La meccanica quantistica è la branca della fisica relativa al molto piccolo.
Si traduce in ciò che può sembrare alcune conclusioni molto strane sul mondo fisico. Alla scala degli atomi e degli elettroni, molte delle equazioni della meccanica classica, che descrivono come le cose si muovono a dimensioni e velocità quotidiane, cessano di essere utili. Nella meccanica classica, gli oggetti esistono in un luogo specifico in un momento specifico., Tuttavia, in meccanica quantistica, gli oggetti invece esistono in una foschia di probabilità; hanno una certa possibilità di essere al punto A, un’altra possibilità di essere al punto B e così via.
Tre principi rivoluzionari
La meccanica quantistica (QM) si sviluppò nel corso di molti decenni, iniziando come una serie di controverse spiegazioni matematiche di esperimenti che la matematica della meccanica classica non poteva spiegare., Iniziò a cavallo del 20 ° secolo, nello stesso periodo in cui Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività, una rivoluzione matematica separata in fisica che descrive il movimento delle cose ad alta velocità. A differenza della relatività, tuttavia, le origini della QM non possono essere attribuite a nessuno scienziato. Piuttosto, più scienziati hanno contribuito a una fondazione di tre principi rivoluzionari che gradualmente hanno guadagnato l’accettazione e la verifica sperimentale tra il 1900 e il 1930., Sono:
Proprietà quantizzate: alcune proprietà, come la posizione, la velocità e il colore, a volte possono verificarsi solo in quantità specifiche, proprio come un quadrante che “fa clic” da un numero all’altro. Questo ha sfidato un presupposto fondamentale della meccanica classica, che ha detto che tali proprietà dovrebbero esistere su un liscio, spettro continuo. Per descrivere l’idea che alcune proprietà “cliccato” come un quadrante con impostazioni specifiche, gli scienziati hanno coniato la parola “quantizzato.”
Particelle di luce: La luce a volte può comportarsi come una particella., Questo è stato inizialmente accolto con dure critiche, in quanto ha funzionato in contrasto con 200 anni di esperimenti che dimostrano che la luce si comportava come un’onda; molto simile increspature sulla superficie di un lago calmo. La luce si comporta in modo simile in quanto rimbalza sulle pareti e si piega intorno agli angoli, e che le creste e le depressioni dell’onda possono sommarsi o annullarsi. Le creste delle onde aggiunte producono una luce più intensa, mentre le onde che si annullano producono oscurità. Una fonte di luce può essere pensata come una palla su un bastone che viene ritmicamente immersa nel centro di un lago., Il colore emesso corrisponde alla distanza tra le creste, che è determinata dalla velocità del ritmo della palla.
Onde di materia: la materia può anche comportarsi come un’onda. Ciò andava contro i circa 30 anni di esperimenti che dimostravano che la materia (come gli elettroni) esiste come particelle.
Proprietà quantizzate?
Nel 1900, il fisico tedesco Max Planck cercò di spiegare la distribuzione dei colori emessi sullo spettro nel bagliore di oggetti roventi e bianco-caldi, come i filamenti delle lampadine., Nel dare un senso fisico all’equazione che aveva derivato per descrivere questa distribuzione, Planck si rese conto che implicava che venivano emesse combinazioni di soli determinati colori (anche se un gran numero di essi), in particolare quelli che erano multipli di numeri interi di qualche valore base. In qualche modo, i colori erano quantizzati! Questo era inaspettato perché la luce era intesa come un’onda, il che significa che i valori del colore dovrebbero essere uno spettro continuo. Cosa potrebbe impedire agli atomi di produrre i colori tra questi multipli di numeri interi?, Questo sembrava così strano che Planck considerava la quantizzazione come nient’altro che un trucco matematico. Secondo Helge Kragh nel suo articolo del 2000 sulla rivista Physics World,” Max Planck, the Reluctant Revolutionary”, ” Se una rivoluzione si è verificata in fisica nel dicembre del 1900, nessuno sembrava accorgersene. Planck non ha fatto eccezione … “
L’equazione di Planck conteneva anche un numero che sarebbe poi diventato molto importante per lo sviluppo futuro di QM; oggi, è conosciuta come “Costante di Planck.”
La quantizzazione ha contribuito a spiegare altri misteri della fisica., Nel 1907, Einstein ha usato l’ipotesi di quantizzazione di Planck per spiegare perché la temperatura di un solido è cambiata di quantità diverse se si mette la stessa quantità di calore nel materiale ma si modifica la temperatura iniziale.
Fin dai primi anni del 1800, la scienza della spettroscopia aveva dimostrato che diversi elementi emettono e assorbono specifici colori di luce chiamati “linee spettrali.”Sebbene la spettroscopia fosse un metodo affidabile per determinare gli elementi contenuti in oggetti come le stelle lontane, gli scienziati erano perplessi sul motivo per cui ogni elemento emetteva quelle linee specifiche in primo luogo., Nel 1888, Johannes Rydberg derivò un’equazione che descriveva le linee spettrali emesse dall’idrogeno, anche se nessuno poteva spiegare perché l’equazione funzionasse. Questo cambiò nel 1913 quando Niels Bohr applicò l’ipotesi di quantizzazione di Planck al modello “planetario” dell’atomo di Ernest Rutherford del 1911, che postulava che gli elettroni orbitavano attorno al nucleo allo stesso modo in cui i pianeti orbitano attorno al sole. Secondo Physics 2000 (un sito dell’Università del Colorado), Bohr propose che gli elettroni fossero limitati a orbite “speciali” attorno al nucleo di un atomo., Potevano “saltare” tra orbite speciali e l’energia prodotta dal salto causava specifici colori di luce, osservati come linee spettrali. Sebbene le proprietà quantizzate siano state inventate come un semplice trucco matematico, hanno spiegato così tanto che sono diventati il principio fondante di QM.
Particelle di luce?
Nel 1905, Einstein pubblicò un articolo, “Riguardante un punto di vista euristico verso l’emissione e la trasformazione della luce”, in cui immaginava che la luce viaggiasse non come un’onda, ma come una sorta di “quanti di energia.,”Questo pacchetto di energia, suggerì Einstein, potrebbe “essere assorbito o generato solo nel suo insieme”, in particolare quando un atomo “salta” tra i tassi di vibrazione quantizzati. Ciò si applicherebbe anche, come sarebbe mostrato alcuni anni dopo, quando un elettrone “salta” tra orbite quantizzate. Sotto questo modello, i “quanti di energia” di Einstein contenevano la differenza di energia del salto; quando divisa per la costante di Planck, quella differenza di energia determinava il colore della luce trasportata da quei quanti.,
Con questo nuovo modo di immaginare la luce, Einstein offrì intuizioni sul comportamento di nove diversi fenomeni, inclusi i colori specifici che Planck descrisse essere emessi da un filamento di lampadina. Ha anche spiegato come certi colori della luce potrebbero espellere elettroni dalle superfici metalliche, un fenomeno noto come “effetto fotoelettrico”.”Tuttavia, Einstein non era del tutto giustificato nel fare questo salto, ha detto Stephen Klassen, professore associato di fisica presso l’Università di Winnipeg., In un articolo del 2008, “The Photoelectric Effect: Rehabilitating the Story for the Physics Classroom”, Klassen afferma che i quanti di energia di Einstein non sono necessari per spiegare tutti questi nove fenomeni. Alcuni trattamenti matematici della luce come onda sono ancora in grado di descrivere sia i colori specifici che Planck ha descritto essere emessi da un filamento di lampadina e l’effetto fotoelettrico., In effetti, nella controversa vittoria di Einstein del Premio Nobel del 1921, il comitato del Nobel riconobbe solo “la sua scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico”, che in particolare non si basava sulla nozione di quanti energetici.
Circa due decenni dopo la carta di Einstein, il termine “fotone” fu reso popolare per descrivere i quanti di energia, grazie al lavoro del 1923 di Arthur Compton, che mostrò che la luce sparsa da un fascio di elettroni cambiava colore. Ciò ha dimostrato che le particelle di luce (fotoni) erano effettivamente in collisione con particelle di materia (elettroni), confermando così l’ipotesi di Einstein., Ormai, era chiaro che la luce poteva comportarsi sia come un’onda che come una particella, ponendo la “dualità onda-particella” della luce nella fondazione di QM.
Onde di materia?
Dalla scoperta dell’elettrone nel 1896, la prova che tutta la materia esisteva sotto forma di particelle stava lentamente costruendo. Tuttavia, la dimostrazione della dualità onda-particella della luce ha fatto dubitare gli scienziati se la materia fosse limitata ad agire solo come particelle. Forse la dualità onda-particella potrebbe suonare vera anche per la materia?, Il primo scienziato a fare progressi sostanziali con questo ragionamento è stato un fisico francese di nome Louis de Broglie. Nel 1924, de Broglie utilizzò le equazioni della teoria della relatività speciale di Einstein per dimostrare che le particelle possono presentare caratteristiche ondulatorie e che le onde possono presentare caratteristiche simili a particelle. Poi, nel 1925, due scienziati, lavorando in modo indipendente e usando linee separate di pensiero matematico, applicarono il ragionamento di de Broglie per spiegare come gli elettroni sfrecciavano intorno agli atomi (un fenomeno che era inspiegabile usando le equazioni della meccanica classica)., In Germania, il fisico Werner Heisenberg (in collaborazione con Max Born e Pascual Jordan) ha realizzato questo sviluppando “matrix mechanics.”Il fisico austriaco Erwin Schrödinger ha sviluppato una teoria simile chiamata” meccanica delle onde.”Schrödinger mostrò nel 1926 che questi due approcci erano equivalenti (anche se il fisico svizzero Wolfgang Pauli inviò un risultato inedito a Jordan mostrando che la meccanica delle matrici era più completa).,
Il modello di Heisenberg-Schrödinger dell’atomo, in cui ogni elettrone agisce come un’onda (a volte indicata come una “nuvola”) attorno al nucleo di un atomo sostituì il modello di Rutherford-Bohr. Una clausola del nuovo modello era che le estremità dell’onda che forma un elettrone devono incontrarsi. In ” Quantum Mechanics in Chemistry, 3rd Ed.”(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna scrive, ” L’imposizione delle condizioni al contorno ha limitato l’energia a valori discreti.,”Una conseguenza di questa clausola è che sono consentiti solo numeri interi di creste e depressioni, il che spiega perché alcune proprietà sono quantizzate. Nel modello di Heisenberg-Schrödinger dell’atomo, gli elettroni obbediscono a una ” funzione d’onda “e occupano” orbitali ” piuttosto che orbite. A differenza delle orbite circolari del modello Rutherford-Bohr, gli orbitali atomici hanno una varietà di forme che vanno dalle sfere ai manubri alle margherite.,
Nel 1927, Walter Heitler e Fritz London svilupparono ulteriormente la meccanica delle onde per mostrare come gli orbitali atomici potessero combinarsi per formare orbitali molecolari, mostrando efficacemente perché gli atomi si legano tra loro per formare molecole. Questo era ancora un altro problema che era stato irrisolvibile usando la matematica della meccanica classica. Queste intuizioni hanno dato origine al campo della ” chimica quantistica.”
Il principio di indeterminazione
Anche nel 1927, Heisenberg ha dato un altro importante contributo alla fisica quantistica., Ragionò che poiché la materia agisce come onde, alcune proprietà, come la posizione e la velocità di un elettrone, sono “complementari”, il che significa che c’è un limite (correlato alla costante di Planck) a quanto bene la precisione di ogni proprietà può essere conosciuta. Sotto quello che sarebbe stato chiamato “principio di indeterminazione di Heisenberg”, si ragionava che più precisamente la posizione di un elettrone è nota, meno precisamente la sua velocità può essere conosciuta e viceversa. Questo principio di indeterminazione si applica anche agli oggetti di dimensioni quotidiane, ma non è evidente perché la mancanza di precisione è straordinariamente piccola., Secondo Dave Slaven del Morningside College (Sioux City, IA), se la velocità di un baseball è nota con una precisione di 0,1 mph, la massima precisione a cui è possibile conoscere la posizione della palla è di 0,0000000000000000000000000008 millimetri.
In seguito
I principi di quantizzazione, dualità onda-particella e il principio di indeterminazione inaugurarono una nuova era per QM., Nel 1927, Paul Dirac applicò una comprensione quantistica dei campi elettrici e magnetici per dare origine allo studio della “teoria quantistica dei campi” (QFT), che trattava le particelle (come fotoni ed elettroni) come stati eccitati di un campo fisico sottostante. Il lavoro in QFT continuato per un decennio fino a quando gli scienziati hanno colpito un posto di blocco: Molte equazioni in QFT smesso di fare senso fisico perché hanno prodotto risultati di infinito. Dopo un decennio di stagnazione, Hans Betha fatto un passo avanti nel 1947 usando una tecnica chiamata “rinormalizzazione.,”Qui, Bethe si rese conto che tutti i risultati infiniti relativi a due fenomeni (in particolare “auto-energia degli elettroni” e “polarizzazione del vuoto”) in modo tale che i valori osservati della massa degli elettroni e della carica degli elettroni potessero essere usati per far scomparire tutti gli infiniti.
Dalla svolta della rinormalizzazione, QFT è servito come base per lo sviluppo di teorie quantistiche sulle quattro forze fondamentali della natura: 1) elettromagnetismo, 2) la forza nucleare debole, 3) la forza nucleare forte e 4) gravità., La prima visione fornito con QFT è una descrizione quantistica dell’elettromagnetismo attraverso “l’elettrodinamica quantistica” (QED), che ha fatto passi da gigante alla fine del 1940 e primi anni 1950. Poi è stata una descrizione quantistica della forza nucleare debole, che è stato unificato con l’elettromagnetismo per costruire la “teoria elettrodebole” (EWT) nel corso degli anni 1960. Infine, è venuto un quantum di trattamento della forza nucleare forte utilizzo di “cromodinamica quantistica” (QCD) negli anni 1960 e 1970. Le teorie della QED, EWT e QCD, insieme, formano la base del Modello Standard della fisica delle particelle., Sfortunatamente, QFT deve ancora produrre una teoria quantistica della gravità. Questa ricerca continua oggi negli studi di teoria delle stringhe e gravità quantistica loop.
Robert Coolman è un ricercatore laureato presso l’Università del Wisconsin-Madison, finendo il suo dottorato di ricerca in ingegneria chimica. Scrive di matematica, scienza e come interagiscono con la storia. Segui Robert @ PrimeViridian. Per maggiori informazioni clicca qui.