La fisica quantistica in 5 semplici domande

1. Onda, particella o entrambe?

I risultati nella fisica raggiunti dagli scienziati fino alla fine del XIX secolo sono oggi chiamati "fisica classica".

Descrive il comportamento del mondo materiale mediante le leggi scoperte da Isaac Newton, e descrive il comportamento della luce e delle altre radiazioni elettromagnetiche (dalle onde radio ai raggi gamma) mediante le equazioni d’onda di James Clerk Maxwell.

Nel mondo della fisica classica, le onde sono onde e le particelle sono particelle. Interagiscono le une con le altre - un elettrone che oscilla emette onde radio - ma conservano sempre la propria identità.

Anche la teoria della relatività generale (come la sua parente più semplice, la teoria della relatività speciale) funziona come una teoria classica, perché mantiene la distinzione tra onde e particelle, e l’idea che i cambiamenti avvengano in modo continuo.

La fisica quantistica ribalta tutto questo. Il primo indizio del fatto che serviva qualcos’altro rispetto alla fisica classica emerse quando Max Planck scoprì che poteva spiegare alcuni aspetti del comportamento della luce (come la natura della cosiddetta radiazione di corpo nero - vedi ‘Glossario’ al punto 5, sotto) considerando la luce come formata da particelle, non come un’onda continua.

Ma altri esperimenti mostravano ancora la luce comportarsi come un’onda! Poi si scoprì che gli elettroni, considerati particelle dalla fisica classica, si comportavano in alcune circostanze come se fossero onde. La dualità onda-particella, come è poi diventata nota, è al cuore della fisica quantistica.

2. Domina la fisica quantistica e che cos’è un quanto?

La dualità onda-particella non racconta tutta la storia della separazione tra fisica classica e fisica quantistica.

Nel mondo della fisica classica, una particella come l’elettrone ha una posizione definita nello spazio, e si muove in una direzione definita. Considerando tutte le forze che incontra lungo il percorso, puoi calcolare tutto quello che gli accadrà.

Questo si applica a tutte le particelle. Il mondo classico è detto "deterministico" perché una volta che sai dove si trovano tutte le particelle e dove stanno andando, puoi ricavarne l’intero futuro e l’intero passato.

Entrambi sono determinati dal modo in cui le cose stanno ora, il che non lascia molto spazio al libero arbitrio! E quello che a volte si chiama "universo-orologio di Newton".

Secondo la fisica quantistica invece, un elettrone non si trova mai in un luogo preciso (a causa della sua natura ondulatoria), e non puoi sapere con certezza dove sta andando. Questo è il "principio di indeterminazione" scoperto da Werner Heisenberg, che ha trovato un compromesso.

Gli oggetti quantistici possono avere una posizione relativamente ben definita e una direzione poco definita, oppure una direzione ben definita e una posizione incerta. Ma non possono avere entrambe. E il prezzo del libero arbitrio. Questo si lega con un’altra idea chiave della fisica quantistica - la probabilità.

Non puoi mai sapere con precisione dove un’entità quantistica si trovi o dove stia andando, ma puoi usare le regole della fisica quantistica per calcolare le probabilità, come la probabilità che un elettrone segua una certa traiettoria, o la probabilità che un campione di materiale radioattivo decada e emetta una particella in un certo tempo.

Ma che cos’è un quanto? Un quanto è la più piccola quantità che sia possibile avere di qualcosa. La più piccola quantità di luce che puoi avere, per esempio, è una particella chiamata fotone. Se hai una fonte di luce brillante, avrai molti fotoni che corrono fuori.

Ma a mano a mano che riduci la luce, ci sono sempre meno fotoni. Alla fine, ce ne sono così pochi che si possono rilevare uno alla volta. Gli astronomi lo osservano quando realizzano immagini di oggetti molto deboli usando lunghe esposizioni con dispositivi ad accoppiamento di carica {charge-coupled devices, CCD).

Quando gli atomi emettono luce, lo fanno riarrangiando i loro elettroni per irradiare energia. Come una palla che rimbalza in basso lungo una scala, l’elettrone salta da un livello di energia a un altro all’interno dell’atomo, e viene emesso un fotone.

Questo salto è chiamato salto quantico. Un salto quantico è il più piccolo cambiamento che è possibile fare - qualcosa da ricordare la prossima volta che vedi questa espressione usata nella pubblicità.

3. Possiamo vedere gli effetti quantistici e ci sono applicazioni pratiche?

La dimostrazione definitiva degli effetti quantistici all’opera è stata ottenuta da un gruppo di ricerca giapponese negli anni '80.

Hanno preso il classico esperimento che ‘prova’ come la luce sia un’onda e lo hanno adattato agli elettroni. 

L’esperimento tradizionale prevede di inviare un fascio di luce attraverso due fenditure in una lastra per ottenere uno schema su uno schermo posto dietro. Come increspature in uno stagno, le onde iniziano a diffondersi dalle fenditure e interferiscono le une con le altre producendo il caratteristico schema.

Nella variazione sul tema, i ricercatori giapponesi hanno inviato elettroni, uno per volta, attraverso un dispositivo equivalente contro uno schermo simile a quello di una televisione, dove ogni elettrone arrivando generava un singolo punto, mostrando di essere una particella.

Ma quando gli elettroni nell'esperimento diventavano centinaia, uno dopo l'altro, lo schema dei punti che si formava era quello dell’interferenza, e provava che gli elettroni sono onde.

Non preoccuparti se la cosa ti confonde. Il fisico Richard Feynman era solito dire che “nessuno capisce la fisica quantistica” - e per la fisica quantistica vinse il premio Nobel.

Ma ci sono applicazioni pratiche? La fisica quantistica applicata è ovunque intorno a noi. I microprocessori dei computer, anche quelli del tuo telefono, sono progettati usando la fisica quantistica e funzionano seguendone i principi.

I laser che leggono i dischi Blu-ray si basano sui principi quantistici elaborati per la prima volta da Albert Einstein 100 anni fa. I fisici hanno sviluppato strumenti chiamati dispositivi superconduttori a interferenza quantistica (superconducting quantum interference devices, SQUID), in cui le onde di elettroni viaggiano intorno a un anello di metallo della dimensione di una vera nuziale.

Sono rilevatori supersensibili di campi magnetici, e si usano in applicazioni molto diverse, tra cui gli scanner per la risonanza magnetica con cui i medici ‘vedono’ all'intemo del corpo umano. L'applicazione oggi più entusiasmante della fisica quantistica è nel nuovo campo dei computer quantistici.

I computer classici si basano su interruttori che possono essere accesi o spenti (0 oppure 1); per contro, un vero computer quantistico ha interruttori (singoli atomi o elettroni) che possono essere accesi e spenti nello stesso tempo. E la cosiddetta sovrapposizione, che rende i computer immensamente più potenti.

Nella foto in alto a sinistra, D-Wave. Sarà questo il primo computer quantistico? I produttori di D-Wave ne sono convinti, ma non hanno ancora svelato i dettagli del suo funzionamento. Quello che sappiamo è che opera a temperature prossime allo zero assoluto.

Lo scopo è sviluppare computer basati sulfidea di sovrapposizione della fisica quantistica. Questi computer quantistici faranno sembrare i computer classici primitivi come un abaco.

4. In che modo la fisica quantistica spiega l’energia del Sole e che cos’è l’antimateria?

Le stelle come il Sole rilasciano energia come risultato di un processo chiamato fusione nucleare.

In parole povere, dentro al Sole due protoni (nuclei di idrogeno) si fondono insieme, poi si uniscono ad altre particelle a formare un nucleo di elio.

L’elio ha massa inferiore alle particelle che l'hanno formato: la massa mancante si è trasformata in energia, secondo la famosa equazione di Einstein, E=mc2. Gli astronomi sono in grado di calcolare quanto l'interno del Sole debba essere caldo per sostenersi contro la sua stessa forza d i gravità.

Ma questo conduce a un enigma. Poiché i protoni hanno carica positiva, si respingono uno con l’altro e devono muoversi molto veloci prima di scontrarsi e fondersi insieme. La fisica classica afferma che al suo interno il Sole non è abbastanza caldo perché questo accada. La fisica quantistica fornisce la spiegazione.

Quando due protoni sono vicini, ma non abbastanza da toccarsi secondo la teoria classica, secondo l'incertezza quantistica c’è una probabilità che si tocchino davvero. Un altro modo per capirlo è pensare ai protoni come onde che si toccano.

Comunque sia, il risultato è che i protoni possono fondersi. Si dice che attraversano la barriera della repulsione elettrica (nella foto, la prima fotografia in assoluto della luce che si comporta sia come onda, sia come particella è stata diffusa a marzo del 2015)

Che cos’è l’antimateria? Una delle più strane previsioni della fisica quantistica è che per ogni tipo di particella ci deve essere un’antiparticella che ha le stesse proprietà chiave invertite. L’elettrone, per esempio, ha carica negativa, mentre la sua antiparticella, il positrone, ha carica positiva.

Il fisico Paul Dirac è stato il primo a prendere sul serio questa previsione, ma quando pubblicò l’idea negli anni ‘20 fu cauto e suggerì che la particella positiva richiesta fosse il protone, l’unica altra particella conosciuta a quel tempo.

Ma nel 1932 il fisico Cari Anderson scoprì le tracce di particelle con carica positiva e la stessa massa degli elettroni in un dispositivo chiamato camera a nebbia. Questa scoperta gli valse il premio Nobel.

Dirac era stato più preciso di quanto egli stesso pensava. Emerse che le coppie particella-antiparticella (come un elettrone e un positrone) possono consistere di pura energia, in linea con l’equazione di Einstein, ma quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, si annichilano una con l’altra in un bagliore di raggi gamma.

5. Cronologia e glossario della fisica quantistica

CRONOLOGIA

• 1900 - Il fisico tedesco Max Planck 1858-1947) scopre che la radiazione di corpo nero si può spiegare se la luce viene emessa in pacchetti di energia oggi chiamati fotoni. Questo si scontra con l’idea comunemente accettata che la luce sia un’onda.
• 1905 - Il fisico tedesco Albert Einstein (1879-1955) spiega l’effetto fotoelettrico, per cui la luce che colpisce la superficie di un metallo causa l'emissione di fotoelettroni.
• 1913 - Il fisico danese Niels Bohr (1885-1962) spiega lo spettro della luce emessa dagli atomi in termini di elettroni che saltano tra livelli fissi di energia, come gradini di una scala, all’interno dell'atomo. È il "salto quantico".
• 1927 - Il fisico statunitense Clinton Davisson e il fisico ingese George Paget Thomson dividono il premio Nobel per avere scoperto separatamente che gli elettroni possono subire diffrazione come leonde, confermando la veridicità della dualità onda-particella.
• 1932 - Studiando le tracce dei raggi cosmici, il fisico statunitense Cari Anderson (1905-1991), osserva la traccia di una particella simile a un elettrone, ma con carica positiva. È il positrone, un’antiparticella.
• 1985 - David Deutsch (1953-) pubblica un articolo che evidenzia la possibilità di realizzare un vero computer quantistico. Prevede che svolgerà alcuni compiti molto più velocemente di quanto possa fare un computer convenzionale.

GLOSSARIO

• CORPO NERO
  Un oggetto che assorbe perfettamente la radiazione è chiamato corpo nero, da cui il nome. Ma se un corpo nero è caldo, diventa una perfetta emittente di radiazione. Quindi, anche se sembra paradossale, il Sole è un corpo nero radiante pressoché perfetto.
• DIFRAZIONE
  È il processo con cui le onde possono aggirare gli angoli o diffondersi in tutte le direzioni da un piccolo foro o fenditura.
• DUALITÀ
  È il comportamento per cui le entità quantistiche sembrano sia onde, sia particelle. Le "onde" di luce sono associate a particelle chiamate fotoni; le "particelle" elettroni sono associate a onde.
• LIVELO DI ENERGIA
  Uno stato quantico, per esempio in un atomo, che è associato a una particolare energia. Gli elettroni negli atomi si trovano, o occupano, specifici livelli di energia.
• SALTO QUANTICO
  Il passaggio di un sistema quantistico, come un elettrone in un atomo, da un livello di energia a un altro. Avviene senza che il sistema (l’elettrone) passi attraverso uno stato intermedio.
• SOVRAPOSIZIONE
  Ha luogo quando un sistema quantistico esiste in un insieme di stati. Per esempio gli elettroni hanno una proprietà chiamata spin. Di suo. l'elettrone è in una sovrapposizione di spin up e spin down. "Collassa" in uno stato quando interagisce con qualcosa. È l'idea di probabilità quantistica - c'è una probabilità del 50 per cento di trovare l’elettrone in uno dei due stati (nella foto modello di un evento di annichilazione materia-antimateria).