La nascita della QM

Sapete, giustamente alcuni post fa mi è stato detto che alcuni argomenti “fisici” che ho scritto ultimamente sono un po’ incomprensibili. In effetti, rileggendoli, mi sono accorto che è davvero così. Ad esempio, quasi tutti parlano della fisica delle particelle elementari, più o meno, e ho menzionato la teoria che ci sta alla base, ovvero la teoria quantistica dei campi (QFT). Tuttavia, a parte qualche spiegazione vacillante nel post sulle interazioni fondamentali, non ve l’ho illustrata a dovere. Quindi, cari amici non-fisici, prestate bene attenzione perché adesso mi propongo proprio questo. Come al solito cercherò di trattare la cosa nel modo più semplice possibile, anche facendo tesoro di quanto mi è stato detto. Bene, allacciate le cinture: stiamo per partire per un viaggio che ci porterà davvero distanti. Distanti dai concetti che siete abituati ad usare quotidianamente; abbandoneremo ogni senso comune del dove, del quando, del come e perfino del perché. Let’s go.
Dunque, per spiegarvi ben bene la QFT dobbiamo fare qualche passo indietro e occuparci della sua versione “classica”, la Meccanica Quantistica (QM). Mi sa che in questo post parleremo soltanto di questo. Siccome il modo più facile di spiegare un concetto astratto è di partire da una sua applicazione facilmente verificabile nel quotidiano, comincio con qualche esempio (spero) semplice.
Anzi, farò così: vi porrò delle domande che forse vi siete fatti ma che non avete saputo dargli una risposta. Innanzitutto, la più ovvia: che cos’è la luce? Provate a pensarci: cosa mai potrà essere? Quando accendete la lampada del vostro salotto, vi siete mai chiesti come mai prima era scuro e adesso è chiaro? Certo, la risposta è: diavolo, è chiaro: ho acceso la luce! Sì, ma perché la luce fa luce e non fa, ad esempio, ancora più scuro? Perché non colora tutto, ad esempio, di rosso? E, visto che ci siamo, che cosa sono i colori? Sono tutte domande legittime, se non conoscete la QM. Voglio dire, se io non so dell’esistenza della QM, non c’è nessun motivo valido perché la luce non possa fare buio! Potreste dire, se vi documentaste, che la lampada fa luce non-buia perché il filamento di tungsteno, sfruttando l’effetto Joule, diventa incandescente e rilascia un fascio luminoso. Certo, ma così avete aggirato il problema perché vi siete concentrati sul funzionamento della lampadina (che emette luce) piuttosto che sul funzionamento della luce (emessa dalla lampada). Ebbene, vi dico, la luce è un grande insieme di particelle. Ma andiamo per ordine.
Durante il XVIII secolo un certo Isaac Newton mise in evidenza la natura particellare della luce indagando i fenomeni di riflessione e rifrazione (la riflessione della luce e la sua rifrazione sono i tipici comportamenti delle particelle durante urti elastici e anelastici). Verso la seconda metà dell’800, con la scoperta dell’elettricità, si cominciarono ad effettuare degli esperimenti con luce artificiale per verificarne la vera natura. In particolare, un tipo chiamato Young dimostrò che, sotto certe condizioni, la luce si comportava come un’onda esibendo le ben conosciute figure di diffrazione e interferenza. Quindi, in alcuni casi la luce si dimostrava essere un’onda e altre volte, invece, sembrava essere costituita da particelle. E questo, per via dei risultati a cui tali esperimenti conducevano, è stato causa di un dibattito piuttosto accanito tra chi sosteneva che la luce fosse onde o particelle; si parlò pertanto di dualità onda-particella. Ma, come da sempre accade in Fisica, arrivò qualcuno che tagliò la testa al toro, dimostrando una volta per tutte che la luce è particelle: questo tizio risponde al nome di Max Planck. Quello che costui ha fatto è stato quello di prendere le equazioni che fino ad allora governavano la luce (quelle di Maxwell) e le altre onde elettromagnetiche (tipo i raggi X e gamma, gli ultravioletti e gli infrarossi, le microonde e le onde radio) e “modificarle” per rendere conto della loro natura particellare. Quello che è venuto fuori è la nota legge di corpo nero: la luce emessa dalle lampadine è approssimativamente descritta da questa legge fondamentale. In pratica, vi chiederete, cosa ha cambiato Planck? Ebbene, lui ha avanzato la geniale proposta che la luce viene trasmessa in pacchetti ben definiti: la luce emessa dalla vostra lampadina non è bianca e basta. Essa è bianca perché è la sovrapposizione di tanti di questi pacchetti, ognuno caratterizzato da un colore diverso. Ecco quindi che possiamo rispondere alla domanda “che cosa sono i colori?”. L’idea è estremamente semplice: se disponeste di uno strumento adatto (detto spettrografo) vi accorgereste che la luce della lampada è composta da tantissimi colori: c’è il rosso, il giallo, il verde, il blu e così via. Ogni colore fa parte di un ben preciso pacchetto, caratterizzato da alcune proprietà che lo distinguono dall’altro. Se pensate ad un’onda, parliamo della sua lunghezza d’onda. Se pensiamo ad una particella, parliamo della sua energia. Vedetela come volete, basta che abbiate capito il concetto: a seconda dell’energia di questi pacchetti, abbiamo un colore piuttosto che un altro. Pertanto, l’energia trasportata dalla luce è costituita da quantità discrete, dette appunto quanti di energia. In particolare, siccome ci sono anche altri tipi di quanti, come vedremo, quelli che portano luce si chiamano fotoni. Capite quindi la rivoluzione di Planck: questo qui ha spezzato le fondamenta della Fisica fino ad allora conosciuta dicendo che, almeno nel caso della luce, l’energia è quantizzata. Nasce in questo contesto la Meccanica Quantistica e continuerò a parlarvene un’altra volta, se ne avete voglia.

Non so se quanto ho detto qui lo sapevate già, amici non-fisici, ma, vi prego, ditemi se dico banalità che già conoscete: vi (mi) evitereste un sacco di post noiosi e potremmo, finalmente, occuparci della QFT.