La quantistica è anche un qualcosa di sovrannaturale

Che differenza c’è tra “quantistico” e “fantascientifico”? Un approfondimento sui principi fondamentali della meccanica quantistica, che la rendono così stupefacente ai nostri occhi.

Computer quantistici, intelligenza artificiale quantistica, meccanica quantistica… nell’immaginario collettivo la parola “quantistico” ha quasi preso il posto di “fantascientifico”, andando ad accostarsi ai campi più disparati, a volte anche solo per questioni di marketing: vogliamo parlare dell’anima quantistica? Mi dispiace, se volete sentirne parlare, dovrete rivolgervi altrove.

Mentre la meccanica classica viene studiata nelle scuole e ne facciamo esperienza ogni giorno nella nostra vita quotidiana, lo stesso non si può dire della meccanica quantistica, che resta qualcosa di oscuro, esotico e misterioso, di cui non abbiamo continue prove empiriche, anzi, al contrario, teorizza e prende per veri alcuni eventi totalmente controintuitivi rispetto alla realtà di ogni giorno. A discolpa dei nostri professori di fisica, c’è da dire che l’impalcatura matematica che sorregge questa disciplina è piuttosto complessa e non può essere facilmente spiegata anche ai non addetti ai lavori.
L’ardua impresa che questo articolo si propone è quella di provare a far capire cos’è la fisica quantistica senza disturbare il “mostro” matematico che ci sta dietro; se l’obiettivo sarà centrato o meno, starà a voi dirlo.

Il mondo discreto

Ogni giorno abbiamo a che fare con un mondo che, ai nostri occhi, appare continuo. Ciò permette di giungere ad alcune conclusioni sull’infinitamente piccolo che compone questa continuità: come nel paradosso di Zenone, Achille non raggiungerà mai la tartaruga perché lo spazio è infinitamente divisibile.

Ciò che accade sotto ai nostri occhi segue le leggi della meccanica classica, che nasce pensando proprio ad un mondo continuo in cui ogni oggetto ha dei confini delimitati e una posizione ben definita istante per istante.

Tuttavia, se iniziamo a dividere il mondo, ci rendiamo conto che ogni cosa non può essere infinitamente divisibile. Ci troveremo a dover fronteggiare il fatto che nell’infinitamente piccolo il nostro mondo non è continuo: viviamo in un mondo discreto costituito da mattoncini piccolissimi e indivisibili.
La materia può essere divisa finché si raggiunge la più piccola parte che ne mantiene le caratteristiche, cioè gli atomi, e poi oltre, nelle particelle elementari che la costituiscono, protoni, neutroni ed elettroni e, a loro volta, i protoni e i neutroni possono essere suddivisi in quark che, al momento, sono la più piccola parte della materia nota.

Lo stesso vale per l’energia: non si può scambiare una quantità piccola a piacere di energia, si può solo ricevere e inviare pacchetti di energia che, al minimo, coincidono con l’energia di un fotone, e multipli di tale energia.

I mattoncini indivisibili si chiamano quanti e la parola quantistico indica quel ramo della fisica che lavora su uno spazio discreto e indivisibile.

Di fatto, per la ben nota legge di Einstein E=mc^2, la materia è costituita da una quantità enorme di energia, infatti c, dal latino celeritas, è la velocità della luce nel vuoto e corrisponde a circa 300.000 km/s. Quindi le grandezze quantizzate più importanti per la fisica sono: l’energia, il momento angolare e l’impulso.

La doppia natura delle particelle

Nel 1906 il fisico inglese Joseph John Thomson ricevette il premio Nobel per la scoperta di una nuova particella subatomica a carica elettrica negativa: l’elettrone. Nel 1937 George Paget Thomson, figlio di Sir J. J. Thomson, ricevette il premio Nobel per la scoperta che l’elettrone aveva le caratteristiche di un’onda, infatti osservò per la prima volta la diffrazione dell’elettrone. Negli ambienti universitari piace scherzare su questa coincidenza, dicendo che la colazione non doveva essere un momento piacevole a casa Thomson.

Aldilà dei meme, chi aveva ragione tra Thomson padre e Thomson figlio?
La risposta è: entrambi.

Esiste una proprietà molto particolare e totalmente controintuitiva rispetto alla nostra esperienza quotidiana, quindi difficilmente immaginabile: la dualità onda-particella.

Di fatto anche gli esseri umani sono sia materia che onda, tuttavia, per le nostre dimensioni notevoli rispetto ad un elettrone, la frequenza dell’onda emessa dal nostro corpo è talmente bassa (lunghezza d’onda molto grande) che non può essere rilevata.

Molte delle proprietà più particolari della fisica quantistica, come l’effetto tunnel, derivano proprio da questa dualità.

Il principio di indeterminazione di Heisenberg

Walter White in Breaking Bad prende in prestito il suo pseudonimo da un famosissimo fisico tedesco: Werner Karl Heisenberg, colui che pronunciò per la prima volta il famoso principio di indeterminazione che da lui prese il nome.

Il principio di indeterminazione pone un limite alla precisione con cui è possibile misurare due grandezze fisiche coniugate, come la posizione e l’impulso.

In parole povere, le grandezze fisiche coniugate sono quelle grandezze per cui, nota una con assoluta precisione, è totalmente impossibile conoscere l’altra con esattezza, ma si avrà un’indeterminazione che non può essere più piccola di una quantità nota. Tale affermazione non poggia su nessuna dimostrazione, essendo un principio, tuttavia molte prove sperimentali hanno confermato che questo principio esiste ed è intrinseco della fisica stessa, sarebbe a dire che non dipende dagli strumenti di misura.

Le due grandezze coniugate più importanti sono la posizione e l’impulso, da queste deriva anche l’indeterminazione sull’energia e il tempo.

La fisica quantistica è un ramo delle scienze molto giovane, per la prima volta si parlò di “quanti” nel 1900, quando Max Planck propose la sua teoria per la risoluzione del problema dello spettro del corpo nero.

Il principio di indeterminazione, la dualità onda-particella, la quantizzazione di energia, momento angolare e impulso, sono i principi fondamentali per cui la fisica quantistica differisce dalla fisica classica.

Ovviamente le implicazioni portate da questi tre concetti sono infinite, tanto che il mondo della fisica quantistica è costantemente scosso da nuove scoperte o nuove applicazioni: ultimo in ordine cronologico, la realizzazione del primo computer in grado di mostrare la Supremazia quantistica.
Conoscere la struttura e le leggi che governano la natura nel suo profondo, permetterà applicazioni in molti campi totalmente diversi dalla fisica: per esempio alcuni ricercatori stanno studiando nuove tecniche per la cura dei tumori a livello quantistico. Non è ancora noto dove ci porterà tutto questo, e, nonostante “quantistico” non è sinonimo di “fantascientifico”, il futuro potrebbe riservarci delle sorprese che neanche Asimov avrebbe potuto immaginare.