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Che cos'è la meccanica quantistica e su che cosa si basa?

(Risponde Massimo Marconato)

Attualmente non esiste una descrizione teorica generale che descriva tutti i fenomeni della fisica. Esistono molte teorie diverse che riescono a spiegare in maniera soddisfacente un settore particolare. Ogni teoria ha quindi una validità limitata. La teoria elaborata da Galileo e Newton nel XVII secolo, oggi conosciuta come meccanica classica, è sempre riuscita a spiegare in maniera soddisfacente ciò che si riusciva ad osservare; questo giustifica l'importanza e la durata di questa teoria. Grazie allo sviluppo delle tecniche di osservazione, il limite di ciò che era possibile osservare è andato continuamente spostandosi (microscopi, telescopi, ecc...). Questo ha chiaramente modificato il nostro modello della natura, dai sistemi macroscopici, a quelli microscopici. Basti pensare a tutte le rivoluzioni del modello dell'universo ottenute sempre da osservazioni più attente e accurate (telescopi, osservatori, ecc.), oppure l'incredibile evoluzione portata dalla scoperta del microscopio: pensiamo come sarebbe la nostra concezione del mondo se nessuno lo avesse ancora scoperto . Grazie a tutti questi apparati di osservazione fu possibile delineare i limiti di validità della teoria classica . Studiando e sperimentando, ci si rese conto che la teoria classica era incapace di descrivere fenomeni con velocità molto elevate (vicine alla velocità della luce nel vuoto), oltre alle quali deve essere utilizzata la teoria della relatività ristretta; e le dimensioni molto piccole, oltre alle quali deve essere utilizzata la teoria quantistica. La meccanica quantistica è nata dalla crisi della fisica classica, in quanto quest'ultima era incapace di dare delle risposte plausibili ai nuovi fenomeni che si andavano ad osservare nel mondo atomico e subatomico. Grazie alle nuove tecnologie l'uomo ha dovuto confrontarsi con nuovi oggetti, nuovi fenomeni, nuove realtà, coscente del patrimonio culturale fin oggi acquisito; ha cercato delle spiegazioni alle nuove osservazioni con i suoi metodi, ma ben presto si rese conto che questi dovevano essere potenziati, perchè incapaci di descrivere ciò che vedeva. La nascita della meccanica quantistica è una delle più grandi evoluzioni scientifiche del genere umano. In definitiva, per porre una definizione semplice possiamo affermare che: la meccanica quantistica non è altro che una parte della meccanica che studia i sistemi atomici e subatomici. La nascita della teoria quantistica la possiamo attribuire alla scoperta dei quanti (1900). Ed è di particolare importanza il problema a cui i fisici lavoravano, "il corpo nero". Il problema dei corpo nero, se trattato con teorie classiche, porta a risultati assurdi. Molti fisici cercarono di mettere a punto delle equazioni matematiche per descrivere il fenomeno, finché un fisico tedesco Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) vi riuscì; e lo fece ipotizzando l'esistenza dei quanti (quantità discrete di energia o pacchetti di energia). In questo modo Planck dimostrò che gli scambi di energia avvengono in modo discreto e non come si è sempre creduto nel "flusso" continuo di energia. Planck ricevette il premio nobel per la fisica nel 1918. Questa scoperta aprì un nuovo mondo di investigazioni scientifiche di successo. Ma la prima descrizione quantistica vera e propria fu la meccanica ondulatoria dell'austriaco E. Schroedinger (1887-1961) che utilizzò metodi matematici tradizionali impiegati in ottica e in meccanica razionale. La trattazione matematica odierna è quella elaborata dal tedesco W. Heisenberg (1901-1976), che partendo da un punto di vista completamente diverso, secondo cui la descrizione della natura a livello dei suoi costituenti ultimi non può essere effettuata dai concetti propri del mondo macroscopico, ma solo con formule matematiche in grado di prevedere il comportamento. La teoria di Heisenberg e quella di Schroedinger sono equivalenti. 


I principi fondamentali della meccanica quantistica sono:

1)Ipotesi di De Broglie Dualismo onda-corpuscolo
Ad ogni particella elementare è associata un'onda,cioè la particella è contemporaneamente un' onda e un corpuscolo.
 

2)Principio di complementarità
E' impossibile osservare comtemporaneamente i comportamenti ondulatori e corpuscolari della particella.
 

3)Le matrici di Heisenberg non commutano

Una grandezza fisica è rappresentata da una matrice. Il prodotto delle matrici dipende dal loro ordine (A*B e diverso da B*A). Questo implica che il risultato di due o più misure effettuate su una particella è in funzione dell'ordine con il quale vengono effettuate.

 

4)Principio di indeterminazione di Heisenberg
E' impossibile misurare contemporaneamente la velocità e la posizione di una particella, perché nel momento in cui misuro la velocità, modifico la posizione della particella, e nel momento in cui ne misuro la posizione, ne modifico la velocità.
 

5)Principio di corrispondenza
Quando il numero delle particelle supera un certo valore, i risultati della meccanica quantistica, coincidono con quelli della meccanica razionale. 

Dal principio di indeterminazione di Heisenberg e dall'interpretazione probabilistica di Born deriva la fondamentale caratteristica della meccanica quantistica, di essere una teoria statistica, cioè di poter prevedere la probabilità che un evento accada.

 

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