La fisica quantistica è controintuitiva, a volte persino impossibile da afferrare, nemmeno i fisici la comprendono, ma ci lavorano sopra. Essa informa gran parte della tecnologia moderna, e si può dire che nasce nel XVI secolo con un ingegnere idraulico belga, tale Stevin Simon.
La Quantistica riesce a spiegare meglio di qualsiasi altra teoria l’infinitamente piccolo, ma resta comunque una sfida aperta per il buon senso.
Nei quanti il caso è importante, tutto è frutto dell’arbitrio e nella probabilità. Ma nei quanti è fondamentale il calcolo infenitisimale scoperto da Newton, è ne costituisce il fil rouge.
Cosa spiega la Meccanica Quantistica ?
La Meccanica Quantistica spiega il comportamento dell’infinitamente piccolo, diciamo quello che non si vede.
I fenomeni naturali più grandi dell’atomo sono ben spiegati dalla meccanica classica.
Esempio come si muove un pendolo, una automobile, la luna…
Ma quando la meccanica classica tenta di spiegare i fenomeni naturali sub-atomi fallisce, allora si ricorre alla meccanica quantistica.
La teoria quantistica descrive bene la natura sub-atomica della realtà, tuttavia lascia spazio a molte domande che testimoniano che la ricerca sulla natura delle cose non è ancora finita.
Vediamo di seguito il principio di indeterminazione di Eisemberg, la costante di Plank, il vuoto, I Fotoni virtuali e le quattro forze elementari dell’atomo.
Il principio di indeterminazione di Eisemberg
Eisemberg ha chiarito perché gli oggetti grandi e piccoli hanno un comportamento fisico diverso.
Osservare significa che la luce arriva ai miei occhi. Se osservo un elettrone, significa che un fotone luminoso ha colpito un elettrone e il fotone riflettendo arriva ai miei occhi. L’elettrone è stato colpito dal fotone luminoso, allora il percorso dell’elettrone verrà deviato. Quindi osservare un elettrone significa deviarlo, e se lo devio non so più dove pensavo fosse: è il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Per osservare la Luna, occorre che sia illuminata. La Luna è un grande oggetto visibile perché illuminato. Quando osservo la Luna, come faceva il nostro Leopardi, essa non viene disturbata dalla mia osservazione.
Quando due auto si scontrano, avendo la stessa quantità di moto (massa x velocità), il loro percorso viene deviato, ma se si scontra un moscerino contro il parabrezza, il moscerino resterà spiaccicato, mentre l’auto continuerà indisturbata il suo percorso.
Quel che conta è la quantità di moto anche per oggetti piccolissimi come un elettrone, in cui la velocità è data dalla lunghezza d’onda.
La luce visibile ha lunghezza d’onda tra 380-750 nm, nm 10−9 m, e velocità è di 300.000 m/s, se moltiplico per la massa dell’elettrone 9 × 10^-31 kg, ottengo una quantità di moto p : 2,7 × 10^-25 kg x m/ s. Invece una pallina da golf vola alla velocità di 75 m/s e pesa 46 g ha una quantità di moto p : 75 m/s x 0,046 kg = 3,45 kg x m/ s. Come si vede la quantità di moto della pallina da golf 10^25 maggiore di quella della luce, quindi la luce non riesce a deviare la pallina.
Ma allora dove si trova sta particella?
Con la funzione d’onda scoperta da Schrödinger e pienamente compresa da Born, noi possiamo sapere non dove si trova una particella, ma con quale probabilità la particella si trovi proprio lì o là.
Teoria Effetto tunnel
Una particella onda attraversa una parete, ma la sua ampiezza d’onda si riduce sempre più. Se la parete è molto larga, cioé se aumenta la massa della parete, la particella onda alla fine non riuscirà a superare l’ostacolo.
Costante di Plank
La costante di Plank definisce la differenza tra oggetti grandi e piccoli.
Si definisce un oggetto piccolo quando è inferiore alla costante di Plank.
Un oggetto piccolo rientra nella teoria quantistica, mentre un oggetto più grande nella teoria tradizionale di Newton.
È il prodotto dell’incertezza della quantità di moto x l’incertezza della posizione. Quanto più conosci l’una, tanto meno conosci l’altra e viceversa.
Cioè Plank e l’indeterminazione di Heisenberg a braccetto.
Il valore di un quanto
La costante di Plank (7 x10^-34 joules/herz) x la frequenza della luce è l’energia di un quanto.
Un bar quantistico offre solo bottiglie da 1 litro, non offre 1/2 o 1/4 di birra, così la luce è fatta da quantità di energia, che non possono essere suddivise in sottomultipli, ma può essere moltiplicata in multipli. Questa unità energetica di base si chiama quanto di energia.
Un multiplo di un quanto: 1 quanto, o 2 quanti , o 3 quanti è l’energia di un pacchetto d’onda.
Equazione di Broglie
Il confine tra fisica classica di Newton e fisica quantistica è definita dalla equazione di Broglie.
Quando la distanza tra le particelle è minore delle rispettive lunghezze d’onda, i loro pacchetti d’onda si sovrappongono,e quindi perdono la loro identità. Questa distanza corrisponde all’atomo di Elio liquido, e siamo nella quantistica, ed essa lo ritroviamo nei legami fra gli atomi, e quindi nella realtà più grande.
La realtà è sia particella che onda, dipende solo dalla sua lunghezza d’onda.
Si può dire che la ragione newtoniana non è sufficiente a contenere la realtà, perché la realtà è più complessa di quel che si vede.
Cos’è il vuoto?
Il vuoto, secondo il principio dell’indeterminazione, non è proprio vuoto, il vuoto è vivo.
Il principio di indeterminazione stabiliva che nel vuoto si poteva formare della materia per brevissimi istanti e poi perdersi, si formano particelle e antiparticelle che poi si annullano.
Per cui parlare di spazio vuoto, non è proprio vero, perchè elettroni e antielettroni continuano a comparire e scomparire nel nulla. Sono le particelle virtuali. Per cui il nulla sono particelle virtuali che compaiono e scompaiono in un batter d’occhio. Quindi nel vuoto c’è una energia misteriosa.
Il big bang nacque dal nulla, si separarono materia e antimateria. Noi conosciamo la materia, ma dov’è l’antimateria. Tutto è nato col vuoto.
La teoria della meccanica quantistica meglio descrive la realtà. Quando ci fu il big bang il nulla ha modellato il tutto, una espressione della meccanica quantistica.
I Fotoni virtuali
Perché il sole attrae la terra, perché ci sono dei fotoni virtuali, che non vediamo, chiamati gravitoni.
Perché due forze elettromagnetiche vicine si influenzano, perché ci sono fotoni virtuali, che non vediamo.
Noi diciamo che esistono dei fotoni virtuali perché vediamo l’effetto, anche se non si vedono.
E’ come quando sentiamo una botta alla testa, ma non vediamo nè il sasso lanciato, né la mano che lo ha lanciato, ma la testa fa male.
I fotoni non si vedono perché sono piccolissimi, più piccoli della costante di Plank.
L’ interazione tra protoni e neutroni
L’ interazione tra protoni e neutroni avviene con scambio di fotoni, cioè di particelle luminose.
Interferenza
Le particelle e le onde scontrandosi si rafforzano o si indeboliscono fino a scomparire, questa è la interferenza.
Da sistemare
Finché un elettrone ruota nel suo orbitale non emette energia.
Quando un elettrone viene colpito dalla luce, se sufficiente (quanto), l’elettrone sale da un livello interno a uno esterno; ma l’elettrone può scendere a un livello energetico più basso ed emette un fotone.
Un elettrone non può stare tra due livelli, come tra due scalini, perché i livelli sono quantizzati.