Siamo materialisti. Abbiamo detto che questo è un punto fermo che ci posiziona agli antipodi di qualsiasi visione trascendentale per comprendere ed agire nella realtà. 

Dagli spazi immensi del cosmo, che abbiamo affrontato con Luca Tornatore in Prequel e la Fisica del cosmo, ci tuffiamo nell’infinitesimo piccolo con la fisica/meccanica quantistica. 

Lo facciamo insieme a Giuseppe, Caterina e Marco, giovan3 fisic3 che frequentano l’Officina Scift inaugurata a marzo 2025 presso Labas a Bologna. 

Abbiamo chiesto loro un’introduzione, un’infarinatura sulla meccanica e la fisica quantistica. Ci hanno accompagnato in un viaggio appassionante attraverso la storia di uomini e donne le cui teorie, in poco più di cent’anni, hanno rivoluzionato il nostro modo di vedere la realtà.

Hanno spiegato con chiarezza parole che spesso sentiamo ma di cui raramente conosciamo il significato preciso. Ci hanno mostrato come il mondo dei quanti sia già parte del nostro presente, anche nella vita quotidiana. Abbiamo poi riflettuto insieme sullo stato attuale della ricerca scientifica e sul desiderio sempre più diffuso di riappropriarsi dei saperi.

La chiacchierata si articola in quattro parti.

Vi consigliamo di ascoltare gli audio per cogliere appieno la ricchezza di quanto ci è stato raccontato. Il testo scritto raccoglie solo alcune estrapolazioni, una sorta di riassunto essenziale accompagnato da brevi note.

Grazie a Giuseppe, Caterina e Marco e buon ascolto!

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PRIMA PARTE 

Partendo dalla distinzione tra fisica e meccanica quantistica, siamo tornati indietro nel tempo, fino alle origini di tutto. È da alcune domande rimaste senza risposta che sono emerse le prime intuizioni, dando inizio all’era dei quanti. Un percorso segnato da scoperte destinate a rivoluzionare il nostro modo di conoscere e interpretare la realtà.

Distinzione tra fisica e meccanica quantistica.

Se si cerca su Google “fisica quantistica”, scorrendo i risultati cominciano ad apparire, accanto a materiale divulgativo più o meno valido, una serie di contenuti non approvati dalla comunità scientifica che spaziano, ad esempio, dalla medicina quantistica fino alla spiritualità quantistica. È un termine usato spesso impropriamente da giornalisti e da non addetti ai lavori, ma che in realtà ha * un significato scientifico ben preciso: indica l’insieme delle teorie nate a partire dalla meccanica quantistica.

Se invece si vogliono cercare informazioni di carattere più tecnico o enciclopedico, quasi da addetti ai lavori, bisogna cercare “meccanica quantistica”, che è la teoria fisica fondamentale che descrive il comportamento della materia e della luce su scala microscopica.

Quando tutto ebbe inizio.

La storia della meccanica quantistica affonda le sue radici all’inizio del secolo scorso, in un’epoca in cui i barbuti scienziati erano convinti che la scienza stesse vivendo un momento di piena salute. Era il periodo subito successivo alla rivoluzione industriale: l’epoca dei dirigibili, dei transatlantici a vapore, dell’illuminazione elettrica nelle strade e della radio. Tutte invenzioni figlie della fisica di allora, in particolare della termodinamica e dell’elettromagnetismo.

Domande che smuovono.

Sebbene la scienza avesse già prodotto una serie di applicazioni tecnologiche e si pensasse di conoscere ormai tutto ciò che serviva, restavano alcune importanti domande sul mondo che ci circonda.

• Come funziona il sole? 

Potrebbe sembrare una domanda assurda. Vediamo una palla luminosa nel cielo che brilla e che emana calore, ma all’epoca non si era ancora scoperto nessun combustibile talmente potente da poter brillare per così a lungo e così intensamente. 

• Da dove viene la radioattività?

Si era scoperto che alcuni materiali pesanti emettevano radiazioni. I famosi coniugi Curie avevano individuato il radio e altri materiali che emettevano radiazioni molto penetranti, capaci di attraversare i tessuti, con caratteristiche frequenze specifiche.

• Come sono fatti gli atomi?

Dagli sviluppi chimica del tempo, le relazioni matematiche tra le sostanze in grado di reagire le une con le altre avevano già chiarito l’esistenza degli atomi come costituenti della materia. Una nuova serie di esperimenti portava a pensare che gli atomi contenessero un nucleo molto piccolo e carico positivamente, attorno al quale orbitava una carica negativa. Ma, secondo l’elettromagnetismo classico dell’epoca, l’elettrone avrebbe dovuto schiantarsi contro il nucleo in un centesimo di miliardesimo di secondo. Eppure questo non accadeva. Perché?

• La radiazione di corpo nero come funziona? 

Era noto che alcuni corpi non riflettono la luce o altre frequenze della radiazione elettromagnetica, ma le assorbono. Si diceva che più è caldo un corpo nero, più potenza emette sotto forma di radiazione elettromagnetica. Tuttavia, l’elettromagnetismo dell’epoca sbagliava clamorosamente nel prevedere quanta energia avrebbe dovuto essere emessa: sosteneva che, alle alte frequenze, l’energia diventasse addirittura infinita. Un paradosso assurdo. Un corpo nero sarebbe stato, in teoria, una fonte di energia infinita: cosa che i dati sperimentali smentivano nettamente.

Prime risposte: Planck e i quanti.

La domanda sulla radiazione di corpo nero fu la prima a ricevere, storicamente, una risposta in chiave quantistica.

Nel 1901 Max Planck ipotizzò che negli scambi di energia tra un corpo nero e il campo elettromagnetico, l’energia venisse trasferita solo a pacchetti, i cosiddetti quanti di energia.

Cosa intendiamo per quanto? 

• Giuseppe 

Una quantità minima e indivisibile di una qualsiasi grandezza che può prendere parte a un’interazione. Quasi un’unità di misura naturale. Non abbiamo bisogno di definirla noi ma è la natura stessa che ci dà una quantità minima. 

Nota – In questa accezione, ad esempio, gli elettroni “nella periferia” di un atomo possono assorbire un quanto di energia da un’interazione ed essere strappati dall’atomo, questo viene chiarito nella parte sull’effetto fotoelettrico.

• Caterina 

E’ un’unità che si può associare a delle grandezze fisiche e che è fondamentale in certi contesti fisici perché assume delle proprietà. 

Nota – Un’altra accezione della parola “quanto” è, appunto, quella di particella di una determinata “specie” (più correttamente la particella associata a un particolare campo). Ad esempio, il quanto della luce, cioè del campo elettromagnetico, è il fotone, e ha delle proprietà universali che lo distinguono dalle altre “specie”, come l’essere elettricamente neutro, e altre proprietà che possono essere diverse da fotone a fotone, come la polarizzazione. Un quanto di materia è, ad esempio, l’elettrone, e tutti gli elettroni hanno, tra le proprietà universali, una carica elettrica ben precisa, a sua volta un quanto – nell’altra accezione! – della grandezza “carica elettrica” che misuriamo con l’elettroscopio. Se si cerca su Treccani (METTERE LINK https://www.treccani.it/enciclopedia/quanto/)

c’è proprio questa doppia definizione!

• Marco

Partendo dal paradosso del corridore Zenone e Achille con la tartaruga i quanti sono mattoncini fondamentali. Tutto ciò che avviene nello spazio lo fa in quantità discrete, minime. Una quantità che la nostra percezione di esseri umani non riesce a cogliere. 

Scoperte.

Quello che Planck aveva scoperto era alternativo a quanto si diceva perchè la luce, la radiazione elettromagnetica, era pensata come un’onda mentre la descrizione della radiazione di corpo nero in termini di quanti faceva pensare a una natura corpuscolare della luce

Un’altra scoperta fondamentale nei primi anni del novecento era stato l’effetto fotoelettrico a cui è stata data una spiegazione nel 1905 ad opera di Albert Einstein, che poi per questo vinse il premio Nobel sedici anni dopo. 

In cosa consiste l’effetto fotoelettrico? Era già noto che sottoponendo una lastra di metallo a radiazione elettromagnetica si potessero strappare degli elettroni al reticolo di atomi che costituisce il metallo. Ma la scoperta veramente innovativa fu il fatto che l’emissione di elettroni avviene solo se le onde elettromagnetiche superano una certa frequenza di oscillazione. Quello che succede è molto simile a ciò che aveva pensato Planck: la radiazione scambia energia con la materia solo in quanti proporzionali alla frequenza. Se i singoli quanti non superano l’energia necessaria a strappare l’elettrone dal reticolo, lo scambio di energia non avviene e l’elettrone resta dove è. Se invece anche solo un quanto supera la frequenza e quindi l’energia necessaria, l’elettrone viene emesso dal materiale. Questo sembra appunto suggerire a tutti gli effetti una natura non più ondulatoria della luce ma corpuscolare, come se la luce fosse fatta appunto di particelle che rimbalzano contro gli elettroni trasferendo energia, esattamente come farebbero delle palle da biliardo le une con le altre.