Nella vita quotidiana, capiamo intuitivamente come funziona il mondo. Fai cadere un bicchiere e si romperà a terra. Spingi un carro e rotolerà. Cammina verso un muro e non puoi attraversarlo. Intorno a noi ci sono leggi fisiche molto elementari che afferriamo istintivamente: la gravità fa cadere le cose a terra, spingere qualcosa lo fa muovere, due cose non possono occupare lo stesso posto allo stesso tempo.

Al volgere del secolo, gli scienziati pensavano che tutte le regole di base come questa dovessero applicarsi a tutto in natura – ma poi hanno cominciato a studiare il mondo dell’ultra-piccolo. Atomi, elettroni, onde luminose, nessuna di queste cose seguiva le regole normali. Quando fisici come Niels Bohr e Albert Einstein cominciarono a studiare le particelle, scoprirono nuove leggi fisiche che erano davvero bizzarre. Queste erano le leggi della meccanica quantistica, e presero il loro nome dal lavoro di Max Planck.

“Un atto di disperazione”

Nel 1900, Max Planck era un fisico a Berlino che studiava qualcosa chiamato “catastrofe ultravioletta”. Il problema era che le leggi della fisica prevedevano che se si riscalda una scatola in modo tale che nessuna luce possa uscire (nota come “scatola nera”), essa dovrebbe produrre una quantità infinita di radiazioni ultraviolette. Nella vita reale non è successo niente del genere: la scatola irradiava diversi colori, rosso, blu, bianco, proprio come fa il metallo riscaldato, ma non c’era una quantità infinita di niente. Non aveva senso. Queste erano leggi della fisica che descrivevano perfettamente come la luce si comportava fuori dalla scatola – perché non descrivevano accuratamente questo scenario della scatola nera?

Planck tentò un trucco matematico. Presumeva che la luce non fosse realmente un’onda continua come tutti supponevano, ma che potesse esistere solo con quantità specifiche, o “quanti”, di energia. Planck non credeva davvero che questo fosse vero per la luce, infatti più tardi si riferì a questo espediente matematico come “un atto di disperazione”. Ma con questo aggiustamento, le equazioni funzionavano, descrivendo accuratamente la radiazione della scatola.

Ci volle un po’ di tempo perché tutti fossero d’accordo su cosa significasse, ma alla fine Albert Einstein interpretò le equazioni di Planck nel senso che la luce può essere considerata come particelle discrete, proprio come gli elettroni o i protoni. Nel 1926, il fisico di Berkeley Gilbert Lewis li chiamò fotoni.

Quanti, quanti ovunque

Questa idea che le particelle potessero contenere solo grumi di energia di certe dimensioni si trasferì anche in altre aree della fisica. Nel decennio successivo, Niels Bohr la inserì nella sua descrizione del funzionamento di un atomo. Disse che gli elettroni che viaggiavano intorno a un nucleo non potevano avere quantità arbitrariamente piccole o arbitrariamente grandi di energia, potevano solo avere multipli di un “quantum” standard di energia.

Finalmente gli scienziati si resero conto che questo spiegava perché alcuni materiali sono conduttori di elettricità e altri no – poiché gli atomi con orbite di elettroni di energia diversa conducono l’elettricità in modo diverso. Questa comprensione è stata cruciale per la costruzione di un transistor, poiché il cristallo al suo centro è fatto mescolando materiali con diverse quantità di conduttività.

Ma sono anche onde

Ecco una delle cose strane della meccanica quantistica: solo perché un elettrone o un fotone può essere considerato una particella, non significa che non possa essere considerato anche un’onda. Infatti, in molti esperimenti la luce si comporta molto più come un’onda che come una particella.

Questa natura ondulatoria produce alcuni effetti interessanti. Per esempio, se un elettrone che viaggia intorno a un nucleo si comporta come un’onda, allora la sua posizione in qualsiasi momento diventa confusa. Invece di essere in un punto concreto, l’elettrone è spalmato nello spazio. Questa spalmatura significa che gli elettroni non viaggiano sempre nel modo che ci si aspetterebbe. A differenza dell’acqua che scorre in una direzione attraverso un tubo, gli elettroni che viaggiano come corrente elettrica possono a volte seguire percorsi strani, specialmente se si muovono vicino alla superficie di un materiale. Inoltre, gli elettroni che si comportano come un’onda possono talvolta scavare proprio attraverso una barriera. Capire questo strano comportamento degli elettroni era necessario quando gli scienziati cercavano di controllare come la corrente scorreva nei primi transistor.

Quindi qual è – una particella o un’onda?

Gli scienziati interpretano la meccanica quantistica nel senso che un piccolo pezzo di materiale come un fotone o un elettrone è sia una particella che un’onda. Può essere l’uno o l’altro, a seconda di come lo si guarda o del tipo di esperimento che si sta facendo. In effetti, potrebbe essere più accurato dire che i fotoni e gli elettroni non sono né una particella né un’onda – sono indefiniti fino al momento in cui qualcuno li guarda o esegue un esperimento, costringendoli così ad essere una particella o un’onda.

Questo comporta altri effetti collaterali: cioè che un certo numero di qualità per le particelle non sono ben definite. Per esempio, c’è una teoria di Werner Heisenberg chiamata principio di indeterminazione. Essa afferma che se un ricercatore vuole misurare la velocità e la posizione di una particella, non può fare entrambe le cose con molta precisione. Se misura attentamente la velocità, non può misurare altrettanto bene la posizione. Questo non significa solo che non ha strumenti di misura abbastanza buoni – è più fondamentale di questo. Se la velocità è ben stabilita, allora semplicemente non esiste una posizione ben stabilita (l’elettrone è spalmato come un’onda) e viceversa.

Albert Einstein non amava questa idea. Di fronte all’idea che le leggi della fisica lasciassero spazio a tale vaghezza, annunciò: “Dio non gioca a dadi con l’universo”. Tuttavia, la maggior parte dei fisici oggi accetta le leggi della meccanica quantistica come una descrizione accurata del mondo subatomico. E certamente fu una comprensione approfondita di queste nuove leggi che aiutò Bardeen, Brattain e Shockley a inventare il transistor.

Risorse:
— Dove va la stranezza? Why Quantum Mechanics is Strange, But Not as Strange as You Think, David Lindley
— What is Quantum Mechanics? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein in mostra all’American Institute of Physics
— Heisenberg in mostra all’American Institute of Physics