La fisica quantistica

Questo è un’articolo sulla fisica quantistica, o meglio ancora, sui principi fondanti della fisica quantistica, ed è la naturale prosecuzione di un articolo precedente: “Un nuovo paradigma della realtà“.

Sono consapevole che viene da chiedersi: «Ma cosa diavolo c’entra la fisica quantistica con il benessere? Perché parlare di fisica quantistica?»

Beh, secondo molti studiosi, le implicazioni della fisica quantistica hanno, o potrebbero avere, un’influenza determinante sulla nostra vita, sul nostro benessere e sui nostri risultati. Un’influenza con dei risvolti pratici una volta inimmaginabili.

Come anticipato nell’articolo precedente, secondo molti scienziati, le implicazioni filosofiche della fisica quantistica conducono a un nuovo paradigma della realtà.

Pensa solo che questo nuovo paradigma della realtà, fondato sulle scoperte delle fisica quantistica, è alla base di quella che, a livello popolare, è conosciuta come “la legge dell’attrazione“.

Sono anche consapevole del fatto che potresti dire: «Ma che competenze hai tu per poter parlare di fisica quantistica?»

E la risposta è: «In effetti, nessuna specifica competenza».

Non sono certo un fisico teorico, e so anche che parlarne potrebbe apparire, da parte mia, arrogante, supponente o comunque troppo ambizioso.

Ecco perché te ne parlerò nel modo più corretto possibile, e cioè, utilizzando “la voce” di altre persone, persone assolutamente qualificate a parlare tanto di fisica classica, quanto di fisica quantistica.

Attraverso le loro stesse parole, riporterò i “fatti”, per come oggi la scienza li conosce, ed eventualmente la loro interpretazione.

La fisica quantistica

Prima di entrare, come si dice, “nel vivo dell’argomento”, vorrei fare un po’ di chiarezza, perché di fisica o meccanica quantistica si parla tanto, e a volte si crea un po’ di confusione.

Quello che spesso succede è che si “salti” alle implicazioni filosofiche prima ancora di aver chiarito le fondamenta scientifiche su cui queste implicazioni si basano.

Quante volte hai sentito parlare, per esempio, di “mente quantica”? Probabilmente molte; a volte a proposito e altre a sproposito.

Da tutto questo potrebbe derivare l’impressione che la fisica quantistica sia qualcosa di strano, magari addirittura un po’ esoterico, che forse esiste e forse anche no.

Così non è! La fisica, o meccanica, quantistica è quella parte della fisica che studia il comportamento dei corpi piccoli, delle particelle subatomiche, che sembrano non essere regolate dalle stesse leggi fisiche che governano i “corpi grandi”.

La meccanica quantistica spiega la struttura degli atomi, la struttura delle molecole, i legami chimici, il comportamento degli elettroni e dei metalli, e tante altre cose.

Ma anche gran parte della stessa tecnologia con cui abbiamo a che fare tutti i giorni, è basata sulle leggi della meccanica quantistica.

Per esempio i semiconduttori, su cui si basa il funzionamento di uno smartphone, o anche il funzionamento del laser.

Quindi, la meccanica quantistica è una disciplina scientifica rigorosamente verificata; un insieme di strumenti matematici e fisici che servono per interpretare moltissimi fenomeni.

La tana del Bianconiglio

Stiamo per addentrarci in un territorio “strano”, in un terreno in parte arato e in parte ancora inesplorato, un terreno che sembra davvero contenere il seme di un’interpretazione della realtà del tutto nuova.

Un seme dal quale potrebbero nascere piante e fiori con poteri speciali, capaci di essere la nostra “bacchetta magica”, un seme che potrebbe contenere rivelazioni che probabilmente ci condurranno molto più lontano di quanto ancora oggi si possa immaginare.

Idee che, come dice un fisico, ci conducono proprio sulla soglia della tana del Bianconiglio.

A questo proposito mi sembra corretto fare riferimento a un concetto espresso nell’articolo precedente “Un nuovo paradigma della realtà”, che ti suggerisco di leggere, ma che qui riassumo brevemente.

I pionieri della fisica quantistica avevano solo una vaga idea del territorio metafisico nel quale erano sconfinati e non sono perciò giunti alle implicazioni filosofiche alle quali stanno giungendo numerosi scienziati, provenienti da istituzioni credibili e di prima grandezza, che hanno prodotto una sperimentazione impeccabile.

La storia della fisica quantistica

Il primo “shock”

Parleremo della storia della fisica quantistica partendo proprio dal suo inizio e seguendone l’evoluzione nel tempo.

E la storia inizia proprio nel momento in cui le evidenze dei dati sperimentali “cozzano” contro le leggi fisiche che fino a quel momento spiegavano il funzionamento di tutte le cose.

All’inizio del ventesimo secolo, cioè nei primi anni del ‘900, la fisica era considerata una scienza “matura” e “maggiorenne” e tuttavia, proprio in quel periodo i fisici si trovarono un po’ nei guai: i dati sperimentali relativi ad alcuni fenomeni non potevano essere spiegati dalle leggi fisiche note. C’era qualcosa che non andava!

I fenomeni che la fisica classica non riusciva a spiegare, e che condussero alla nascita della fisica quantistica, sono essenzialmente quattro:

• la radiazione del corpo nero e la catastrofe utlravioletta;
• la luce: l’effetto fotoelettrico;
• gli spettri di emissione degli atomi;
• l’effetto Compton.

In questo articolo ci occuperemo del primo di questi fenomeni: il corpo nero e la catastrofe ultravioletta. Gli altri tre fenomeni saranno oggetto di successivi articoli.

Ma andiamo con ordine! Che cosa diavolo è un “corpo nero”?

Comincia l’avventura della fisica quantistica

Prima ancora di parlare del corpo nero e della catastrofe ultravioletta, “luogo di nascita” della fisica quantistica, esploriamo insieme alcuni concetti fondamentali che ci aiuteranno a comprendere al meglio ciò di cui stiamo parlando.

All’inizio del 1900, uno dei problemi irrisolti dalla fisica classica (e all’epoca esisteva solo quella), aveva a che fare con l’energia termica; i fisici non riuscivano ancora a spiegarsi la relazione tra luce e calore, o meglio, la relazione tra il colore della luce emessa da un corpo e la sua temperatura.

Per farla breve, i fisici non riuscivano a capire il comportamento dei corpi riscaldati. Come mai cambiavano colore e come mai aumentava l’energia emanata?

In buona sostanza, i fisici avevano bisogno di una teoria che potesse spiegare il cambiamento di colore e l’aumento dell’energia emanata che si verifica nei corpi che vengono riscaldati, all’aumentare della temperatura.

Oggi sappiamo che ogni corpo, quando viene riscaldato, emette radiazioni elettromagnetiche. Questo è il motivo per il quale, quando arroventi un metallo, questo inizialmente assume un colore rosso per poi, all’aumentare della temperatura, diventare giallo e successivamente bianco.

Sappiamo anche che, sia il calore che la luce sono radiazioni elettromagnetiche che si differenziano solo per il valore della loro lunghezza d’onda.

Vediamo insieme alcune informazioni di base che ci aiuteranno a capire il tutto al meglio.

Il colore degli oggetti

In primo luogo, tieni presente che il colore degli oggetti dipende fondamentalmente da due fattori:

• le caratteristiche dell’oggetto stesso;
• le caratteristiche delle radiazioni che illuminano l’oggetto, che in parte vengono assorbite e in parte vengono riflesse.

Le onde elettromagnetiche

Un’altra cosa da tenere presente è che la luce è costituita da onde elettromagnetiche e le onde elettromagnetiche sono caratterizzate da alcune grandezze:

• la lunghezza (λ), e cioè la distanza tra i punti corrispondenti di due onde successive;
• l’ampiezza (A), e cioè la distanza tra il valore massimo dell’onda e il suo punto di equilibrio. L’ampiezza misura l’intensità dell’onda;
• la frequenza (ν), e cioè il numero di oscillazioni che un’onda compie in un secondo. Per poter determinare la frequenza basterebbe contare il numero di creste che l’onda produce in un secondo. Per esempio, se tu buttassi un sasso in uno specchio d’acqua e questo generasse 6 onde in un secondo, la frequenza sarebbe di 6Hz.;
• il periodo, che corrisponde al lasso di tempo necessario affinché una cresta si trovi nell’esatta posizione di quella che la precedeva. Potremmo dire che il periodo è l’intervallo di tempo della lunghezza d’onda.

Ovviamente, frequenza e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali e cioè, più lunga è la lunghezza d’onda, più bassa è la frequenza, mentre piò corta è la lunghezza d’onda e più alta è la frequenza.

Lo spettro elettromagnetico

L’insieme di tutte le possibili frequenze delle radiazioni elettromagnetiche, viene definito spettro elettromagnetico. A ogni lunghezza d’onda corrisponde un certo colore.

Pensa che lo spettro elettromagnetico, nella sua estensione, comprende radiazioni che vanno da lunghezze d’onda superiori al chilometro a radiazioni con lunghezze d’onda inferiori a un miliardesimo di millimetro!

La luce

La parte centrale dello spettro elettromagnetico rappresenta le frequenze visibili, la luce.

Questa comprende le radiazioni percepibili dall’occhio umano e rappresenta una piccola parte dell’intero spettro.

Si tratta di lunghezze d’onda comprese tra i 400 e i 700 nm, dove “nm” sta per “nanometro”, che è un miliardesimo di metro, o se preferisci, milionesimi di millimetro.

Il calore

Il calore è sempre una radiazione elettromagnetica emessa da un corpo quando questo viene portato a una determinata temperatura.

Osservando lo spettro elettromagnetico nell’immagine qui sotto riportata, puoi notare che le frequenze che, guardando l’immagine , vedi alla tua sinistra dello spettro visibile, sono frequenze che presentano una lunghezza d’onda maggiore e di conseguenza una frequenza più bassa. Per esempio, sopra i 720 nanometri, abbiamo l’infrarosso.

Viceversa, man mano che, guardando l’immagine, ti sposti verso la destra dello spettro visibile, le onde presentano una lunghezza minore e, di conseguenza, una maggiore frequenza. Per esempio, sotto i 380 nanometri, abbiamo l’ultravioletto.

Il forno a microonde, alcuni tipi di stufe, ma anche la lampadina elettrica, producono calore producendo onde elettromagnetiche nello spettro delle lunghezze d’onda infrarosse.

Il corpo nero

La “storia” del  corpo nero

Per chiarire un concetto, spesso ha senso fare riferimento alla sua storia; dove nasce e perché.

Perciò, per cominciare a parlare del “corpo nero”, farò riferimento alla sua storia riportando un breve passaggio del bellissimo libro “Il mondo secondo la fisica quantistica” di Fabio Fracas.

Quell’anno (1859), un altro fisico tedesco, Gustav Robert Kirchhoff, decise di indagare la correlazione tra temperatura e calore teorizzando un dispositivo in grado di assorbire tutto il calore a cui veniva sottoposto e di emettere, successivamente, un unico fascio di luce colorata.

 

Concretamente, questo dispositivo ideale poteva essere un semplice recipiente sferico cavo dotato di un minuscolo foro praticato in una parete.

 

Per Kirchhoff era la chiave utile a ricavare una formula che potesse predire la quantità di energia irradiata dal corpo, o meglio, la distribuzione spettrale dell’energia associata a ciascuna lunghezza d’onda, per qualsiasi temperatura […]

 

Lo strumento pensato dall’intraprendente fisico teorico era sia un assorbitore sia un emettitore ideale di radiazione; per questo motivo Kirtchoff stesso gli diede il nome di Corpo Nero.

 

Un assorbitore perfetto, infatti, non riflette alcun tipo di radiazione luminosa e appare completamente nero a qualunque osservatore.

 

L’emissione avveniva attraverso un forellino applicato sulla parete. Grazie a quel foro, la radiazione presente all’interno del corpo nero poteva fuoriuscire liberamente, mostrando un campione di tutte le lunghezze d’onda presenti all’interno del contenitore.

Il corpo nero

Riassumendo quanto sopra, in fisica, il corpo nero è un oggetto “ideale”, che non esiste in natura, capace di assorbire tutte le radiazioni elettromagnetiche che lo colpiscono (radiazione incidente), indipendentemente dalla loro lunghezza d’onda.

Praticamente, questo significa che nessuna radiazione passa attraverso un corpo nero e nessuna radiazione è riflessa da un corpo nero.

Come mai il corpo nero non riflette la radiazione? Pensa al corpo nero come a una cavità con un piccolo foro che lasci entrare e uscire le radiazioni.

Quando la radiazione è in equilibrio termico con le pareti della cavità, queste emettono tanta radiazione quanta ne assorbono. La radiazione che attraversa il foro, entrando nella cavità, viene assorbita dalla superficie interna. Riflettendosi innumerevoli volte all’interno della cavità stessa, viene completamente riassorbita prima di poter fuoriuscire.

Nonostante ciò, un corpo nero è comunque capace di emettere uno spettro di radiazioni. Questo però dipende solo dalla temperatura del corpo nero e non dalla sua forma, né dal materiale di cui è costituito.

In questo modo, sottoponendo il corpo nero a temperature diverse è possibile studiare tutte le frequenze dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche in uscita.

Tuttavia, secondo le leggi della fisica classica, ogni corpo con temperatura superiore allo zero assoluto, che è pari a – 273 gradi centigradi, emette, sotto forma di radiazione, un’infinita quantità di energia.

Quindi, un corpo nero in equilibrio termico dovrebbe irradiare onde elettromagnetiche in tutta la gamma delle frequenze. Dovrebbe inoltre emettere più energia al diminuire della lunghezza d’onda e al conseguente aumento della frequenza.

Perciò, in teoria, più aumenta la frequenza d’onda, maggiore è l’intensità della radiazione emessa dal corpo nero.

Inoltre, sempre secondo la fisica classica, l’intensità della radiazione di un corpo nero dovrebbe crescere all’infinito all’aumentare della frequenza, come nel caso dei raggi ultravioletti.

Questo paradosso è conosciuto come catastrofe ultravioletta.

Se questo fosse vero, anche un semplicissimo forno domestico, se scaldato senza soluzione di continuità, dovrebbe essere in grado di emettere raggi ultravioletti, raggi X e gamma.

Tuttavia, questo non è ciò che accade; secondo le leggi e le equazioni della fisica classica questo è vero a livello teorico, ma non lo è nella nostra esperienza quotidiana, e soprattutto non lo è a livello sperimentale.

Infatti, l’intensità della radiazione emessa dal corpo nero, misurata sperimentalmente, diminuisce sia per le alte che per le basse frequenze

La soluzione di Max Planck

La soluzione al paradosso della catastrofe ultravioletta arrivò da un fisico teorico di nome Max Planck.

Lo stesso Max Planck, professore all’Università di Berlino, fu il primo a rimanere perplesso dalle sue conclusioni, in quanto scuotevano le fondamenta della fisica classica.

Tanto è vero che disse: «Si prova d’istinto un po’ di ripugnanza a rovinare le fondamenta delle teorie sui fenomeni elettrici e magnetici, che pure hanno trovato tante conferme sperimentali!»

Infatti, secondo la fisica classica, la radiazione elettromagnetica è fatta di onde distribuite con continuità nello spazio.

Invece, Planck affermò che la radiazione è costituita da unità elementari discrete di energia; i quanti.

L’idea dei quanti di energia era inimmaginabile per la fisica classica, una sorta di eresia!

Tuttavia, venne successivamente ripresa da Albert Einstein e da Niels Bohr per spiegare i problemi fino allora irrisolti in fisica classica.

Adottando l’idea dei quanti, Planck teorizzò una formula che per la prima volta riusciva a spiegare il corretto andamento della legge del corpo nero su tutto lo spettro di frequenze.

Secondo Planck:

• la radiazione è costituita da unità discrete di energia (E);
• questa è proporzionale alla frequenza di radiazione (n);
• ed è inoltre proporzionale a una costante universale (h), oggi nota come costante di Planck.

La formula di Planck è quindi: (E =h ν).

Lo stesso Planck, almeno inizialmente non si rese del tutto conto della portata rivoluzionaria della sua ipotesi, empirica e fondata su di un artificio matematico.

Tuttavia questa gli valse il Nobel per la Fisica nel 1919.