde. A dimostrare la dualità onda-particella della materia è stato, nel 1927, l’esperimento della doppia fenditura (in cui gli elettroni si comportano come la luce) che ha rappresentato la chiave per comprendere la meccanica quantistica.

    Questa duplice natura del quanto fa la differenza tra fisica tradizionale e Meccanica Quantistica: la prima riesce a calcolare precisamente la traiettoria di un pianeta o di un proiettile, la seconda è caratterizzata dall’imprevedibilità della particella. Più si conosce la sua posizione, più incerta diventa la sua velocità o viceversa.

    Gli scienziati si trovano di fronte a questo strano mondo di onde che si comportano come particelle, di particelle che superano barriere come spettri e che interagiscono telepaticamente.

    Applicazioni della meccanica quantistica

    La misteriosa ed affascinante teoria della Meccanica Quantistica fa discutere sempre più non soltanto scienziati ma anche filosofi. Ispira la cultura, film, opere d’arte, libri ed è in grado di spiegare tantissimi fenomeni. Una buona parte delle moderne tecnologie ricorrono alla Meccanica Quantistica.

    Le applicazioni vanno dai laser al microscopio elettronico, dalla risonanza magnetica ai calcoli di chimica computazionale, dall’elettronica (ad esempio, i pannelli fotovoltaici) all’informatica. Tutta la chimica moderna si fonda sui principi della Meccanica Quantistica, sullo studio delle funzioni d’onda e di come queste cambiano con la formazione dei legami chimici.

    Si stanno facendo molti sforzi per sviluppare computer quantistici basati non su bit ma su qubit ma anche una crittografia quantistica in grado di garantire una trasmissione d’informazioni incredibilmente sicura.

    L’effetto tunnel

    L’effetto tunnel è un fenomeno collegato alla meccanica quantistica: è questo effetto a rendere possibile la fotosintesi, la vita stessa.

    Le particelle, come abbiamo già detto, si comportano come fantasmi: superano barriere energetiche all’interno dei nuclei così come uno spettro attraversa un muro.

    L’effetto tunnel spiega, in questo modo,  il decadimento delle sostanze radioattive o la propagazione della luce a velocità 4,7 superiore a quella presente nel vuoto.

    Entanglement e teletrasporto

    L’effetto tunnel è già, di per sé, inquietante e ci prepara ad un fenomeno ancora più bizzarro: l‘entanglement (intreccio luminoso). Immaginiamo di usare due monete con due facce (testa o croce) come se fossero due fotoni: girando all’infinito mostrano le due facce. Sottoponiamo le due monete all’esperimento dell’entanglement programmando di proiettarli ai lati opposti dell’universo.

    In base alla Meccanica Quantistica, se eseguiamo una misurazione su una delle due monete ottenendo come risultato ‘testa’, l’altra moneta smetterà di trovarsi in una condizione incerta. Misurando la seconda moneta (dopo un secolo o un minuto, non importa) il risultato, statene certi, sarà ‘testa’. Contatto telepatico?

    L’entanglement si può applicare per eseguire un esperimento di teletrasporto quantistico. Per riuscire, ad esempio, a trasferire un fotone dal punto A al punto B, è necessario disporre di altri due fotoni (uno in A e uno in B). Il fotone da teletrasportare si farà interagire con il primo in A comunicando all’altro che si trova in B l’esito dell’operazione. Questa ‘mossa’ servirà a suggerire all’osservatore che si trova al punto B in che modo potrà manipolare il secondo fotone sottoposto ad esperimento entanglement allo scopo di ottenere un clone del fotone da teletrasportare.

    Nell’ottobre del 1998, il fenomeno entanglement è stato confermato definitivamente grazie al successo di un esperimento eseguito dall’Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, in California.

    I computer quantistici del futuro viaggiano in qubit

    L’entanglement, come abbiamo visto, si può definire un gioco di scambio d’informazioni, più che un trasferimento di materia, seppure 2 fisici australiani dell’Università del Queensland, non molto tempo fa, abbiano ideato il teletrasporto temporale spostando il loro interesse dallo spazio al tempo nel tentativo di eseguire calcoli complessi nei loro esperimenti di entanglement. Semmai l’esperimento riuscisse, gli studiosi otterrebbero il prototipo assoluto di macchina del tempo.

    Al momento, il teletrasporto è al centro degli studi per lo sviluppo di computer quantistici del futuro. Il primo computer quantico in assoluto è stato creato nel 2011: basa i suoi calcoli sulla dinamica quantistica.

    A che punto sono gli scienziati con questo tipo di cervelloni? Ancora in alto mare.

    Nei computer quantistici vengono elaborati qubit (anziché bit) in grado di bruciare incredibilmente i tempi (potrebbero eseguire in poco tempo il lavoro di anni dei normali calcolatori).

    bits pbits qubits quantistica

    Con appena 300 qubit si potrebbe oltrepassare il numero di particelle presenti nell’universo. L’obiettivo raggiunto, finora, dagli studiosi è la gestione di una manciata di qubit.

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    La posizione del quanto in uno spazio di possibilità

    Con la fisica tradizionale si può misurare sempre, in qualsiasi momento e con precisione qualsiasi oggetto (posizione, energia, velocità, ecc.). Con la meccanica quantistica non è così: non sapremo mai esattamente la posizione di un quanto basandoci su formule ma soltanto una serie di possibilità riferite alla sua posizione. Il quanto si trova in uno spazio di Hilbert ovvero in uno spazio di possibilità, in uno stato indefinito. Può trovarsi nel punto A, nel punto B ma, finché non lo misuriamo, non sapremo mai dove si trova esattamente.

    Nel momento in cui viene misurato, è come se il quanto ‘decidesse’ quale posizione scegliere tra le varie possibilità neanche avesse il libero arbitrio. Il risultato, ogni volta che si misura, può cambiare.

    La fisica quantistica non può spiegare chi o cosa decide la posizione assunta dal quanto nel momento in cui si decide di misurarla, così come non sa prevedere la posizione scelta. Si pensa ad un fattore casuale, perciò si parla di principio di indeterminazione. Questo vale per la posizione del quanto ma anche per la sua velocità e per gli altri valori da misurare (i cosiddetti autovalori).

    Finché non vengono osservate, tutte le proprietà del quanto sono indeterminate (in un range di possibilità). Oltretutto, è possibile misurare una sola proprietà per volta: non si possono misurare contemporaneamente velocità e posizione perché uno dei due resterà indeterminato.

    Considerando questo, come si possono allora creare computer quantistici? Il punto è che i risultati indeterminati si riferiscono alle singole particelle, mentre è possibile prevedere il comportamento collettivo di un sistema di quanti che agisce all’unisono.

    In attesa della Teoria del Tutto

    Ci ha già provato il filosofo greco Pitagora, nel VI secolo a.C., a dare la caccia ad una Teoria del Tutto che spiegasse il mondo intero in un’unica formula, affidando ai numeri il gravoso compito di tenere unito l’universo. Qualunque fisico è spinto ad andare in cerca della Teoria del Tutto, è la missione più grande, più ambita di ogni studioso.

    Attualmente, si lavora per sviluppare la Teoria delle stringhe (Teoria M) costituita da 5 teorie da applicare in ambiti diversi, paragonabili a 5 mappe che, unite tra loro, rappresentino l’intero paesaggio terrestre.

    Concludiamo lo speciale lasciandovi ad un video in cui Roberto Battiston spiega la meccanica quantistica a tutti.

     

    La meccanica quantistica scatena domande

    Per una teoria misteriosa come quella su cui si basa la Meccanica Quantistica, partendo dalla fisica è facile passare ai più svariati quesiti che interessano filosofia e cultura. Stravolge le idee di sempre, piega secolari convinzioni dell’uomo, scatena domande come queste.

    • Il mondo è materia o informazione?

    Pensando al teletrasporto quantistico accennato prima, abbiamo visto che gli esperimenti di entanglement si basano perlopiù su uno scambio di informazioni, non su un trasferimento di materia.

    Siamo fin troppo abituati, oggi, a vivere di scambio d’informazione, suoni, foto, video via Internet: tutto questo è stato reso possibile dai mattoncini digitali noti come bit. È impossibile non domandarsi se la realtà sia formata da informazioni piuttosto che da materia. È un quesito ispirato al film Matrix, che ritrae un gigantesco cervello elettronico, una matrice che simula il mondo.

    A differenza dei bit, i qubit sperimentati dalla Meccanica Quantistica superano il concetto stesso di informazione come la conosciamo oggi. Permettono (anzi, potrebbero permettere) operazioni e combinazioni di calcolo inimmaginabili, di una complessità sconosciuta.

    • I quanti possono prevedere il destino?

    No, esiste il caso, il calcolo delle probabilità, l’imprevedibilità. Il principio di sovrapposizione di stati insegna che un quanto può trovarsi in qualsiasi punto del campo, può propagarsi come una nebbia in più luoghi simultaneamente.

    • Dubbi sul principio causa/effetto

    La scienza classica non ha mai messo in dubbio il principio secondo cui la causa preceda l’effetto di ogni vicenda umana. In apparenza, la Meccanica Quantistica sembrerebbe violare questo principio: in realtà, il calcolo preciso di questa scienza eseguito in alcuni aspetti evolutivi delle particelle si alterna al calcolo delle probabilità per altri aspetti difficili da prevedere. Una cosa è certa: la teoria quantistica non fa precedere l’effetto alla causa né considera questi due aspetti scollegati tra loro.

    • La realtà è negli occhi di chi la osserva

    La frase “Dio non gioca a dadi” di Einstein è rimasta nella storia della fisica ma, a quanto pare, la sua teoria (secondo cui la realtà è determinata a priori e non dipende da chi la osserva) è stata confutata da Bohr che, in tutta risposta, disse: “Il compito degli scienziati è scoprire il mondo, non dire a Dio come funziona”.

    Ogni cosa per esistere deve essere percepita: ci credevano il filosofo britannico George Berkeley ed il filosofo tedesco Immanuel Kant, nel ‘700. Questo concetto torna prepotentemente alla ribalta con la Meccanica Quantistica che insegna: “per individuare la posizione di una particella occorre illuminarla”, “per osservare la realtà, è inevitabile disturbarla”. Ciò che lo scienziato di quantistica studia e sperimenta dipendono anche dal suo livello di osservazione.

    In sostanza, è l’osservatore ad influenzare il quanto, a determinare il suo comportamento nel momento stesso in cui si osserva.

    • La vuota illusione

    Già Aristotele, nel IV secolo negava l’esistenza di un vuoto. A questo totale rifiuto dell’idea di un luogo dove non c’è nulla si è associata la Chiesa (intollerante all’idea di luoghi senza Dio) e l’Occidente, per millenni. La fisica ha dimostrato che il vuoto si può creare (togliendo l’aria da un contenitore, per esempio) ed anche il vuoto perfetto, un luogo completamente privo di luce e atomi.

    Per la Meccanica Quantistica il vuoto è impossibile. Anche quello cosiddetto perfetto racchiuderebbe in sé incommensurabili flussi di energia capaci di generare particelle virtuali nate dal nulla e che al nulla tornano in brevissimo tempo.

    • Il principio di località è morto

    Navigando su Internet lo spazio si annulla ed anche nel mondo microscopico può succedere, in determinate condizioni: i famosi fotoni A e B utilizzati per sperimentare l’entanglement non sono altro che particelle ‘gemelle’ posizionate in punti opposti dell’universo ma che comunicano all’istante tra loro telepaticamente. L’entanglement rigetta per sempre il principio di località suggerendo l’idea di una vita vissuta in un tutto dinamico, interconnesso, indivisibile.

    La fisica newtoniana deterministica lascia il posto ad una descrizione probabilistica in cui stati e proprietà dell’universo microscopico non sono determinati a priori, ma diventano realtà soltanto se vengono misurati o se entrano in contatto con altri oggetti.

    Libri per approfondire la conoscenza della Fisica e Meccanica Quantistica

    Possiamo trovare online o nelle librerie locali molti testi riguardanti la quantistica noi però vorremo consigliarvi i seguenti: 

    1. La realtà non è come ci appare. La struttura elementare delle cose
    2. Il mondo dei quanti. La fisica quantistica per tutti
    3. Quantum. Da Einstein a Bohr, la teoria dei quanti, una nuova idea della realtà