martedì 14 gennaio 2014

Perché ci vuole la meccanica quantistica?

Il titolo di questo post è tutto un programma. Mi sento di dover fare una precisazione. Non ci chiederemo perché ci vuole "proprio" la meccanica quantistica. Infatti questo tipo di domande non fa parte della politica di questo blog (e non ne vedrete nemmeno come effetto collaterale!). Piuttosto l'idea è cercare di capire perché, ad un certo punto, è stato necessario aggiornare la fisica con una nuova teoria. La storiella è sempre la stessa: il metodo scientifico. La teoria vecchia presentava dei limiti e dunque ci voleva una teoria che spiegasse i fenomeni esattamente alla stessa maniera della teoria vecchia ma in grado di raggiungerne e superarne i limiti sopracitati.
Quindi mettetevi comodi che iniziamo a raccontare.





Per esempio, si eccita un gas (ovvero si sparano dei fotoni sopra) e ciò che ci si aspetta é che emetta a tutte le lunghezze d'onda. E invece emette solo particolari colori. Ah, questa sì che è bella.
Questo si è cominciato a vedere un poco prima dell'inizio del ventesimo secolo; ma, ora, abbiamo una spiegazione: la meccanica quantistica.

Questo è ciò che emette l'idrogeno: pochi colori! (Fonte: http://utahscience.oremjr.alpine.k12.ut.us)
E poi c'è quell'altro affare. Sì, dai, quello che nessuno ha mai capito del tutto ma viene citato ovunque. Lo so che avete capito: sto parlando del corpo nero.
Già, ma cosa caspita è questo corpo nero? Diciamolo subito: è un oggetto ideale. Come tale non esiste in natura un qualcosa che si comporti come un corpo nero. Magari esiste qualcosa che si avvicina ad essere un corpo nero.
Comunque sia: di che stiamo parlando? Si tratta di un corpo che assorbe tutta la radiazione che gli viene buttata in faccia, indipendentemente dal come gli viene buttata. Se abbiamo un corpo nero a temperatura costante (quello che in gergo tecnico è l'equilibrio termico) allora tale corpo nero emette una radiazione detta, appunto, radiazione di corpo nero.

Ora passeremo ad un classico esempio di tutto ciò: una cavità (o, se volete, una scatola cubica con le proprietà descritte nel prossimo rigo).
Immaginate di avere una cavità con un forellino piccolo, ma che dico piccolo, piccolissimo tale che la radiazione che entra, una volta nella cavità, non esce (ricordatevi sempre che stiamo parlando di un corpo ideale, quindi usate tutta l'immaginazione che vi pare!).
A questo punto dunque abbiamo una cavità piena di onde elettromagnetiche. Una saggia domanda che qualcuno si è posto in passato è stata: come possono essere fatte queste onde affinché esse esistano all'interno di una cavità? Saggissima domanda. Alla quale ovviamente non risponderemo in questo blog (anche se io trovo sia uno degli argomenti di fisica più interessanti che abbia mai studiato, ma non chiedetemi perché lo ritenga perché non lo so!).

[Per i più curiosi rimando a questa eccellente spiegazione: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/rayj.html#c2". Ovviamente se volete dei chiarimenti basta scrivermi una e-mail.]

Alla fine di questa immensa fiera, quello che si trova è che l'energia emessa dal corpo nero diventa infinita quando si va a alte frequenze (delle onde elettromagnetiche).  E (indovinate un po'?) non è quello che si osserva.

Ultima cosa. Prima (ma forse qualcuno ancora oggi) si pensava che gli elettroni ruotassero intorno al nucleo di un atomo composto da protoni e neutroni nella stessa maniera in cui i pianeti girano intorno al Sole. Purtroppo, nemmeno questa semplice idea si regge in piedi. Infatti il moto circolare è un moto accelerato. E, come ben sappiamo, dove c'è accelerazione c'è forza (come si diceva in un noto spot della pasta!). Dunque se c'è una carica accelerata vengono irradiate onde elettromagnetiche (cariche in moto accelerato producono un campo elettrico). Dunque pian piano l'elettrone, gira che ti rigira, dovrebbe accusare un "calo di energia" (perché irradia energia sotto forma di onde elettromagnetiche/fotoni) e dunque cadere nel nucleo. Ma questo vorrebbe dire che gli atomi sono instabili. Per fortuna, invece, siamo ancora tutti vivi. Dunque gli elettroni non fanno i giri della giostra attorno al nucleo, ma qualcosa di diverso è in corso.

Chiaramente bisogna cambiare qualcosa. Come direbbe un presidente di una squadra di calcio quando ha già deciso di esonerare il proprio allenatore: "Bisogna dare una svolta!".
E la svolta fu data proprio con l'avvento della meccanica quantistica.
Cosa dice la meccanica quantistica? Ah, beh, dice tante cose. Ma ci limiteremo alla cosa fondamentale. Ovvero che non si può sapere con la qualsivoglia precisione desiderata la velocità e la posizione di una particella allo stesso momento. Questo si chiama anche Principio di Indeterminazione di Heisenberg. Non vi è niente di mistico in questo principio e prometto che ci torneremo sopra.
Comunque, secondo il principio ecco che il concetto di traiettoria non ha più alcun senso, figurarsi il girare attorno ad un nucleo. Le cose vanno pensate più propriamente come quantizzate. Ovvero bisogna pensare che le grandezze fisiche, quando misurate, non possono assumere tutti i valori che vogliono ma soltanto alcuni valori precisi determinate dalla teoria della meccanica quantistica.


Una maglietta sulla meccanica quantistica (Fonte:http://skreened.com)

Nei dettagli di tutto ciò c'è della matematica e anche soprattutto tanta buona fisica. Non è scopo di questo post tenere una lezione sulla meccanica quantistica, ovviamente. Ma che nemmeno vi passi in mente di dire che le cose quantistiche sono strane: stiamo parlando di una teoria che descrive la realtà. Non c'è niente di strano, è la realtà ricordatevelo sempre.
Abbiamo bisogno della meccanica quantistica. Si tratta della nostra teoria. Di un successo dell'intera umanità. C'erano dei problemi e qualcuno ha capito dove intervenire nelle vecchie teorie. Ovviamente ci sono ancora delle domande a cui rispondere, è chiaro.
I fisici provano a spiegare la realtà. Il che può essere divertente, non c'è dubbio, ma vi sono margini di manovra strettissimi. Si opera nel campo della Natura con le leggi della Natura. E soprattutto si tratta di cose che sono già lì in attesa di essere comprese.

Non per altro vengono solitamente chiamate "scoperte".