Meccanica quantistica: un'introduzione

Probabilmente hai sentito dire che la fisica quantistica è strana e bizzarra e non obbedisce alle leggi della fisica a cui sei abituato. Questo è certamente vero in larga misura. C'è una ragione per cui i fisici hanno dovuto sviluppare una nuova teoria e non fare affidamento su quelle vecchie per spiegare cosa succede nel mondo dell'estremamente piccolo.

In questa introduzione alla meccanica quantistica imparerai come gli scienziati si avvicinano al comportamento quantistico e ai fenomeni quantistici, nonché da dove provengono queste idee.

C'è davvero un sacco di stranezze nel mondo quantistico. La meccanica quantistica è la branca della fisica che tenta di spiegare quella stranezza e fornisce un quadro che consente previsioni e spiegazioni dei fenomeni osservati.

Gli aspetti fondamentali della meccanica quantistica includono la nozione di quantizzazione. Cioè, esiste una più piccola unità di qualcosa che non può essere ulteriormente scomposta. L'energia è quantizzata, nel senso che arriva in unità discrete.

Le dimensioni delle unità quantizzate sono solitamente scritte in termini di La costante di Planck, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg/s.

Un altro aspetto della meccanica quantistica è la nozione che tutte le particelle in realtà hanno la dualità particella-onda, il che significa che a volte agiscono come particelle e altre volte come onde. Infatti, sono descritti da una cosiddetta funzione d'onda.

La stranezza quantistica include la nozione che se una particella si comporta come un'onda o meno dipende in qualche modo dal modo in cui decidi di guardarla. Inoltre, alcune proprietà di una particella, come l'orientamento del suo spin, non sembrano avere un valore ben definito finché non le misuri.

Esatto, non è solo che non lo sai fino alla misurazione, ma il valore distinto effettivo non esiste fino alla misurazione.

La meccanica quantistica potrebbe essere compresa meglio confrontandola con la fisica classica, che è la fisica degli oggetti quotidiani con cui probabilmente hai più familiarità.

La prima grande differenza è a quali reami si applica ogni ramo. La fisica classica si applica molto bene agli oggetti di dimensioni quotidiane, come una palla lanciata. La meccanica quantistica si applica a oggetti molto piccoli, come protoni, elettroni e così via.

Nella fisica classica, le particelle e gli oggetti hanno una posizione e un momento distinti in un dato momento, ed entrambi possono sempre essere conosciuti con precisione. Nella meccanica quantistica, più accuratamente conosci la posizione di un oggetto, meno accuratamente conosci il suo momento. Le particelle non hanno sempre posizione e quantità di moto ben definite. Questo è chiamato il principio di indeterminazione di Heisenberg.

La fisica classica presuppone che i valori energetici che qualcosa può avere siano continui. Nella meccanica quantistica, tuttavia, l'energia esiste in blocchi discreti. Le particelle subatomiche come gli elettroni negli atomi, ad esempio, possono occupare solo livelli energetici distinti e non valori intermedi.

Anche il modo in cui funziona la causalità è diverso. La fisica classica è completamente causale, il che significa che la conoscenza degli stati iniziali consente di prevedere esattamente cosa accadrà.

La meccanica quantistica ha una versione diversa della causalità. Le particelle sono descritte da una meccanica quantistica Funzione d'onda, che fornisce le probabilità relative di ciò che potrebbe fare quando misurato. Quella funzione d'onda segue determinate leggi della fisica nel modo in cui "evolve" nel tempo e ti lascia con prevedibili "nuvole di probabilità" di ciò che la misurazione potrebbe dare.

Molti famosi scienziati hanno contribuito alla teoria dei quanti nel corso degli anni e molti hanno vinto premi Nobel per i loro contributi. In effetti, la scoperta e lo sviluppo della meccanica quantistica furono rivoluzionari. Gli inizi della teoria quantistica possono essere fatti risalire al 1800.

• Il fisico Max Planck è stato in grado di spiegare il fenomeno della radiazione del corpo nero mediante la quantizzazione dell'energia.
• Più tardi, Albert Einstein sviluppò una spiegazione del effetto fotoelettrico trattando la luce come una particella anziché come un'onda e assegnandole valori energetici quantizzati.
• Neils Bohr è famoso per il suo lavoro sull'atomo di idrogeno, dove è stato in grado di spiegare le righe spettrali in termini di principi della meccanica quantistica.
• Louis de Broglie ha presentato l'idea che le particelle abbastanza piccole, come gli elettroni, mostrano anche la dualità particella-onda.
• Erwin Schrodinger ha sviluppato il suo famoso Equazione di Schrodinger, che descrive come le funzioni d'onda evolvono nel tempo.
• Werner Heisenberg ha sviluppato il principio di indeterminazione, che ha dimostrato che né la posizione né la quantità di moto di una particella quantistica possono essere conosciute con certezza.
• Paul Dirac predisse l'esistenza dell'antimateria e fece passi avanti verso la riconciliazione della teoria della relatività generale con la teoria dei quanti.
• John Bell è noto per il teorema di Bell, che ha dimostrato che non c'erano variabili nascoste. (In altre parole, non è solo che non conosci una particella quantistica rotazione o altra proprietà prima della misurazione, ma in realtà non ha un valore ben definito prima della misurazione.)
• Richard Feynman ha sviluppato la teoria dell'elettrodinamica quantistica.

Poiché la meccanica quantistica è così strana e così controintuitiva, diversi scienziati ne hanno sviluppato interpretazioni diverse. Le equazioni che predicono ciò che accade sono una cosa: sappiamo che funzionano perché sono coerenti con osservazioni - ma capire cosa significano veramente è una questione più filosofica ed è stata oggetto di molto discussione.

Einstein caratterizzò le diverse interpretazioni sulla base di quattro proprietà:

• Realismo, che riguarda se le proprietà esistono realmente prima della misurazione.
• Completezza, che indica se la teoria quantistica attuale è completa o meno.
• Realismo locale, una sottocategoria del realismo che riguarda se il realismo esiste a livello locale e immediato.
• Determinismo, che riguarda quanto si crede che la meccanica quantistica sia deterministica.

L'interpretazione standard della meccanica quantistica è chiamata interpretazione di Copenhagen. Fu formulato da Bohr e Heisenberg mentre si trovavano a Copenaghen nel 1927. In sostanza, questa interpretazione afferma che tutto ciò che è una particella quantistica e tutto ciò che può essere conosciuto su di essa è descritto dalla funzione d'onda. In altre parole, tutta la stranezza della meccanica quantistica è davvero così strana ed è così che stanno effettivamente le cose.

Un punto di vista alternativo è l'interpretazione dei molti mondi, che elimina i risultati probabilistici del quantum of osservazioni affermando che tutti i possibili risultati si verificano effettivamente, ma in mondi diversi che sono rami della nostra corrente our realtà.

Le teorie delle variabili nascoste affermano che c'è di più nel mondo quantistico che ci permetterebbe di fare previsioni che non si basano su probabilità, ma dobbiamo scoprire alcune variabili nascoste che ci darebbero queste previsioni. In altre parole, la meccanica quantistica non è completa. Il teorema di Bell, tuttavia, ha dimostrato che le variabili nascoste non esistono a livello locale.

La teoria di De Broglie-Bohm, nota anche come teoria delle onde pilota, affronta la nozione di variabili nascoste con un approccio globale non contraddetto dal teorema di Bell.

Non sorprende che esistano molte, molte altre interpretazioni perché gli scienziati hanno avuto più di un secolo per cercare di capire la natura davvero bizzarra del mondo quantistico.

Molti esperimenti famosi sono stati eseguiti lungo la strada che ha portato e dimostrato diversi aspetti della teoria quantistica.

Un esperimento molto famoso è l'esperimento EPR, dal nome degli scienziati Einstein, Podolsky e Rosen. Questo esperimento riguardava l'idea di entanglement in un sistema quantistico. Consideriamo due elettroni, entrambi dotati di una proprietà chiamata spin. La loro rotazione, quando misurata, è in posizione su o giù.

Quando si misura lo spin di un singolo elettrone, ha una probabilità del 50% di essere su e una probabilità del 50% di essere giù. I risultati non possono essere previsti in anticipo per la meccanica quantistica. In questo esperimento, tuttavia, due elettroni sono entangled in modo tale che il loro spin combinato sia 0. Tuttavia, per la meccanica quantistica, non possiamo ancora sapere quale è spin up e quale è spin down, e infatti nessuno dei due è in nessuna delle due posizioni e si dice invece che sia in una "sovrapposizione" di entrambi stati.

Questi due elettroni entangled vengono inviati in direzioni opposte a diversi dispositivi che misureranno i loro spin contemporaneamente. Sono abbastanza distanti durante la misurazione che non c'è tempo per nessuno dei due elettroni di inviare un "segnale" invisibile all'altro per fargli sapere come viene misurato il suo spin. Eppure, quando avviene la misurazione, entrambi vengono misurati per avere spin opposto.

Il gatto di Schrodinger è un famoso esperimento mentale inteso sia a illustrare la stranezza del comportamento quantistico sia a porre il domanda su cosa si intende veramente per misurazione e se oggetti di grandi dimensioni, come un gatto, possono visualizzare quanto comportamento.

In questo esperimento, si dice che un gatto si trova in una scatola in modo che non possa essere visto dall'osservatore. La vita del gatto è resa dipendente da un evento quantistico, ad esempio forse l'orientamento dello spin di un elettrone. Se è spin-up, il gatto muore. Se è spin-down, il gatto vive.

Ma lo stato dell'elettrone è nascosto all'osservatore così come il gatto nella scatola. Quindi la domanda diventa, finché non apri la scatola, il gatto è vivo, morto o anche in qualche strana sovrapposizione di stati come lo è l'elettrone fino alla misurazione?

State tranquilli, tuttavia, nessuno ha eseguito un esperimento del genere e nessun gatto è stato maltrattato alla ricerca della conoscenza quantistica!

Il 1900 fu un periodo in cui la fisica decollò davvero. La meccanica classica non poteva più spiegare il mondo del molto piccolo, il mondo del molto grande o il mondo del molto veloce. Nacquero molti nuovi rami della fisica. Tra questi ci sono:

• ​Teoria quantistica dei campi:Una teoria che combina l'idea dei campi con la meccanica quantistica e la relatività speciale.
• ​Fisica delle particelle:Un campo della fisica che descrive tutte le particelle fondamentali e i modi in cui possono interagire tra loro.
• ​Calcolo quantistico:Un campo che cerca di creare computer quantistici che consentano un'elaborazione più rapida e migliore crittografia a causa di come il funzionamento di un tale computer sarebbe basato sulla meccanica quantistica i principi.
• ​Relatività ristretta:La teoria che descrive il comportamento degli oggetti che si muovono vicino alla velocità della luce e si basa sulla nozione che nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce.
• ​Relatività generale:La teoria che descrive la gravità come curvatura spazio-temporale.