Dannata indeterminazione!

Bene, dopo una pausa di qualche giorno, continuiamo a parlare di QM. Diciamo che abbiamo quasi finito, manca l'ultimo argomento e spero di spiegarvelo bene (cioè che voi tutti possiate capirlo).
Il secondo ingrediente della QM è stato introdotto negli anni ’30 da Werner Heisenberg il quale disse, sotto valide dimostrazioni matematiche, che non possiamo conoscere contemporaneamente la posizione di una particella, come l’elettrone, e la sua velocità. Gli esperimenti, ancora una volta, gli danno ragione. Il principio di indeterminazione di Heisenberg ha delle conseguenze importanti per la QM. Discutiamone alcune. In primo luogo esso non si applica soltanto a posizione e velocità, ma anche ad altre grandezze quali, ad esempio, energia e tempo: non è possibile conoscere contemporaneamente l’energia di una particella e il suo luogo “temporale” (cioè, conoscendo l’energia, non sappiamo rispondere alla domanda: quando?). C’è da sottolineare che il principio di indeterminazione per l’energia ed il tempo non è lo stesso di quello per le posizioni e velocità: mentre nel secondo caso abbiamo a che fare con coordinate in uno spazio ben preciso (il piano cartesiano formato da posizione e velocità si chiama spazio delle fasi), nel primo caso abbiamo di fronte due parametri. Tuttavia il significato fisico non cambia. Prendiamo un attimo in considerazione il principio di indeterminazione secondo la sua formulazione originaria: aldilà dell’espressione matematica, questo principio dice che se in un qualche modo riuscissimo a misurare, ad esempio, la velocità di un elettrone, non potremmo mai sapere dove sia. Lo stesso accade nel senso opposto: se misurassimo la sua posizione, non sapremmo mai a che velocità sta andando. Questo ha una conseguenza importante e ve la spiegherò con questo esempio. Prendete una scatola di dimensioni arbitrarie e metteteci dentro un elettrone. Supponete ora di voler misurare la sua posizione all’interno della scatola. Non avendo a disposizione un metro potete fare la cosa seguente: ritagliate le pareti della scatola e cominciate ad avvicinarle fra di loro. E’ come la pressa che hanno dove demoliscono le auto. In linea di principio, quindi, se voi idealmente riusciste a “pressare” l’elettrone tra le pareti, sapreste subito dire dove si trova. E invece non potete. Quello che accade quando voi mettete in moto la vostra pressa è questo: l’elettrone, non si sa come, si accorge che state avvicinando le pareti e comincia a muoversi sempre più freneticamente man mano che la pressa lo costringe in uno spazio più piccolo. Nemmeno portando le pareti attaccate le une alle altre riuscirete a farlo star fermo: durante il suo moto guadagnerebbe talmente tanta energia che quando ha le pareti a ridosso, lui, sapete che fa? Ebbene sì: ci passa attraverso! E così, voi che con il vostro pensiero “classico” pensavate di mettere l’elettrone nel sacco, lui, che è un diavolo quantistico, ve lo mette in quel posto e scappa via, lontano da voi e da quella maledetta pressa artigianale. In gergo, questo fenomeno di attraversamento delle barriere si chiama effetto tunnel. Tutto ciò non vi sembra strano? Ma questo non è il solo aspetto della QM a suscitare reazioni di stupore come la vostra. Sempre in base al principio di indeterminazione, abbiamo appena visto come le particelle quantistiche siano sempre in movimento, accelerando quando si cerca di fermarle. Ebbene, possiamo generalizzare la cosa e dire che il vuoto, inteso come entità nella quale nulla esiste, non esiste. O meglio, il vuoto per come lo intendiamo noi, non è affatto vuoto. Anzi, esso è un continuo brulicare di scontri, esplosioni, bolle e chi più ne ha più ne metta. Questi fenomeni che hanno luogo nel vuoto si chiamano fluttuazioni quantistiche. Non mi addentrerò nel dettaglio, ma per ora vi basta sapere questo. Ma se tutto ciò non vi ha ancora minimamente scosso, sicuramente l’interpretazione della QM trovata da Richard Feynman vi farà venire qualche dubbio e, forse, strabuzzerete gli occhi cadendo pericolosamente all’indietro dalla sedia.
Nel prossimo post farò una sorta di riassunto per fissare alcuni concetti importanti che è bene ricordarsi per il proseguo della nostra, seppur effimera, trattazione.