Dagli studenti per gli studenti: fisica quantistica: contro natura?

La fisica quantistica consente di conoscere le leggi che regolano l’infinitamente piccolo giungendo a un intimo grado di comprensione della natura. Ci aspetteremmo una sorta di continuità con ciò che osserviamo nel mondo macroscopico, che il sostanziale funzionamento del mondo fosse il medesimo. Eppure non è così. Questi aspetti fanno emergere un’immagine opposta alle conoscenze della natura visibile. Siamo quindi si fronte a qualcosa “contro natura”?

Funzione d’onda

La prima differenza nello studio della meccanica quantistica, rispetto a quella classica, la troviamo nell’approccio al sistema, ovvero l’ambiente in cui si svolge l’esperimento. Accade che la realtà può essere descritta da una equazione chiamata “funzione d’onda”. I modi per interpretare questa equazione differiscono da quelli conosciuti nella fisica classica. L’obiettivo dello studioso per descrivere il mondo quantistico è quello di ricavare l’evoluzione della funzione d’onda. Per consentire previsioni sperimentali bisogna ricorrere alla probabilità, poiché matematicamente è l’operazione che permette soluzioni accettabili. Questo perché ancora non ci è possibile ottenere soluzioni esatte da quest’equazione. La probabilità è una grandezza legata alla funzione d’onda stessa. Noi, dunque, non saremo mai in grado di predire dove si trovi la particella, ma sapremo con che probabilità potrebbe occupare una data posizione. La fisica classica c’insegna che possiamo descrivere ogni fenomeno con precisione. Qui, invece, la nostra conoscenza del sistema è differente in quanto non abbiamo più previsioni certe della realtà, ma si basa su dati statistici.

Onda corpuscolo

Le particelle hanno due nature: quella corpuscolare e quella ondulatoria. Ma come è possibile ciò? In fisica corpi e onde sono due oggetti profondamente distinti. La natura corpuscolare è propria dei corpi fisici dotati di massa: di essi si può determinare la posizione, la velocità e l’orientazione nello spazio. Al corpo è associata immediatamente l’idea di volume su cui si basa la definizione aristotelica: “Corpo è ciò che ha estensione in ogni direzione” (Aristotele, Fisica). Le onde, invece, sono perturbazioni che si propagano lungo una direzione trasportando energia o quantità di moto. L’onda appare come un fenomeno fisico “delocalizzato” rispetto alla particella che segue una traiettoria definita. Con l’avvento della meccanica quantistica, però, si assiste all’unificazione dei due fenomeni con l’introduzione del dualismo onda particella e del principio di complementarità. A livello microscopico, dunque, le particelle possiedono anche proprietà ondulatorie e certi tipi di onde possono essere trattate come corpi. Ciò nasce dalla differente risposta che la particella fornisce quando viene effettuato un esperimento singolo o un set con più ripetizioni. Nel primo caso si comporta come un corpo, nel secondo come un’onda. A mettere in luce questa doppia natura fu De Broglie associando alla particella lunghezza d’onda e frequenza, due grandezze tipicamente usate nella descrizione delle onde.

Esperimento di Davisson e Germer

L’esperimento di Davisson–Germer fornì un’importante conferma dell’ipotesi di de Broglie circa la coesistenza di una doppia natura nelle particelle. L’esperimento consiste nel far incidere elettroni su un muro nel quale sono state praticate due fenditure. Al di là delle stesse, si trova uno schermo che consente di rilevare il punto colpito dalla particella. Il risultato mostra una figura di interferenza, ovvero un pattern diverso da quello previsto che prevede la sovrapposizione delle onde, tipicamente associato a fenomeni ondulatori. Se avessimo studiato delle particelle seguendo la fisica classica e non quella quantistica avremmo trovato una distribuzione statistica differente, ovvero una distribuzione gaussiana, anziché due in corrispondenza delle fenditure. Ciò avviene, però, finché non si sa da che fenditura passa la particella. Quando abbiamo quest’informazione la distribuzione statistica cambia. Ciò è dovuto al fatto che stiamo interagendo con il sistema e, di conseguenza, lo modifichiamo. Si tratta del collasso della funzione d’onda.

Tale concetto è del tutto nuovo. In meccanica classica, infatti, la presenza o meno dello sperimentatore non modifica la natura dell’evento.

Gatto di Schrödinger

Questo nuovo concetto è espresso in maniera semplice dal paradosso del gatto di Schrödinger. Fu ideato da Erwin Schrödinger per illustrare il principio di incertezza della meccanica quantistica. Questo sostiene che è l’osservatore a determinare le caratteristiche della particella esaminata. Il suo scopo era evidenziare la debolezza di tale interpretazione, ma finì per diventarne uno dei più noti simboli poiché rappresenta in modo intuitivo gli aspetti più macchinosi della teoria. Supponiamo di avere un gatto chiuso in una scatola dove un meccanismo può fare o non fare da grilletto all’emissione di un gas velenoso. Per entrambe le situazioni la probabilità che il gatto viva o muoia è esattamente del 50%. Secondo Schrödinger fintanto che la scatola rimane chiusa il gatto si trova in uno stato indeterminato: sia vivo sia morto. Solo aprendo la scatola questa “sovrapposizione di stati” si risolverà. Può sembrare paradossale, ma il senso è che l’osservatore determina il risultato dell’osservazione stessa. Tale interpretazione della fisica ha portato a numerosi assunti che sembrano in completo contrasto con le evidenze che la realtà ci da ogni giorno. Si è giunti a chiedersi, vista l’importanza che la meccanica quantistica sembra conferire all’osservatore, se il mondo esisterebbe ugualmente anche se nessuno lo guardasse.

Conclusioni

Il mondo della meccanica quantistica è un continuo moto subatomico di cui conosciamo, tramite gli esperimenti, singoli istanti.  Questa piccola realtà sfugge. Le particelle saltano da una posizione all’altra o si trovano in uno stato di paradossale incertezza. La natura stessa di questa teoria è del tutto nuova e ci da un approccio alla realtà differente da quello a cui siamo abituati. Per questi motivi la sua interpretazione ancora oggi è causa di controversie. Ad ogni modo vale la pena sforzarsi per il piacere di conoscere e capire questo piccolo mondo oscillante.

Alessia Sturniolo

Bibliografia

• Focus.it;
• Wikizero.com;
• Onda – Wikipedia;
• Corpo (fisica) – Wikipedia.