La fisica è ormai troppo difficile. Preferirei essere un attore comico o qualcosa del genere, che un fisico.
La domanda se la luce e gli elettroni siano onde o corpuscoli contiene tutto il mistero della Meccanica Quantistica e, d’altra parte, nel regno del microscopico non ha alcun senso: dalle dimensioni dell’atomo in giù, la luce è un’onda che può comportarsi da corpuscolo e le particelle sono corpuscoli che possono comportarsi come onde. È la descrizione del loro comportamento che segue la matematica dei corpi o delle onde a seconda del contesto, non è tanto la loro natura a cambiare. Tuttavia, viene spontaneo chiedersi: se una particella va pensata anche come onda, è un’onda di cosa?
Il comportamento dei quanti trova una descrizione matematica in termini ondulatori nella funzione d’onda di Erwin Schrödinger: al contrario degli oggetti classici, i quanti non sono caratterizzati da proprietà, come posizione, velocità, energia, ben definite in ogni istante, ma si trovano generalmente in una sovrapposizione di stati in cui queste grandezze assumono contemporaneamente tutti i valori possibili. La funzione d’onda di Schrödinger non rappresenta quindi la traiettoria del quanto, la sua posizione in ogni istante, come fa la legge oraria per i corpi macroscopici, ma, seguendo l’interpretazione di Max Born, rappresenta la probabilità che un quanto sia in un punto dello spazio a un dato istante. Il comportamento ondulatorio delle particelle è così tradotto in “onde di probabilità” e la probabilità assume un ruolo strutturale nella Meccanica Quantistica.
Come emerge dal famoso esperimento della doppia fenditura con singola particella, nel quale delle particelle (ad esempio elettroni) sono inviate una alla volta contro uno schermo dotato di due aperture, nel comportamento probabilistico i quanti trovano una perfetta descrizione in termini ondulatori: le particelle cioè interferiscono come onde dopo avere attraversato le due fenditure. Al contrario, quando le proprietà delle particelle (posizione o velocità, ad esempio) sono determinate da una misura, queste assumono immediatamente un comportamento corpuscolare e non possono più essere descritte come onde.
Parallelamente a Schrödinger, la mente geniale di Werner Heisenberg descrisse i quanti con una matematica del tutto nuova. Ma, sebbene l’approccio fosse molto diverso, anche Heisenberg arrivò alle stesse conclusioni e, in particolare, al famoso principio di indeterminazione. Quanto più grande è la precisione con cui misuriamo la posizione di una particella, tanto più imprecisa è la conoscenza che possiamo avere della sua velocità, e viceversa. In generale, non è possibile che una particella sia ferma in un punto preciso dello spazio: più la particella è localizzata più la sua velocità diventa indeterminata.
L’impossibilità di sapere la posizione o l’energia di una particella prima di misurarla così come l’impossibilità di conoscere con esattezza contemporaneamente i valori di alcune coppie di grandezze, anche a seguito della misura, non rappresentano problemi o limiti legati agli strumenti o alla poca precisione della misura, ma è la natura stessa ad essere fatta così. Prima della misura, i quanti vivono in una sovrapposizione di stati possibili descrivibili solo in termini probabilistici e alcune loro proprietà, dette “coniugate”, come la posizione e la velocità, ma anche il tempo e l’energia, non possono essere conosciute contemporaneamente e con assoluta precisione.
Il fatto che il valore della costante di Planck (h) – che lega energia e frequenza del quanto attraverso la relazione E=hν – sia piccolissimo fa sì che i comportamenti quantistici, la sovrapposizione e l’indeterminazione, non si manifestino a livello macroscopico, dove possiamo ancora conoscere velocità e posizione dei corpi e calcolarne la traiettoria. Un esempio sorprendente per tutti, anche per i primi scienziati che nel Novecento dovettero farci i conti, sono le camere a nebbia. Questi strumenti erano in grado di evidenziare le tracce delle particelle cariche prodotte da sorgenti radioattive sulla Terra o provenienti dal cosmo: nuclei, protoni, elettroni, muoni e altre particelle, prodotte, nella nostra galassia o fuori da essa, da eventi cosmici ancora non del tutto compresi. Come è possibile visualizzare a ogni istante la posizione esatta di particelle microscopiche quando la meccanica quantistica nega che possano avere caratteristiche determinate? La traccia di una particella in una camera a nebbia, in realtà, non è una vera e propria traiettoria, ma una scia di goccioline provocate dagli urti della particella con le molecole di vapore, e ha uno spessore di molto superiore alle dimensioni della particella che le ha prodotte. Seppur in questo senso molto grossolane, queste tracce, e poi quelle in rivelatori ancora più sofisticati, ci hanno premesso di scoprire molto sui costituenti fondamentali della materia e le loro interazioni, dando il via allo sviluppo della fisica delle particelle.
Approfondimenti
- Quanti: lo strano comportamento delle particelle – video
- Onda o particella? – saggio di Stefania De Curtis, direttrice del GGI – Galileo Galilei Institute
Il percorso sulla Meccanica Quantistica è stato realizzato in occasione delle iniziative per il 2025 Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica. “Quanti? Uno, nessuno, centomila” è il terzo capitolo.
