Secondo articolo dedicato ai geni indiscussi del 900, visionari coraggiosi di teorie che ancora oggi si fa fatica a comprendere pienamente e che sembrano uscite da film di fantascienza, vedremo dove si sono spinte le ultime ricerche nel campo dell’infinitamente piccolo e come esse danno conferme a ciò che quasi un secolo fa fu teorizzato.

Di Gennaro Angelucci

Come per Einstein anche per i noti fondatori della meccanica quantistica, bastano alcune loro frasi celebri per capire la complessità del loro pensiero.

Schrodinger affermava: “Il compito non è tanto di vedere ciò che nessun altro ha ancora visto; ma pensare ciò che nessun altro ha ancora pensato, riguardo a quello che chiunque vede”. Mentre ironicamente Heisemberg: “Non è possibile determinare contemporaneamente un’idea di una donna e la velocità a cui tale idea cambierà”.

Inoltre entrambi affermavano che le particelle sono il risultato di una serie di equazioni differenziali.

Infinitamente piccolo

In questo secondo articolo dedicato ai geni indiscussi del 900 (qui trovate il primo), visionari coraggiosi di teorie che ancora oggi si fa fatica a comprendere pienamente e che sembrano uscite da film di fantascienza, vedremo dove si sono spinte le ultime ricerche nel campo dell’infinitamente piccolo e come esse danno conferme a ciò che quasi un secolo fa fu teorizzato.

Nei primi anni del secolo scorso la fisica subisce una forte scossa introducendo una nuova branca che darà un nuovo impulso alla ricerca ed al modo di concepire la materia e la sua struttura infinitesimale. Pone le sue basi la meccanica quantistica.  Una teoria così paradossale da stupire gli stessi fisici che l’hanno tirata in ballo. Nell’infinitamente piccolo, non valgono le leggi prevedibili della fisica classica (che calcolano con precisione il moto di un proiettile), ma quelle più misteriose e complicate della meccanica quantistica. Nonostante le caratteristiche quasi magiche, le sue leggi funzionano e descrivono dettagliatamente ed in modo preciso il mondo subatomico, atomico e le molecole.

Il mondo microscopico e le sue stranezze

Già Fraunhofer nel 1814 osservo che lo spettro cromatico della luce solare contiene numerose linee scure dette appunto “linee di fraunhofer”. Le regolarità matematiche di queste linee erano il primo segnale di quantizzazione dei livelli energetici degli elettroni atomici e quindi la base della rivoluzione scientifica avvenuta in seguito, cioè “l’atomo quantistico”.

 

Durante i primi periodi in cui si cercava di mettere le basi per questa nuova teoria i paradossi e le stranezze che essa portava erano numerose; le sue fondamenta filosofiche erano e restano fonte di grande perplessità.

Ecco la prima stranezza dell’infinitamente piccolo: “il dualismo onda particella”, cioè la descrizione delle particelle tramite onde e viceversa (IPOTESI DI DE BROGLIE “Nel 1924 portò ad ipotizzare che anche l’elettrone si comportasse come un’onda”).

Nell’esperimento della doppia fenditura, gli elettroni emessi da una sorgente impressionano una lastra posta di fronte alla doppia fenditura, osservando che essi formano frange di interferenza proprio come fa la luce.

Quantizzate

Altra stranezza sta nel fatto che nel mondo misterioso dell’infinitamente piccolo le grandezze fisiche come l’energia, momento angolare sono quantizzate, cioè non possono essere scambiate in modo continuo ma solamente attraverso pacchetti detti quanti. Un esempio sta nel fatto che un atomo può assorbire ed emettere 1,2, 5 etc fotoni ma non 4.3 o mezzo fotone (Nel 1905 Einstein ipotizzò che la radiazione sia emessa e assorbita in singoli pacchetti detti “quanti” con energia E= hv ed i quanti della radiazione elettromagnetica sono chiamati fotoni).

Principio di indeterminazione

Ma i paradossi incredibili non finiscono qui, visto che nel mondo microscopico regna l’indeterminazione. Ed infatti un altro padre della meccanica quantistica Werner Heisemberg definì il “principio di indeterminazione” uno degli assunti di base di questa teoria. Tale principio sostiene che:” non è possibile determinare con esattezza il moto ed insieme la posizione della particella”.

Il semplice osservare una particella la modifica e ne cambia le proprietà. Quindi quello che noi sappiamo è solo la probabilità di trovare l’elettrone in un punto specifico, e che esso è localizzato in una nube intorno al nucleo.

Prima della misura, lo stato dell’elettrone è descritto dall’insieme di tutti i possibili risultati, ma quando noi effettuiamo l’osservazione per scoprire dove si trova, l’elettrone compare in quel punto preciso. La sua funzione d’onda è collassata, la sua localizzazione nello spazio non è più distribuita sull’orbita intorno al nucleo ma si è stabilizzata in un punto specifico.

Quello che succede in pratica è che quando osserviamo con gli strumenti di misura, interveniamo nella creazione della realtà che stiamo studiando.

Funzione d’onda Ψ

Se Heisemberg ha imposto una descrizione probabilistica delle posizioni e quantità di moto degli elettroni negli atomi, Schrodinger nel 1927 fornì l’equazione che descrive il comportamento delle particelle non relativistiche come gli elettroni. La risoluzione di questa equazione permette di trovare la funzione, chiamata funzione d’onda Ψ, che descrive lo stato delle particelle quantistiche (elettroni) e la probabilità di trovare l’elettrone nello spazio intorno al nucleo. Le curiosità sono ancora molte e se ne parlerà in seguito.

Il microscopio quantico fotografa la struttura orbitale dell’atomo di idrogeno

Image © APS/Alan Stonebraker

Questa è la prima foto dell’orbitale dell’atomo di idrogeno, catturata nel maggio del 2013 tramite un nuovo strumento di rivelazione che permette di guardare nel regno quantico.

Il microscopio quantistico è stato realizzato da un team di fisici guidati da Aneta Stodolna presso l’Istituto Amolf (Fisica Atomica e Molecolare) di Amsterdam.

La struttura orbitale è lo spazio occupato da un elettrone in un atomo e fino a quella data non era possibile osservarla direttamente, perché come spiegato prima tra “le stranezze dell’infinitamente piccolo”, una misura di un sistema quantico fa collassare la funzione d’onda. Questo implica che solo uno dei suoi possibili stati può essere osservato.

L’idea dell’esperimento era di fare centinaia di migliaia di osservazioni eseguite nel tempo, utilizzando uno strumento che avesse potuto fornire statisticamente la media di queste innumerevoli misurazioni. Il microscopio quantico inoltre utilizza la microscopia di fotoionizzazione per visualizzare direttamente la struttura atomica.

Vediamo come funziona lo strumento utilizzato

La microscopia di fotoionizzazione è il processo fisico in cui un fotone, urtando un atomo, ne eietta uno o più elettroni (effetto fotoelettrico).

Nel caso in esame un atomo di idrogeno che ha un solo elettrone, è stato posto in un campo elettrico statico ed in seguito bombardato con impulsi laser trasversali (cioè è stato eccitato).

L’elettrone eccitato può scappare dall’atomo seguendo traiettorie dirette ed indirette rispetto al rivelatore. Si osservano così delle figure di interferenza che illustrano la forma dell’orbitale: cioè vengono rilevate le zone di impatto degli elettroni, formate dalle differenze di fase degli elettroni che si comportano come onde. Queste figure di interferenza vengono amplificate 20.000 volte da una lente elettrostatica in modo che possano essere osservate dal rivelatore.

 

Perché si è utilizzato l’atomo di idrogeno?

La scelta di utilizzare un atomo di idrogeno non è stata casuale, in quanto è l’atomo più semplice in natura: ha solo un protone ed elettrone. É uno dei più semplici sistemi atomici studiabili per i quali l’equazione di Schrodinger ha soluzione analitica. Dalla sua soluzione, funzione d’onda Ψ, i fisici possono dedurre la struttura orbitale teorica dell’atomo. Quindi utilizzando questo microscopio si è potuto comparare i dati previsti da Schrodinger con quelli sperimentali osservati.

La prima foto della struttura orbitale di un atomo di idrogeno conferma i risultati teorici dei calcoli dell’equazione di Schrodinger dipendenti dal tempo.

 

Quello che vediamo in figura sono esempi di quattro stati di idrogeno atomico. La colonna centrale mostra le misurazioni sperimentali, mentre la colonna a destra mostra i calcoli dell’equazione di Schrödinger dipendenti dal tempo. E si nota che corrispondono piuttosto bene.

In conclusione

Teoria bizzarra, strana e controintuitiva

Ma allo stato attuale è la teoria più completa che descrive il comportamento della materia, radiazione e le interazioni tra di esse, con particolare enfasi sui fenomeni di energia atomica e subatomica. Tutte le altre teorie falliscono o risultano inadeguate. Ed a distanza di 100 anni, quando Max Planck proponeva il primo modello di atomo quantizzato a partire dall’atomo di idrogeno, si ha un ulteriore conferma sperimentale ad una delle più importanti equazioni della fisica moderna, confermando ancora una volta la genialità dei loro creatori.

Geni indiscussi senza tempo che hanno cambiato il mondo diventando ispirazione per altri.

Disse di Schrodinger:

“Più o meno in quel periodo Erwin Schrödinger, uno dei fondatori della meccanica quantistica, pubblicò il suo libretto Che cos’è la vita? che mi capitò fra le mani nella biblioteca di biologia mentre ero al terzo anno, nel 1946. Che cos’è la vita? è uno di quei libri che cambiano la vita: e la mia, come quella di parecchi altri colleghi, cambiò irrevocabilmente. Schrödinger capì che l’elemento chiave dell’ereditarietà doveva essere il trasferimento di informazioni genetiche in forma di molecola di generazione in generazione”.

James Dewey Watson (colui che scopri la struttura della molecola del dna).

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