L'evoluzione della fisica quantistica: dalle origini al gatto di Schrödinger

In questo appunto viene ripercorsa la storia che ha portato alla nascita della fisica quantistica e vengono esposti alcuni fenomeni che hanno portato alla nascita di questa branca della fisica partendo dalla nascita della fisica dei quanti, alla teoria di Bohr e a quella di Heisenberg.

Nascita della fisica quantistica

La storia della fisica quantistica comincia verso la fine del diciannovesimo secolo e sono i primi quarant'anni quelli più densi di avvenimenti, scoperte, proposte e polemiche.
Possiamo suddividere questi anni in tre periodi distinti.
Il primo è compreso tra il 1885 e il 1912.
Si scoprono le prime serie ordinate negli spettri atomici, si costruiscono i modelli che spiegano lo spettro della radiazione di corpo nero e l’effetto fotoelettrico e riproducono le curve del calore specifico di alcuni solidi. Non c’è ancora una teoria generale dei fenomeni che avvengono a livello atomico ma si comincia a percepire che la questione va ben al di là della quantizzazione della luce.
Il secondo periodo prende il via nel 1913 con la quantizzazione del momento angolare dell’elettrone derivata da Bohr nel suo semplice modello per l’atomo di idrogeno.
La strada verso la teoria quantistica vera e propria si è appena aperta e sono James Franck e Gustav Hertz nel 1914 a ottenere l’evidenza sperimentale del fatto che gli atomi possono cambiare la loro energia solo in maniera discreta. Il concetto di quantizzazione nello spazio introdotto nel 1916 da Arnold Sommerfeld e Peter Debye viene confermato dall’esperimento di Otto Stern e Walther Gerlach solo nel 1922.
Il periodo che segue, dal 1923 al 1927, vede lo sviluppo delle teorie e le prime formalizzazioni.
Nel 1923 Bohr introduce il principio di corrispondenza secondo il quale le leggi della fisica quantistica si devono ridurre alle leggi della fisica classica entro certi limiti. Non era ancora chiaro quali fossero questi limiti: non avviene infatti come per la relatività, che è una teoria riconducibile alla fisica classica per velocità molto più piccole di quella della luce, e i teorici impiegheranno molto tempo per trovare il modo di rendere compatibile il nuovo quadro teorico della meccanica quantistica con la fisica classica.
A partire dallo stesso anno, gli esperimenti con i raggi X di Compton portano alla luce uno strano fenomeno che De Broglie interpreta come il dualismo onda-corpuscolo, il fatto che le particelle si possono comportare in certe condizioni come onde. Nel 1926 Schrödinger introduce la funzione d’onda, un oggetto matematico che descrive lo stato fisico di un sistema quantistico e le cui caratteristiche matematiche assomigliano a quelle di un’onda. Bohr fornisce la sua interpretazione: non si tratta di onde di materia ma di probabilità. Infine, nel 1927, Heisenberg propone il principio di indeterminazione, che è alla base di tutta la faccenda !!
Il principio di Schrödinger è probabilmente uno dei principi più famosi della fisica quantistica, tale principio ha molte applicazioni e comprende diverse formulazioni.
Tale principio afferma che un oggetto può sempre essere rappresentato da due stati fisici i quali coesistono e che hanno la stessa probabilità di presentarsi; nel momento in cui si esegue la misura dello stato di tale oggetto, il sistema evolve nello stato che è stato misurato (la misura quindi, secondo Schrödinger, influenza lo stato dell’oggetto).
Per comprendere meglio tale principio si utilizza l’esempio di un gatto, il famoso “gatto di Schrödinger" e si applica tale principio al gatto.
L’oggetto che consideriamo è quindi il gatto e consideriamo che esso sia caratterizzato da due stati che corrispondono al gatto vivo e al gatto morto.
Il principio afferma quindi che prima di eseguire la misura, non è possibile affermare in quale stato sia il nostro oggetto, quindi non possiamo sapere se il gatto sia vivo o se sia morto (immaginiamo ad esempio che il gatto sia contenuto in una scatola e che noi, non potendo vedere il gatto, non possiamo sapere se esso sia vivo o morto).
Il principio afferma che nel momento in cui osserviamo il gatto in uno stato, l’oggetto evolve nello stato che abbiamo misurato, ciò equivale a dire che se vediamo il gatto vivo allora il gatto vive mentre se vediamo il gatto morto, allora il gatto muore.

Tale principio è molto utilizzato per far capire che in alcuni aspetti la fisica quantistica sembra essere molto strana e sembra affermare cose lontane dalla nostra realtà, tuttavia la fisica quantistica viene pienamente rispettata nel caso in cui si considerano distanze molto piccole o condizioni estreme e permette di descrivere alcuni fenomeni e risolvere alcuni problemi che la fisica classica non è in grado di descrivere.
Ciò non significa che una delle due fisiche sia sbagliata, entrambe le trattazioni sono corrette in ambiti ben definiti, ad esempio la fisica classica può essere espressa utilizzando la fisica quantistica, tuttavia dato che quest’ultima richiede una grande componente matematica, è conveniente descrivere alcuni fenomeni utilizzando la fisica classica.
Per ulteriori approfondimenti sull'effetto fotoelettrico vedi anche qua
Per ulteriori approfondimenti sulla relatività vedi anche qua