La fisica quantistica spiegata in modo semplice

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Che cos'è la fisica quantistica? È la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e di tutte le loro interazioni. Scopri in questo interessante articolo tutto quello che non sapevi sulla fisica quantistica

Antonella Ravizza - 07/12/2019

La fisica quantistica è la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e di tutte le loro interazioni viste sia come fenomeni ondulatori sia come fenomeni particellari (dualismo onda-particella), a differenza della fisica classica o newtoniana, basata sulle teorie di Isaac Newton, che vede per esempio la luce solo come onda e l’elettrone solo come particella.

Il dualismo onda–particella

Il dualismo onda–particella è la principale causa della messa in discussione di tutte le teorie della fisica classica sviluppate fino al XIX secolo. Questa teoria si può applicare anche alla luce, infatti Young per dimostrare che la luce si propagava per onde propose un esperimento: un fascio di raggi luminosi colpiva uno schermo in cui erano presenti due fori, o fenditure, molto piccoli, che diventavano due sorgenti omogenee. A questo punto mise uno schermo che raccoglieva la luce proveniente dai due fori e vide nettamente delle frange chiare e scure, molto simili alle onde del mare provenienti da due sorgenti diverse.

Questo fenomeno non si può spiegare con la teoria corpuscolare, ma con la teoria ondulatoria. Due onde della stessa ampiezza possono essere in fase e, se interferiscono, originano un'onda sinusoidale che è somma delle sue sinusoidi componenti; possono però essere in controfase e, se interferiscono, originano un'onda nulla. Questo esperimento è molto importante perché verrà ripreso in seguito da Richard Feynman.

Intanto nel 1803 gli atomi erano considerati i costituenti fondamentali della materia. Nel 1874 G. Stoney scoprì l’elettrone e poi Rutherford il nucleo atomico, caricato positivamente, circondato da elettroni carichi negativamente come il sole in mezzo ai pianeti del sistema solare. Però seguendo la teoria elettromagnetica di Maxwell sulle cariche in moto accelerato, si giunse alla conclusione che l’atomo avrebbe dovuto collassare, invece la materia che osserviamo continuamente è stabile. A cavallo tra il XIX e il XX secolo lo studio dell’effetto fotoelettrico mise in discussione la completezza della meccanica classica, suggerendo che la radiazione elettromagnetica avesse il duplice comportamento ondulatorio e corpuscolare durante l’interazione con la materia.

L'effetto fotoelettrico

Infatti in certe situazioni, come messo in evidenza nel 1905 da Einstein con l'ipotesi del fotone nell'effetto fotoelettrico, la luce si comportava decisamente come composta da particelle. L’effetto fotoelettrico è il fenomeno che si manifesta con l'emissione di particelle elettricamente cariche da parte di un corpo esposto a onde luminose o a radiazioni elettromagnetiche di varia frequenza: gli elettroni vengono emessi dalla superficie di un conduttore metallico (o da un gas) in seguito all'assorbimento dell'energia trasportata dalla luce incidente sulla superficie stessa. Come diceva Planck la radiazione luminosa di frequenza ν è composta da particelle corpuscolari (fotoni) di energia E = h ν (h è la costante di Planck). Per riuscire a strappare un elettrone a una superficie metallica, l’energia del fotone deve essere più grande dell’energia di legame dell’elettrone nel metallo (W). Inserendo ora un amperometro fra anodo e catodo si misura così un passaggio di corrente. Se invece l’energia del fotone è inferiore a W non si ha effetto fotoelettrico, e l’amperometro non registra passaggio di corrente. La teoria ondulatoria classica prevedeva però che, all'aumentare dell'intensità della luce incidente, aumentasse l'energia degli elettroni emessi.

Nel 1902, il fisico tedesco Philipp Lenard mostrò invece che l'energia dei fotoelettroni non dipendeva dall’intensità di illuminazione, ma dalla frequenza (o dalla lunghezza d'onda) della radiazione incidente. L’intensità della radiazione determinava invece l’intensità della corrente, cioè il numero di elettroni strappati alla superficie metallica. Il risultato sperimentale era inspiegabile pensando che la natura della luce fosse solo ondulatoria.

Nel 1905 Albert Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico con l'ipotesi che i raggi luminosi trasportassero particelle, chiamate fotoni, la cui energia è direttamente proporzionale alla frequenza dell’onda corrispondente: incidendo sulla superficie di un corpo metallico, i fotoni cedono parte della loro energia agli elettroni liberi del conduttore, provocandone l'emissione. Allora l'energia dell'elettrone liberato dipende solo dall'energia del fotone, mentre l’intensità della radiazione è direttamente correlata al numero di fotoni trasportati dall’onda, e dunque può influire sul numero di elettroni estratti dal metallo, ma non sulla loro energia. Era difficile credere che la luce presentasse una specie di dualismo, apparendo come onda o come particella a seconda degli esperimenti. De Broglie nel 1924 ipotizzò che tutta la materia manifestasse lo stesso dualismo.

L'esperimento della doppia fenditura

Nel 1927 Davisson e Germer ebbero la prova sperimentale di tale comportamento: osservarono figure di diffrazione facendo attraversare un cristallo di nichel da un fascio di elettroni (la diffrazione è un fenomeno associato alla deviazione della traiettoria di propagazione delle onde quando queste incontrano un ostacolo sul loro cammino). Nasceva da qui la possibilità di utilizzare fasci di particelle per eseguire esperimenti di interferenza con due fenditure, proprio come Young aveva fatto con la luce.

L’esperimento delle due fenditure permette di dimostrare la dualità onda-particella della materia. Richard Feynman ripeteva che questo esperimento era la chiave per comprendere la meccanica quantistica. Questa volta vennero usate lastre rilevatrici moderne e una sorgente estremamente debole di luce o elettroni. Aprendo soltanto una fenditura (ad esempio, quella di sinistra), sulla lastra fotografica si ottiene la proiezione della fenditura. Aprendo ora solo la fessura destra si forma una figura speculare a quella precedente. La luce risponde quindi perfettamente alla teoria corpuscolare di Newton. Ora, provando a prevedere che figura risulterebbe dall’apertura contemporanea di entrambe le fenditure, secondo la teoria corpuscolare si verificherebbe la semplice sovrapposizione delle due figure precedenti. In realtà, quella che si genera è una figura di interferenza, ovvero in questo caso la luce si comporta come un’onda meccanica: sulla lastra fotografica avremmo in alcuni punti sovrapposizioni di picchi o ventri, in altri cancellazioni. Ciò dimostra inequivocabilmente l'esistenza del dualismo onda-corpuscolo, sia della materia che della radiazione elettromagnetica.

Niels Bohr introdusse anche il principio di complementarità, secondo il quale i due aspetti, corpuscolare e ondulatorio, non possono essere osservati contemporaneamente perché si escludono a vicenda, ovvero il tipo di esperimento determina il successivo comportamento delle particelle in esso coinvolte.

Ma com’è possibile che un singolo elettrone si comporti come un’onda e faccia interferenza con se stesso?! Fino a quando l’elettrone non viene rivelato sul bersaglio, esso non si trova mai in un punto preciso dello spazio, ma esiste in uno stato potenziale astratto descritto da una funzione di probabilità, che si propaga come un’onda e non secondo una traiettoria definita.

De Broglie e Schrödinger tentarono di descrivere tutto il mondo quantistico in termini di onde, abolendo il concetto di particella. Ma per cogliere l’elettrone sul fatto, dobbiamo rivelarlo. La meccanica quantistica non ci permette di avere contemporaneamente la figura di interferenza e la conoscenza del singolo foro da cui l’elettrone è passato. O l’uno o l’altro: o l’elettrone viene rivelato come particella oggettiva, e quindi non produce interferenza, o è un’onda estesa, ed in tal caso non passa da un solo foro, bensì da tutte e due: è come se fosse passato da tutte e due.

Questo è un po’ come il conosciutissimo paradosso del gatto di Schrödinger: gatto vivo o gatto morto; non si sa fino a che non si vede il gatto effettivamente aprendo la scatola, altrimenti si considera vivo e morto contemporaneamente.

Erwin Schrödinger nel 1935 introdusse il termine di entanglement: se due particelle si fanno interagire per un certo periodo e quindi vengono separate, quando si sollecita una delle due in modo da modificarne lo stato, istantaneamente si manifesta sulla seconda un’analoga sollecitazione a qualunque distanza si trovi rispetto alla prima.

Il fenomeno dell'entanglement viola il «principio di località» per il quale ciò che accade in un luogo NON può influire immediatamente su ciò che accade in un altro. Ecco un esempio: due particelle vengono lanciate in direzioni opposte. Se la particella A, durante il suo tragitto incontra una carica magnetica che ne devia la direzione verso l’alto, la particella B, invece di continuare la sua traiettoria in linea retta, devia contemporaneamente la direzione assumendo un moto contrario alla sua gemella. Questo esperimento dimostra che le particelle sono in grado di comunicare tra di loro trasmettendo ed elaborando informazioni e dimostra anche che la comunicazione è istantanea.

Nell'Ottobre del 1998 il fenomeno dell’entanglement è stato definitivamente confermato dalla riuscita di un esperimento effettuato dall'Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, in California. In conclusione, la meccanica quantistica nel microscopico ci ha condotto ad abbandonare la descrizione della fisica classica deterministica, per arrivare a una descrizione probabilistica in cui gli stati e le proprietà del mondo microscopico non sono determinati, a priori, intrinsecamente, ma acquisiscono realtà solo se vengono misurati o se entrano in contatto con altri “oggetti”.

Questo stravolge la descrizione di un mondo che fino al secolo scorso sembrava sensato e ragionevole. Chissà quali altre stravolgenti scoperte ci riserverà il futuro!

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Editore: Scienza e Conoscenza - Editore

Data pubblicazione: Luglio 2015

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Quantum Jazz

Quantum Jazz: quando la musica incontra la meccanica quantistica

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La fisica e la meccanica quantistica sono ancora incomprensibili ai più: Ignazio Licata con il suo concerto Quantum Jazz apre lo spazio all'immaginazione quantistica

Redazione Scienza e Conoscenza - 05/12/2019

Si sa che la fisica quantistica ha rivoluzionato il panorama classico introducendo i quanti, che sono entrati in scena come ipercinetiche figurine di Paul Klee con la musica di Stravinskij. Ma oggi in cui tutto è ormai quantistico – dai campi/particelle fino alla cosmologia – permane la fama di teoria “incomprensibile” ai più.

Tutto questo è dovuto sicuramente al fatto che la meccanica quantistica chiede uno sforzo cognitivo totalmente nuovo, che non è meno arduo per lo specialista come per il profano.

Niels Bohr sosteneva che è impossibile dare una rappresentazione di ciò che è lontano dall’esperienza quotidiana, dove si sono formati il nostro linguaggio e l’intuizione.

Dopo un secolo è ancora vero? Oggi che è possibile manipolare qubit in laboratorio, possiamo farci un’idea dei fenomeni non locali e dei sistemi quantistici?

Il “concerto” Quantum Jazz di Ignazio Licata costituisce un esperimento di comunicazione sui concetti della meccanica quantistica, ma soprattutto una guida all’immaginazione quantistica.

Per info: https://www.facebook.com/odradek.spheres/

Iperspazio - Hyperspace — Libro >> http://bit.ly/2SDPjTW

Un viaggio scientifico attraverso gli universi paralleli, le distorsioni del tempo e la decima dimensione.

Michio Kaku

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Che cos'e' la sofferenza?

Che cos'e' la sofferenza?

Ce ne parla il professor Guido Giarelli

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Viviamo in un tempo di grande sofferenza, un malessere sociale diffuso talora esplicito e mediatizzato, talora impalpabile, silenzioso e occultato dai mass media: come inquadrare questa situazione di disagio?

Carmen Di Muro - 03/12/2019

Forse come non mai, in questo periodo storico, la salute, la malattia e la medicina costituiscono i punti salienti per una visione privilegiata della società e delle sue trasformazioni, ma soprattutto della condizione umana. Da questa prospettiva di osservazione si colloca il contributo di Guido Giarelli, sociologo e professore di “Sociologia generale e della salute” presso l’Università ‘Magna Græcia’ di Catanzaro, Vice-President of ISA RC15 Sociology of Health, al quale va il merito, oltre di aver operato il superamento della storica frattura tra scienze biomediche e scienze sociali attraverso un nuovo paradigma connessionista – che per la prima volta in Italia ha visto l’inserimento organico delle discipline sociologiche in una Facoltà di Medicina – di donarci spunti dilatati per poter ricomprendere la complessità dell’essere umano e la multidimensionalità del reale, partendo da uno dei temi ontologici fondamentali, quale quello della sofferenza. Viviamo, infatti, in un tempo di grande sofferenza, un malessere sociale diffuso talora esplicito e mediatizzato, talora impalpabile, silenzioso e occultato dai mass media. Da qui prende le mosse il suo discorso scientifico sulla sofferenza che si snoda tra le righe del suo nuovo libro Sofferenza e condizione umana. Per una sociologia del negativo nella società globalizzata edito da Rubbettino, in cui Giarelli offre un’analisi ad ampio raggio della dimensione esistenziale, come radicale significazione conoscitiva del rapporto inscindibile tra sé e mondo attuale, premessa indispensabile per l’iniziazione ad un’azione non moralistica, ma responsabilmente efficace.

Professor Giarelli lei ha scritto numerosi saggi. In rapporto al suo ultimo volume, lei parla di sofferenza come componente intrinseca della condizione umana. Cosa ha motivato il suo viaggio epistemologico?

Sino ad oggi non è esistita una riflessione sociologica, in generale scientifica, sulla sofferenza. Il concetto di sofferenza è stato bandito dalle scienze sociali e questo è abbastanza strano se pensiamo che, in fondo, le scienze sociali sono nate proprio per spiegare quei fenomeni come la povertà e l’alienazione, che in qualche modo implicano sicuramente sofferenza. Uno dei motivi di questa mancata considerazione del concetto di sofferenza nelle scienze sociali parte da una distinzione banale tra il dolore da un lato, visto come fatto puramente sensoriale e relegato all’ambito delle scienze neurologiche e mediche, e la sofferenza dall’altro, interpretata come una categoria più puramente psichica, appannaggio della psicologia e delle scienze sociali. Per superare questa distinzione triviale occorre tener presente, come già Illich ci ha insegnato, che “in ogni dolore c’è un’interpretazione che noi chiamiamo sofferenza”. Questo è il contributo precipuamente umano alla percezione del dolore, per cui quando noi percepiamo il dolore lo traduciamo mentalmente e culturalmente in sofferenza, secondo le categorie della nostra cultura. Viceversa siamo in grado, anche senza provare dolore, di soffrire nel momento in cui riteniamo che una determinata esperienza di vita ci produca sofferenza. La distinzione tra dolore e sofferenza va superata dal momento che tra le due c’è una stretta interconnessione, così come esiste una stretta relazione tra corpo e mente.

Lei è stato uno dei primi nel panorama nazionale a parlare di Medicina Narrativa. Qual è il potere della narrazione in medicina nel trasformare le storie di malattia e di sofferenza in storie di cura?

Preferisco parlare di “narrazione in medicina” piuttosto che di Medicina Narrativa perché, per chi non è addentro a questo ambito, il rischio è quello di intenderla come un approccio terapeutico, e infatti c’è chi utilizza le narrazioni in chiave terapeutica, ma questo non è il vero senso della narrazione in medicina. Si tratta, invece, di utilizzare la narrazione come uno strumento fondamentalmente metodologico che ci consente di tener conto in maniera più completa di quello che è l’incontro terapeutico, al di là della visione riduzionistica di questo incontro, che poi è quella che ha dominato fino ad oggi il panorama biomedico. Il potere della narrazione è il potere del simbolico, ovvero della nostra capacità di pensare alla realtà e di definirla secondo delle categorie culturalmente acquisite attraverso il processo di socializzazione. Da questo punto di vista, se consideriamo la malattia come un evento sociale che si realizza tra soggetto soffrente ed équipe terapeutica, la narrazione ci dona la possibilità di uscire dall’esclusivismo del punto di vista biomedico portandone alla luce molti altri. Non esiste un unico punto di vista sulla malattia, così come non esiste un unico modo di affrontarla, e la prima utilità della narrazione è quella di comprendere questa pluralità. La seconda utilità, che poi è quella fondamentale, è quella di andare a ridefinire la trama dell’incontro terapeutico, ovvero le relazioni che connettono tra di loro questi diversi punti di vista e le azioni conseguenti, in modo tale da mettere “la realtà al congiuntivo”, cioè al possibile, al fine di operare una modificazione dell’esistente tale da mettere in atto la cura e, possibilmente, la guarigione. Questo può avvenire se, una volta utilizzate le narrazioni per capire i diversi punti di vista, si cerca di ridefinire insieme un percorso, una diagnosi, una terapia e una riabilitazione, al fine di risolvere il problema che si sta affrontando.

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Scienza e Conoscenza n. 65 - Luglio-Settembre 2018 >> https://goo.gl/oH72LH

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