Misteri e teorie della MECCANICA QUANTISTICA

Ho letto, a proposito della meccanica quantistica, che quando un fascio di luce attraversa due fessure parallele molto vicine, sembra avere il dono dell'UBIQUITA'.
Come si spiega?
Mariana


Cara Mariana,

Nella meccanica quantistica, si conoscono alcuni comportamenti delle particelle che non corrispondono alle leggi di Newton e della relatività. Il perché di questi comportamenti è, ad oggi, solo teorizzato; ma questo non significa che la conoscenza di questi comportamenti non può essere utilizzata, ad esempio, per il NON LOCALISMO, per la costruzione di computer quantici superveloci, o per prevedere il comportamento di materiali radioattivi.

La Teoria quantistica dei campi ci rivela che neanche un vuoto ideale, con una pressione misurata di zero Pa, è veramente vuoto. Un motivo è che le pareti della camera a vuoto emettono luce in forma di radiazione del corpo nero: luce visibile se sono alla temperatura di migliaia di gradi, luce infrarossa se più fredde. Questa "zuppa" di fotoni sarà in equilibrio termodinamico con le pareti, e si può dire di conseguenza che il vuoto ha una particolare temperatura. Ancor più importante, nel vuoto sono presenti fluttuazioni quanto-meccaniche, che lo rendono un ribollire di coppie di particelle virtuali; queste, protette dal principio di indeterminazione di Heisenberg, nascono e si annichiliscono in continuazione. Questo fenomeno quantistico potrebbe essere responsabile del valore osservato della costante cosmologica.

Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, energia e tempo, al pari di altre due grandezze come posizione e velocità, non possono essere misurate con un'accuratezza infinita.

Se lo spazio vuoto non avesse alcuna forma di energia, generata da forze o meglio da campi di alcun tipo, né gravitazionale né elettromagnetica, per una particella che si trovasse nello spazio vuoto sarebbe possibile determinare una velocità e una energia entrambe nulle, con un errore pari a zero, in violazione del principio, che porta a ipotizzare l'esistenza di fluttuazioni quantistiche nello spazio vuoto, che generano una quantità minima di indeterminazione.

Il vuoto viene interpretato dalla meccanica quantistica con il consueto binomio onda-particella. Il vuoto è pensato come un equilibrio dinamico di particelle di materia e di antimateria in continuo annichilimento.

Come per le onde in genere, sia longitudinali che trasversali, per spiegare alcuni fenomeni fisici è necessario ipotizzare una natura ondulatoria, per altri, che esista una massa.

Le particelle nel vuoto vibrano a qualsiasi lunghezza d'onda in uno spazio infinitamente esteso; in uno spazio limitato, ad esempio se si introducono due pareti, vibrano però solo a lunghezza d'onda che sono multipli e sottomultipli interi della distanza fra le pareti. In questo caso all'esterno esiste, quindi, una maggiore energia e si può misurare una forza-pressione che tende ad avvicinare le pareti (l'effetto Casimir).

Le particelle sono dette virtuali perché normalmente non producono effetti fisici; in uno spazio limitato, tuttavia, vi sono delle grandezze misurabili.

1) Lo stesso Hawkins, dopo 35 anni, ha modificato, per esempio, la sua teoria sui buchi neri.
I buchi neri sono oggetti la cui attrazione gravitazionale è immensa. Secondo la concezione classica la gravitazione è tanto potente che niente, neanche la radiazione o la luce, può allontanarsi dal buco nero. Eppure non si sa come la gravità possa essere incorporata nella meccanica quantistica; tuttavia lontano dai buchi neri gli effetti gravitazionali possono essere tanto deboli che i calcoli possono essere effettuati in modo corretto, ricorrendo solamente alla teoria del campo quantistico in uno spaziotempo curvo. Hawking ha dimostrato come gli effetti quantistici consentano ai buchi neri di emettere una radiazione del corpo nero, con soluzione esatta che corrisponde alla media della radiazione termica emessa da una sorgente termica idealizzata. La radiazione è come se fosse emessa da un corpo nero a una temperatura inversamente proporzionale alla massa del buco nero. Si può comprendere il processo a livello fisico immaginando la radiazione particella-antiparticella emessa appena oltre l’orizzonte degli eventi. Questa radiazione non proviene direttamente dal buco nero stesso, ma piuttosto è il risultato di particelle virtuali che – nascendo in coppia continuamente nel vuoto cosmico – diventano reali a causa della forza gravitazionale del buco nero. Per essere più precisi le fluttuazioni quantistiche del vuoto provocano la comparsa di coppie particella-antiparticella in prossimità dell’orizzonte degli eventi dell’oggetto celeste. Una particella della coppia cade nel buco nero, mentre l’altra riesce a fuggire nell’universo esterno. Per conservare l’energia complessiva la particella che è precipitata nel buco nero deve avere energia negativa (rispetto a un osservatore che si trovi lontano). Mediante questo processo il buco nero perde massa e a un osservatore esterno sembrerebbe che il buco stesso abbia appena emesso una particella.

2) Qualcosa di similare avviene nell’effetto tunnel quantistico, come conseguenza del principio di Indeterminazione di Heisenberg.
Classicamente una particella può oltrepassare un ostacolo (o una barriera di potenziale) soltanto se possiede sufficiente energia. In campo umano una situazione simile può essere immaginata pensando ad un atleta impegnato in un salto in alto. Se dopo adeguata rincorsa, il nostro atleta sarà in grado di esprimere sufficiente energia, riuscirà ad oltrepassare l'asticella che fissa il limite superiore del salto, viceversa rovinerà contro di essa.
La situazione appena descritta non è vera in meccanica quantistica.
Il piccolissimo grado di indeterminazione esistente tra i vari livelli di energia e tempo, si traduce in rapidissime fluttuazioni dei sistemi microfisici. Per tempi che si aggirano intorno al miliardesimo di trilionesimo di secondo, un gruppo di elettroni può prendere a prestito dal "nulla" sufficiente energia e oltrepassare una barriera di potenziale altrimenti insuperabile. Il Principio di Indeterminazione vincola però la realizzazione di una tale transizione alla rapidissima restituzione dell'energia utilizzata nel prestito.
L'Effetto Tunnel quantistico ha validità universale ed è alla base di fenomeni quali il "tunneling elettronico" e la radioattività.
Il nucleo di un atomo è normalmente circondato da una "altissima barriera" che non permette ai neutroni e ai protoni di allontanarsi da esso. Nonostante ciò (specialmente nei minerali di Uranio e Radio) in seguito all'Effetto Tunnel, gli inquilini del nucleo, possono "scavarsi ampie gallerie" e lasciarsi alle spalle le barriere di potenziale rappresentate dall'attrazione nucleare, dando così vita al fenomeno della radioattività.

3) Da quanto sopra, nel teorizzare la funzione d’onda della luce o di un fascio di elettroni nell’attraversare due fenditure vicine e parallele, che vengono racconti su uno schermo posteriore, vediamo che:
a) Già Thomas Young, aveva dimostrato che nello schermo posteriore si formavano una serie di strisce luminose parallele, separate da intervalli regolari e alternate a strisce oscure. La successione di zone chiare e zone d’ombra si poteva spiegare solo ammettendo che la luce avesse natura ondulatoria. Questa sembianza d’onda le permetteva di non propagarsi più lungo cammini rettilinei quando era costretta ad attraversare fenditure dall’apertura più stretta della distanza fra due creste d’onda successive. Le onde luminose che attraversavano la fenditura di destra si mescolavano allora con quelle che passavano per la fenditura di sinistra. Nei punti dello schermo in cui l’onda di destra arrivava in fase con l’onda di sinistra, le creste della prima si sommavano a quelle della seconda, producendo così le strisce luminose. Al contrario, nei punti dello schermo in cui le due onde arrivavano sfasate, le creste di un’onda si soprapponevano alle gole dell’altra , dando luogo ad estinzione e creando così le zone d’ombra. Queste regioni alternativamente chiare e scure, prodotte dalla luce che interferisce con se stessa, sono chiamate “frange d’interferenza”.
b) Tutto questo non fa a pugni con il senso comune, ma le cose si complicano quando ripetiamo l’esperimento delle fenditure di Young non con la luce, ma con gli elettroni. ….Sostituiamo la sorgente luminosa con un cannone elettronico del tipo di quelli degli apparecchi televisivi, e lo schermo con una fila di rivelatore di elettroni. Sorprendentemente, i rivelatori registrano proprio una successione di massimi e minimi nei punti d’impatto degli elettroni analoghi alle zone chiare e oscure osservate nel caso della luce. La conclusione è inevitabile: L’elettrone da corpuscolare si è trasformato in onda prima di arrivare alle fenditure.
Inoltre, l’elettrone-onda ha dovuto fare in modo di passare contemporaneamente attraverso le due fenditure, poiché le interferenze possono prodursi solo in caso di interazione di due onde distinte. Così grazie alla natura ondulatoria, l’elettrone può acquistare il dono dell’ubiquità: può essere dappertutto nello stesso istante, e la sua traiettoria non è più definita.
c) Il fatto che l’elettrone può essere dappertutto, intanto non significa che E’ DAPPERTUTTO, ma solo che non lo possiamo prevedere a priori (quindi un’ubiquità apparente).
d) In secondo luogo, la funzione d’onda può essere sia longitudinale e sia trasversale rispetto alla traiettoria teorica, probabilmente a causa dell’interazione di altri elettroni e particelle che nascono ed annichiliscono (tramite corrispettive particelle di antimateria) dal vuoto; per cui il ritardo della fase di funzione d’onda può far sembrare che un elettrone attraversi nell’istante X le due fessure, ma nulla esclude che invece nello stesso istante ne transitano di elettroni due (o più di due) con fase d’onda longitudinale opposta.

IN CONCLUSIONE, la fisica quantistica ci fa prevedere, in modo probabilistico, alcuni fenomeni subatomici delle particelle, permettendo delle corrette applicazioni scientifiche; ma del perché la natura si comporti in tale modo, non è ancora del tutto chiarito e si possono avanzare, al momento, solo teorie. Ricordiamo sempre la celeberrima risposta di Bohr ad Einstein: "Einstein, non dire a Dio quello che deve fare!"

Questo non significa che nella natura regni il CAOS o accadono cose MAGICHE; ma solo che:
NON SI POSSONO ESTRAPOLARE DELLE LEGGI FISICHE LOCALI IN ALTRI AMBITI E IN ALTRE SCALE, SENZA DELLE ADEGUATE VERIFICHE SPERIMENTALI. E su questo punto si è scontrata con la realtà la presunzione di filosofi metafisici e scienziati del passato.

Un caro saluto

Alessandra