Il mistero quantistico
La fisica quantistica, se vogliamo dirlo in parole povere, è la fisica che spiega come funziona tutto: si tratta della migliore descrizione che al momento abbiamo della natura, delle particelle che compongono la materia, e delle forze con cui interagiscono.
È alla base di come funzionano gli atomi, e quindi spiega perché la chimica e la biologia funzionano come funzionano. Voi, io e persino la scrivania, almeno a un certo livello, stiamo tutti ballando sulla melodia quantica!
Se vogliamo spiegare come gli elettroni si muovono attraverso un chip di computer, come i fotoni di luce vengono trasformati in corrente elettrica in un pannello solare oppure si amplificano in un laser , o anche solo come il sole continua a bruciare, dovremo usare la fisica quantistica. La fisica quantistica è lo studio della materia e dell'energia al livello più fondamentale, che mira a scoprire le proprietà e i comportamenti degli stessi elementi costitutivi della natura.
Le difficoltà e, per i fisici, anche il divertimento, iniziano qui! Tanto per cominciare, non esiste un'unica teoria quantistica. Esiste la meccanica quantistica, la struttura matematica di base che sta alla base di tutto, sviluppata per la prima volta negli anni '20 da Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e altri. Caratterizza cose semplici, ad esempio come cambia nel tempo il modo in cui la posizione o la quantità di moto di una singola particella o di un gruppo di poche particelle.
Ma per capire meglio come funzionano le cose nel mondo reale, la meccanica quantistica deve essere combinata con altri elementi della fisica, soprattutto con la teoria della relatività speciale di Albert Einstein, che spiega cosa succede quando le cose si muovono molto velocemente - per creare quelle che sono note come teorie quantistiche di campo. Tre diverse teorie quantistiche di campo trattano tre delle quattro forze fondamentali con cui la materia interagisce: l'elettromagnetismo, che spiega come gli atomi si tengono insieme; la forza nucleare forte, che spiega la stabilità del nucleo nel cuore dell'atomo; e la forza nucleare debole, che spiega perché alcuni atomi subiscono un decadimento radioattivo.
Negli ultimi cinquant'anni circa queste tre teorie sono state riunite in una davvero sgangherata coalizione nota come " modello standard " della fisica delle particelle. Nonostante l'impressione che questo modello sia leggermente tenuto insieme da nastro adesivo, è l'immagine più accuratamente testata del funzionamento fondamentale della materia che sia mai stata concepita. Il suo massimo splendore è arrivato nel 2012 con la scoperta del bosone di Higgs, la particella che dona la massa a tutte le altre particelle fondamentali, la cui esistenza era stata prevista sulla base delle teorie quantistiche di campo già nel 1964.
Le teorie convenzionali dei campi quantistici funzionano bene nel descrivere i risultati di esperimenti condotti su distruttori di particelle ad alta energia come il Large Hadron Collider del CERN , dove è stato scoperto l'Higgs, che sondano la materia nelle sue scale più piccole. Ma se invece vogliamo capire come funzionano le cose in molte situazioni meno esoteriche, ad esempio come gli elettroni si muovono o non si muovono attraverso un materiale solido, e quindi rendono un materiale un metallo, un isolante o un semiconduttore, le cose diventano ancora più complesse.
I miliardi e miliardi di interazioni in questi ambienti affollati richiedono lo sviluppo di teorie di campo “efficaci" che nascondano alcuni dettagli cruenti. La difficoltà nella costruzione di queste teorie è il motivo per cui molte questioni importanti nella fisica dello stato solido rimangono irrisolte, ad esempio perché a basse temperature alcuni materiali sono superconduttori che consentono la corrente senza resistenza elettrica e perché non possono far funzionare questo trucco a temperatura ambiente.
Ma sotto tutti questi problemi pratici si nasconde davvero un enorme mistero quantistico. A livello di base, la fisica quantistica prevede cose molto strane su come funziona la materia che sono completamente in contrasto con come le cose sembrano funzionare nel mondo reale. Le particelle quantistiche possono comportarsi come particelle, situate in un unico posto; oppure possono agire come onde, distribuite in tutto lo spazio o in più punti contemporaneamente. Il modo in cui appaiono sembra dipendere da come scegliamo di misurarli, e prima di misurarli sembrano non avere alcuna proprietà definita, portandoci a un enigma fondamentale sulla natura della realtà di base.
Questa sfocatura porta ad apparenti paradossi come il gatto di Schrödinger, in cui grazie a un incerto processo quantistico un gatto viene lasciato vivo e morto allo stesso tempo!
Ma non è tutto. Le particelle quantistiche sembrano anche essere in grado di influenzarsi a vicenda istantaneamente anche quando sono molto distanti l'una dall'altra. Questo fenomeno davvero imbrogliato è noto come entanglement o, in una frase coniata da Einstein (un grande critico della teoria quantistica), "azione spettrale a distanza". Tali poteri quantistici ci sono completamente estranei, eppure sono la base di tecnologie emergenti come la crittografia quantistica ultrasicura e il calcolo quantistico ultrapotente!
Ma per quanto riguarda tutto ciò, nessuno sa come interpretarlo. Alcune persone pensano che dobbiamo semplicemente accettare che la fisica quantistica spieghi il mondo materiale in termini che troviamo impossibili da quadrare con la nostra esperienza nel più vasto mondo "classico". Altri pensano che là fuori debba esserci una teoria migliore e più intuitiva che dobbiamo ancora scoprire. Altri ancora ritengono più esotericamente che sia l’intenzione a dirigere l’esistente e le sue manifestazioni.
In tutto questo, ci sono diversi elefanti nella stanza. Tanto per cominciare, c'è una quarta forza fondamentale della natura che finora la teoria quantistica non è stata in grado di spiegare. La gravità rimane il territorio della teoria della relatività generale di Einstein, una teoria decisamente non quantistica che non coinvolge nemmeno le particelle. Gli sforzi intensi nel corso di decenni per portare la gravità sotto l'ombrello quantistico e quindi spiegare tutta la fisica fondamentale all'interno di una " teoria del tutto " non hanno portato a nulla.
Nel frattempo, le misurazioni cosmologiche indicano che oltre il novantacinque per cento dell'universo è costituito da materia oscura ed energia oscura, sostanze per le quali attualmente non abbiamo proprio alcuna spiegazione all'interno del modello standard, e rimangono inspiegabili enigmi come l'estensione del ruolo della fisica quantistica nel disordinato funzionamento della vita. L’esistente a un certo livello è sicuramente quantistico, ma la fisica quantistica apre chiaramente le porte ad ulteriori interpretazioni della nostra realtà.
Se ti interessa l'argomento, puoi seguire il corso proposto dall'associazione LVDN, condotto da Chiara Zagonel docente e divulgatrice di fisica quantistica, e scoprire i principi alla base della fisica moderna, cliccando qui
