Storia dei quanti

 

Conferenza di Chiara Zagonel, autrice del libro Storia dei quanti (Anima Edizioni). Il libro è disponibile in tutte le librerie o tramite web a questo link.

 

Nel libro Storia dei quanti si descrive la storia della fisica e dei loro illustri protagonisti.

La parola “quanto” e l’aggettivo “quantistico” sono usati per la prima volta da Max Planck. Planck introduce l’idea che l’energia non sia continua ma fatta di piccoli “pacchetti”.

Successivamente ci si è accorti che non solo l’energia era quantizzata, ma lo era anche la carica elettrica.

Albert Einstein era un impiegato dell’ufficio brevetti di Berna. Einstein riprende il concetto di energia quantizzata e fa notare come le onde elettromagnetiche sono sia onde sia particelle.

Luis de Broglie si chiede se a sua volta anche le particelle possono avere una natura ondulatoria e di fatto negli anni successivi dimostra che anche la materia ha caratteristiche ondulatorie.

Erwin Schrödinger scrive sei articoli dove specifica le equazioni di queste onde di materia.

Cos’è un’onda di materia? Max Born lo spiega: sono onde che ci permettono di calcolare la probabilità di dove si trovano le particelle. Questo fa innervosire Einstein, perché l’introduzione del concetto di probabilità mette in crisi il concetto di determinismo fino ad allora caratteristico della fisica.

In fisica quantistica, prima di un esperimento, una particella può essere ovunque. È l’esperimento in sé a determinare dove si troverà la particella osservata.

Il principio di indeterminazione formulato da Heisenberg rivela che l’osservatore modifica un sistema nell’atto in cui si appresta a osservarlo. Se voglio sapere deve si trova una particella e qual è la sua velocità, devo osservarla, quindi illuminarla. Ma nel momento in cui illumino per esempio un elettrone, lo faccio interagire con un’onda elettromagnetica, che va a interferire con il sistema stessa. Osservando la particella, capisco dove si trova ma perdo l’informazione di qual era la sua velocità in quanto questa è stata modificata dall’interazione.

La luce ha una doppia natura: ondulatoria e corpuscolare. Ciò che determina la risposta dell’onda elettromagnetica come onda o come corpuscoli è l’apparato sperimentale deciso dallo sperimentatore. Lo sperimentatore risulta quindi inscindibile dal sistema che va a osservare.

Einstein anche qui si trova in disaccordo, perché la realtà perde ogni valenza oggettiva. Risponde proponendo una situazione paradossale, che riprende il fenomeno dell’entanglement, e che è conosciuta come il paradosso EPR.

Nel paradosso EPR ci sono due particelle che vengono generate da un processo naturale, laddove la particella di partenza non ha spin. Per il principio di conservazione, sappiamo che le due particelle generate dovranno avere spin opposto, ma non posso prevedere quale particella esattamente avrà un dato spin e quale l’opposto. Il ragionamento propone di allontanare le due particelle e misurare poi lo spin di una, che per esempio può essere verso l’alto, allora saprò che l’altra assumerà spin verso il basso. Domanda: ma come fa la seconda particella a sapere che deve assumere spin opposto rispetto alla prima, e soprattutto a farlo istantaneamente, anche se molto distante rispetto alla prima particella, quindi superando la velocità della luce (il che è impossibile)?

Questo paradosso solleva diverse questioni. C’è chi dice che la fisica quantistica è una teoria completa, oppure che è una teoria incompleta, come asserisce Einstein, per cui bisogna che il paradosso EPR venga sciolto.

John Stewart Bell si occupa del paradosso e riesce a definire un teorema in termini matematici che può essere verificato in laboratorio.

Alain Aspect esegue quindi un esperimento di due mesi alla fine del quale dimostra che l’entanglement è un fenomeno reale, cioè le particelle mantengono effettivamente un collegamento istantaneo fra di loro.

Domanda: perché le particelle si comportano così e per loro lo spazio non conta?

David Bohm concepisce una serie di metafore per spiegare i fenomeni quantistici. Nella metafora dell’acquario abbiamo due monitor che mostrano ciascuno un pesce in una posizione diversa, ma quando un pesce cambia posizione, lo fa anche l’altro. In realtà il pesce sarebbe uno solo, ma osservato da due telecamere in posizione diversa.

Il plasma è il quarto stato della materia. Bohm studiando il plasma si accorge che le nuvole di elettroni sono osservabili e descrivibili sia a livello individuale sia collettivo.

La visione della fisica quantistica richiama quella delle filosofie orientali, una visione unitaria.

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