Q come Quanto - Dizionario Enciclopedico di Fisica Quantistica - Introduzione
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Q come Quanto - Dizionario Enciclopedico di Fisica Quantistica - Introduzione

Dall'accelleratore di particelle al campo del punto Zero

Q come Quanto - Dizionario Enciclopedico di Fisica Quantistica - Introduzione

Estratto dall'Introduzione:

La ricerca dei quanti:

"Questa breve disamina di circa cent’anni di ricerca scientifica sul mondo microscopico vuole semplicemente porre le descrizioni dettagliate della sezione principale del volume in una certa prospettiva storica. I termini tecnici trovano più completa spiegazione nel-l’elenco alfabetico delle voci.

Il mondo dei quanti è un mondo molto piccolo, microscopico. Sebbene, come vedremo a breve, gli effetti quantistici possono essere rilevanti per oggetti più grandi, come le molecole, il vero contesto quantistico è quello del mondo subatomico, e per l’esattezza della fisica delle particelle. La prima particella subatomica, l’elettrone, fu identificata da J.J. Thomson nel 1897, ovvero soltanto cento anni prima della stesura di questo volume, che intende riassumere la nostra attuale conoscenza della realtà microscopica. Non è solo in virtù di questo eccezionale anniversario che ritengo sia opportuno fare un bilancio della situazione; in effetti, i fisici delle particelle sono ormai giunti a una certa comprensione della natura delle cose e del modo in cui le cose interagiscono tra loro. Tale comprensione è la più completa e soddisfacente mai ottenuta dalla scoperta di Thomson in poi, scoperta che cambiò per sempre la nostra concezione della realtà microscopica. Il modello standard della fisica delle particelle, basato sulle regole fissate dalla meccanica quantistica, ci spiega in che modo il mondo si fondi sugli elementi fondamentali della materia, i quark e i leptoni, uniti gli uni agli altri da uno scambio di particelle chiamate gluoni e bosoni vettoriali.

Non si deve tuttavia pensare che gli stessi fisici siano giunti alla conclusione che il modello standard costituisca una teoria definitiva. Dopotutto, non include la gravità. La struttura della fisica teorica del ventesimo secolo si è basata su due grandi teorie, la teoria della relatività generale di Einstein (che descrive la gravità e l’universo nel suo insieme) e la meccanica quantistica (che descrive invece il mondo microscopico). Unire queste due grandi teorie in un solo blocco, una teoria del tutto, rappresenta quel “sacro Graal” che i fisici stanno ancora cercando in quest’inizio di ventunesimo secolo. Esperimenti capaci di saggiare con sempre maggior precisione l’accuratezza del modello standard hanno attualmente luogo negli acceleratori di particelle, come quello del CERN, a Ginevra, e quello del Fermilab, a Chicago. Di tanto in tanto emergono dati che fanno seriamente temere che il modello standard non possa essere considerato definitivo e completo. Ciò finisce per essere un’esca troppo ghiotta per i media, che partono subito lancia in testa con titoli sensazionali e proclami sul “tumulto della fisica”. In realtà, questi indizi di qualcosa oltre il modello standard sono ben accetti dalla comunità dei fisici, i quali sono del tutto consapevoli che la loro teoria, per quanto affascinante possa essere, non può rappresentare l’ultima parola. Sfortunatamente, fino a oggi nessuno degli indizi su ciò che ancora non è stato abbracciato dal modello standard ha superato esami più approfonditi. Il modello standard rappresenta tuttora quanto di meglio possiamo offrire.

In ogni caso, quale che sia la verità che ancora non possediamo, dovrà necessariamente basarsi sulle regole sancite dalla meccanica quantistica. La teoria della relatività generale racchiude in sé la versione newtoniana della gravità, come caso speciale, cosicché la teoria di Newton rappresenta ancora una descrizione utile e accurata del modo in cui le cose operano, almeno in molti campi (come per esempio il calcolo della traiettoria di una sonda spaziale che debba raggiungere Giove). Analogamente, qualsiasi teoria microscopica possa scaturire da nuove scoperte, dovrà senz’altro racchiudere la meccanica quantistica. Non possiamo certo dire che nel momento in cui Albert Einstein se n’è venuto fuori con una teoria della gravità più dettagliata le mele abbiamo cominciato a cadere dal basso verso l’alto; parimenti, nessuna nuova teoria fisica potrà fare a meno delle bizzarrie della realtà quantistica.

Se consideriamo gli standard del comune buonsenso, il mondo quantistico è veramente bizzarro! Uno degli esempi più noti è il fenomeno della dualità onda-particella. Scoprendo che l’elettrone era una particella, J.J. Thomson ci iniziò all’esplorazione del mondo microscopico; trent'anni dopo suo figlio George dimostrò che gli elettroni erano in realtà onde. Avevano entrambi ragione, e infatti conseguirono entrambi un Nobel, quale riconoscimento del loro lavoro. L'elettrone è una particella e nel contempo è anche un’onda. O meglio, non è né Luna né l’altro, ma un’entità quantistica che reagisce a un genere d’esperimento comportandosi da particella, e a un altro genere d’esperimento atteggiandosi a onda. Lo stesso può dirsi per la luce, che può comportarsi sia come corrente di particelle (fotoni) sia come onda, a seconda delle circostanze. Potremmo estendere tale realtà a ogni altro fenomeno, anche se tale dualità non si mostra con intensità degna d’attenzione nella vita quotidiana (e ovviamente è proprio questo il motivo per cui le conseguenze delle dualità onda-particella non rientrano nella comune percezione della realtà).

Tutto ciò è collegato al fenomeno dell’indeterminazione quantistica. Un’entità quantistica, come per esempio un elettrone o un fotone, non dispone di un insieme di proprietà fisso, come per esempio una palla da biliardo che rotola sul tavolo da gioco e che ha una velocità determinabile con precisione e una posizione certa in ogni preciso istante. Nel caso del fotone e dell’elettrone (e come per loro anche per tutte le altre particelle del mondo microscopico) non si sa, e non si può sapere, né dove si trovino con precisione né dove stiano precisamente andando. Potrebbe sembrare un concetto un po’ esoterico, quantomeno inverosimile, e di ben poche conseguenze sulla nostra realtà quotidiana. Ma è proprio in virtù di questa indeterminazione quantistica che i nuclei di idrogeno possono fondersi e generare calore all’interno del Sole, quindi se non ci fosse non avremmo davvero più nulla di cui preoccuparci. L’indeterminazione quantistica è importante anche nel contesto del decadimento radioattivo, che riguarda sostanze come l'uranio-235.

Con ciò abbiamo toccato un punto fondamentale della fisica quantistica. Non si tratta di una semplice teoria esotica, studiata dagli accademici isolati nelle loro torri d’avorio, a mo’ di puro esercizio intellettuale, e quindi priva di relazione con la vita quotidiana. Per calcolare in che modo realizzare una bomba atomica o una centrale nucleare capace di funzionare adeguatamente abbiamo bisogno della fisica quantistica, e sicuramente si tratta di qualcosa di fondamentale importanza per la nostra vita di tutti i giorni. Ne abbiamo bisogno anche per la progettazione di ogni genere d’apparecchiatura domestica, per esempio i laser. Non tutti collegano il laser a qualche congegno di uso quotidiano, ma non dobbiamo dimenticare che qualsiasi lettore di cd si serve del laser per leggere le informazioni registrate sul supporto stesso; inoltre, un parente prossimo del laser, il maser, viene impiegato per amplificare segnali deboli, tra cui quelli dei satelliti di telecomunicazione che ci permettono di gustare i nostri programmi televisivi preferiti.

In che modo entra in gioco la fisica quantistica? C’entra perché nel laser opera un principio chiamato “emissione stimolata”, un processo meramente quantistico i cui principi statistici vennero enunciati per la prima volta da Albert Einstein nel lontano 1916. Se un atomo ha assorbito energia in qualche modo, cosicché si trova in ciò che viene definito “stato di eccitazione”, può essere portato al rilascio di un impulso di energia elettromagnetica (un fotone) con una precisa lunghezza d’onda (lunghezza d’onda che viene determinata attraverso le regole quantistiche) sulla base di uno stimolo adeguato. Lo stimolo adeguato sopravviene allorché gli passa accanto un fotone dotato esattamente della stessa lunghezza d’onda (ovvero la stessa lunghezza d’onda del fotone che l’atomo eccitato è forzato a emettere). Quindi, in un processo piuttosto simile alla reazione a catena della fissione nucleare che ha luogo nella bomba atomica, se un’intera serie di atomi è stata eccitata nel modo corretto, un singolo fotone che la attraversa (magari in un cristallo di rubino) può spingere tutti gli atomi della serie a emettere una radiazione elettromagnetica (luce) in un impulso in cui tutte le lunghezze d’onda procedono esattamente all’unisono. Giacché tutte le onde seguono esattamente lo stesso percorso, si produce un raggio potente di radiazione elettromagnetica di grande purezza (ovvero un colore estremamente puro)."

John Gribbin

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