L'astronomo risponde • Meccanica quantistica

Il passaggio dalla fisica classica alla meccanica quantistica

27 Aprile 2021
4 Min Read

Si è stabilito (o c’è) un confine netto tra fisica classica e meccanica quantistica, oppure esiste un passaggio graduale (una zona franca) tra i due sistemi? Possediamo un microscopio (“virtuale”) o un esperimento mentale che possa zoomare dal macro al micro per “vedere” la barriera o un continuum (usando una metafora: una “scogliera” o un “bagnasciuga” tra terra e mare)?

Massimo

La domanda apre inevitabilmente un mondo iniziato più di un secolo fa, quando nel 1899 quando Max Planck introdusse la costante che oggi porta il suo nome (la costante di Planck) per spiegare le emissioni di un corpo nero evitando la così detta catastrofe dell’ultravioletto. Cercherò, però, di fornire i punti essenziali per comprendere nel modo migliore la questione.

sole_senza_macchie
Il Sole senza macchie – via NASA
Il punto centrale è che la distinzione vera tra fisica classica e meccanica quantistica non è fornita dal macro o dal micro, ma dal genere di termodinamica che viene utilizzata per studiare un dato sistema. L’esempio più ovvio che abbiamo sotto gli occhi ogni giorno (anche se non dobbiamo dimenticarci di non osservarlo mai direttamente) è il Sole. La stella che illumina il nostro pianeta, infatti, è una vera e propria fornace nucleare e quindi la sua evoluzione e i moti delle particelle (fotoni, elettroni, nucleoni) vengono descritti usando le equazioni della meccanica quantistica, eppure il Sole non può certo essere definito un sistema microscopico. D’altra parte per descrivere il moto del Sole all’interno della galassia utilizziamo le leggi della gravitazione scoperte da Isaac Newton in prima approssimazione o la relatività generale di Albert Einstein per fornire una descrizione più precisa. Ovvero, in funzione di cosa ci interessa capire del Sole, lo descriviamo ora con le leggi della meccanica quantistica, ora con quelle della fisica classica. Se hai presente i supereroi, potremmo dire che accade la stessa cosa anche con la Torcia Umana dei Fantastici 4!
Usiamo questo supereroe per chiarire meglio le differenze tra fisica classica e meccanica quantistica: fino a che Johnny Storm resta un essere umano normale, possiamo utilizzare le equazioni di un corpo rigido per descriverlo grossolanamente. Nel momento in cui si infiamma, diventando la Torcia Umana, risultano necessarie le equazioni della meccanica quantistica: la principale differenza tra i due approcci è, però, non tanto il macro e il micro, ma il numero di elementi che trattano. Le equazioni della fisica classica trattano un numero di oggetti relativamente limitato. Quelle della meccanica quantistica sono in grado di trattare sistemi costituiti da un numero elevato di particelle. Per capire meglio, se prendiamo il problema dei tre corpi (giusto per restare nel campo dell’astronomia), questo, pur basandosi su equazioni classiche relativamente semplici, conduce a soluzioni caotiche o statistiche, proprio come le equazioni della meccanica quantistica.
Per quel che riguarda lo zoom, ti lascio con questa immagine data dal fisico teorico John Wheeler:

Non conosco un’immagine migliore di quella di guardare l’oceano dall’alto di un aereoplano: sembra essere una superficie perfettamente liscia. Man mano che ti avvicini, vedi le onde, e mentre i avvicini ancora vedi le onde che si infrangono e vedi la schiuma. Penso che debba essere lo stesso nella geometria dello spazio, per tutta la nostra esperienza quotidiana, la geometria dello spazio è liscia e piatta. Ma mentre lo esaminiamo più da vicino, deve mostrare oscillazioni. E ancora più da vicino, deve mostrare la schiuma, una struttura simile alla schiuma. E questo significa che sotto a distanze piccolissime questa idea del prima e del dopo perde davvero di significato.(1)I don’t know any better image for it than the look of the ocean as one comes down from a plane high above the ocean, that seems to be a perfectly smooth surface. You come down closer, you see the waves, and as you get still closer you see the waves breaking and you see foam. I think it must be the same in the geometry of space, for all our everyday experience, the geometry of space is smooth and flat. But as we examine it more closely, it must show oscillations. And still more closely, it must show foam, a foam-like structure. And that means that down at the very smallest distances, this idea of before and after really lose their meaning.
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Un’interpretazione della schiuma quantistica di John Wheeler – devianart

Note

Note
↑1 I don’t know any better image for it than the look of the ocean as one comes down from a plane high above the ocean, that seems to be a perfectly smooth surface. You come down closer, you see the waves, and as you get still closer you see the waves breaking and you see foam. I think it must be the same in the geometry of space, for all our everyday experience, the geometry of space is smooth and flat. But as we examine it more closely, it must show oscillations. And still more closely, it must show foam, a foam-like structure. And that means that down at the very smallest distances, this idea of before and after really lose their meaning.
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Scritto da

Gianluigi Filippelli Gianluigi Filippelli

Ha conseguito laurea e dottorato in fisica presso l’Università della Calabria. Tra i suoi interessi, la divulgazione della scienza (fisica e matematica), attraverso i due blog DropSea (in italiano) e Doc Madhattan (in inglese). Collabora da diversi anni al portale di critica fumettistica Lo Spazio Bianco, dove si occupa, tra gli altri argomenti, di fumetto disneyano, supereroistico e ovviamente scientifico. Last but not least, è wikipediano.

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