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livello medio
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ARGOMENTO: FISICA QUANTISTICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: fisica quantistica, meccanica quantistica
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La fisica quantistica è quella branca della fisica che descrive il comportamento della materia secondo il principio del dualismo onda-particella.
Un necessario passo indietro
Fin dalle sue origini, alla fine del XIX secolo e all’inizio del XX secolo, la quantistica si è rivelata indispensabile per spiegare fenomeni che la fisica classica non riusciva a rendere plausibili o a prevedere con accuratezza: l’emissione e l’assorbimento di luce da parte degli atomi, la stabilità degli atomi stessi, la natura discreta dell’energia e la comparsa di comportamenti sorprendenti a scale estremamente piccole. Al fine di poter descrivere il comportamento della materia e dell’energia su scala microscopica, cioè a livello di atomi e particelle subatomiche, nacque la meccanica quantistica che si differenzia dalla meccanica classica, che governa il mondo macroscopico seguendo leggi deterministiche.
Secondo l’interpretazione a “molti mondi” della meccanica quantistica, nel paradosso del gatto di Schrödinger quando si apre la scatola si creano due mondi paralleli, uno in cui il gatto è vivo e un altro in cui il gatto è morto. Essa sostiene che ad ogni misurazione la storia del nostro universo si separi in un insieme di universi paralleli, uno per ogni possibile risultato del processo di misurazione. Sebbene non condivisa universalmente, questa teoria apre ad interpretazioni filosofiche interessanti – Autore Christian Schirm https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schroedingers_cat_film.svg
In parole semplici, invece di definire una traiettoria o una posizione esatta tramite una formula, la teoria quantistica descrive le proprietà fisiche tramite funzioni d’onda e quantità osservabili che si ottengono tramite misurazioni ma che non seguono leggi deterministiche. Questo comporta una nuova visione della realtà in quanto nell’infinitamente piccolo le proprietà non sono definite con precisione assoluta in assenza di una misurazione (non sono quindi deterministiche nel senso classico della definizione), ma esistono in stati di sovrapposizione che esprimono potenzialità e soluzioni diverse.
I principi di base
Come accennato, il principio cardine della meccanica quantistica è la dualità onda-particella. Questo deriva dal fatto che particelle, come elettroni e fotoni, non si comportano solo come corpuscoli ma hanno anche proprietà ondulatorie, come dimostrato dall’esperimento della doppia fenditura1. In tale esperimento, meglio descritto nelle note, i fotoni emessi da una sorgente monocromatica attraversando due pareti divisorie corredate da due fenditure, producono figure di interferenza tipiche delle onde, di fatto rivelando una duplice natura che dipende dal contesto di osservazione.
Uno dei concetti fondamentali della meccanica quantistica è la quantizzazione, ovvero l’energia non è continua bensì suddivisa in “pacchetti” discreti chiamati quanti. Questo concetto fu introdotto da Max Planck per spiegare la radiazione del corpo nero e venne successivamente confermato da Einstein con l’effetto fotoelettrico, dove la luce si comporta come un flusso di particelle, i fotoni. Al fine di comprendere meglio i diversi argomenti ho allegato dei video che consentiranno anche di approfondire i vari aspetti.
Ad arricchire il quadro dei caposaldi della meccanica quantistica accenno ora al famoso principio di indeterminazione di Werner Karl Heisenberg, secondo cui non è possibile conoscere con precisione assoluta coppie di grandezze (posizione e quantità di moto) di una particella. Va compreso che non si tratta di un limite tecnologico, ma di una proprietà intrinseca della natura, che introduce l’idea che il mondo quantistico sia governato da probabilità piuttosto che da certezze. Secondo Heisenberg «Nell’ambito della realtà le cui condizioni sono formulate dalla teoria quantistica, le leggi naturali non conducono quindi a una completa determinazione di ciò che accade nello spazio e nel tempo; l’accadere […] è piuttosto rimesso al gioco del caso.».
Un ulteriore aspetto affascinante è l’entanglement quantistico
Qui si va nello straordinario. Due particelle che interagiscono possono restare collegate al punto che lo stato di una sia istantaneamente correlato a quello dell’altra, indipendentemente dalla distanza che le separa. Questo fenomeno, definito da Einstein “azione spettrale a distanza”, è oggi alla base delle ricerche in informatica quantistica per lo sviluppo di comunicazioni sicure (si pensi ai sistemi crittografici bancari). In parole semplici misurando lo stato di una particella, si scopre lo stato dell’altra, senza che ci sia scambio di informazione nel senso classico.
Un aspetto strano ed affascinante che trova applicazione in campi come la crittoquantistica, che utilizza la matematica quantistica nella fase dello scambio della chiave crittografica per evitare che questa possa essere intercettata da un attaccante, in pratica senza che le due parti in gioco se ne accorgano. Fantascienza? No, la prima rete a crittografia quantistica funzionante fu il DARPA Quantum Network. Sebbene la prima transazione di valuta fu effettuata da due istituti di credito austriaci il 21 aprile 2004, il Quantum Network fu la prima rete con più di due nodi e lo sviluppo è in corso per un impiego sempre più diffuso nel campo finanziario.
Credo di avervi confuso un pò … e ammetto che alcuni di questi concetti richiedono conoscenze matematiche dedicate che vanno dall’algebra lineare (Vettori, matrici, auto valori/auto vettori per descrivere stati e osservabili), elementi di analisi (Derivate, integrali, funzioni complesse per trattare funzioni d’onda e operatori), Equazioni differenziali, Numeri complessi (essenziali per la funzione d’onda), probabilità e statistica e matematiche superiori per operare negli spazi di Hilbert 2. Strumenti matematici quindi non di conoscenza comune ma, come spesso accade, gli studi di pochi fanno il benessere di tutti.
Un campo, quello della Quantistica, in forte sviluppo che consentirà di poter utilizzare strumenti sempre più veloci e precisi in tutti i campi, dalla medicina all’ingegneria, ma anche nella vita di ogni giorno rendendo le nostre comunicazioni più sicure ed efficienti.
Riassumendo
Come avrete capito, lo studio e lo sviluppo della meccanica quantistica è tutt’altro che recente e risale alle teorie di grandi fisici e matematici come Werner Heisenberg, Max Plank ed Albert Einstein. La meccanica quantistica, pur essendo nata come teoria astratta, ha oggi numerose applicazioni: dai semiconduttori ai laser, fino alle moderne tecnologie di calcolo e di protezione informatica. Essa non solo spiega il funzionamento delle particelle ma apre nuove prospettive su cosa significhi conoscere e descrivere la realtà. In particolare, la meccanica classica, puramente deterministica, non può applicarsi in un mondo atomico per cui non è possibile misurare con precisione i dati necessari ed effettuare una previsione deterministica. A questo punto sorge spontanea una domanda: se la natura non è sempre intrinsecamente deterministica, come possiamo giustificare l’interazione umana con l’ambiente che ci circonda, essendo mossa dal libero arbitrio?
1 Facendo un passo indietro, in origine la luce era ritenuta da Isaac Newton di natura corpuscolare. All’inizio dell’Ottocento emerse l’idea che potesse essere composta da onde. 
Fu il fisico Thomas Young a concepire, nel 1801, un esperimento, basato su una singola sorgente che illuminava uno schermo opaco con due fenditure parallele (poste ad una certa distanza d) di larghezza sufficientemente piccola se rapportate alla lunghezza d’onda λ della luce incidente. In questo modo, per il principio ottico di Huygens, le fenditure si trasformano in due sorgenti lineari di luce coerente che generano su uno schermo, posto a distanza L, una figura d’interferenza formata da bande alternatamente scure e luminose. Nell’animazione si vedono le due sorgenti (quadrati rossi) da cui partono due onde che, interferendo fra loro, generano sullo sfondo un’alternanza di zone illuminate e non (i punti neri sulla destra non ricevono mai luce, mentre quelli rossi hanno intensità massima). Agli inizi del Novecento, iniziarono a comparire le prime contraddizioni, in quanto in certe situazioni, come ipotizzato nel 1905 da Albert Einstein con l’ipotesi dell’esistenza del fotone nell’effetto fotoelettrico, la luce si comportava come se fosse composta da particelle. Questo creò nella fisica una situazione problematica poiché la luce sembrava presentare una sorta di dualismo, apparendo sia come onda che come particella in esperimenti diversi.
Nel 2024 De Broglie ipotizzò che tutta la materia manifestasse tale dualismo, aprendo così le porte allo sviluppo della meccanica quantistica. L’esperimento venne condotto sulla base dello schema classico di Young, ponendo tra una sorgente di luce o elettroni e una lastra fotografica una barriera opaca con due fenditure parallele di larghezza opportuna. 
L’esperimento a doppia fenditura mostrò, attraverso le frange d’interferenza (l’interferenza è un fenomeno dovuto alla sovrapposizione, in un punto dello spazio, di due o più onde che si possono sommare fra di loro), le manifestazioni ondulatorie delle particelle quantistiche (sempre più evidenti aumentando la densità delle emissioni); di fatto dimostrando inequivocabilmente l’esistenza del dualismo onda-corpuscolo.
2 Uno Spazio di Hilbert è uno spazio vettoriale dove è possibile eseguire operazioni tra vettori come il prodotto scalare – cioè misurare angoli e lunghezze – ed in cui ogni successione ha però un limite dentro lo spazio.
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in anteprima, fluttuazioni quantistiche nell’ambito di una delle tante applicazioni che si stanno aprendo nel mondo quantistico, la Cromodinamica Quantistica (QCD), la teoria alla base delle interazioni forti. Componente chiave del Modello Standard dell’Universo, la Cromodinamica Quantistica (QCD) descrive le interazioni tra quark e gluoni mentre compongono particelle come protoni o neutroni – autore Derek Leinweber http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/Nobel/
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