AVVERTENZA:
la
teoria dei quanti o meccanica quantistica è un argomento abbastanza
complesso che non è semplice trattare senza usare riferimenti fisici
o termini tecnici. Quindi mi scuso fin da ora con i lettori se questo
articolo non risponde a tutte le domande.
Come
detto in apertura la teoria dei quanti può anche essere chiamata
meccanica quantistica: il significato è pressoché identico.
La
fisica dei quanti non è altro che un insieme di teorie che
descrivono il comportamento della materia a livello microscopio.
Infatti,
fino ai primi del 1900 si supponeva che la particella più piccola
della materia fosse l’elettrone
(http://curiosity100.blogspot.com/2019/08/latomo.html).
Invece
determinati studi hanno dimostrato che ci dev’essere qualcosa di
ancora più piccolo dell’elettrone.
Questa
particella più piccola non potrebbe esistere perché la sua massa
sarebbe talmente piccola per cui la sua energia sarebbe pressoché
nulla
(http://curiosity100.blogspot.com/2018/06/rapporto-tra-materia-e-energia.html
e http://curiosity100.blogspot.com/2019/09/cosa-significa-emc2.html):
si ricorda che il rapporto tra massa ed energia è spiegato dalla
formula :
E=mc2.
Ma
allora come poter spiegare determinati fenomeni che si sono
verificati durante gli esperimenti?
Ecco
che viene creata la fisica quantistica.
Secondo
tale teoria la materia subatomica esiste e assorbe energia non in
modo continuo (è troppo piccola), ma a pacchetti chiamati appunto
“quanti”.
In
questo modo si può ipotizzare che esista una materia subatomica più
piccola dell’elettrone e che possa avere una certa energia
(ovviamente infinitesimale).
Ma
a noi cosa importa una scoperta del genere?
Come
tutte le grandi scoperte si deve aspettare un certo periodo di tempo
perché possano avere una qualche applicazione pratica.
Ed
ecco che infatti già si hanno due applicazioni molto importanti.
La
prima riguarda la creazione di pannelli fotovoltaici e la loro
manutenzione.
Questi
pannelli sono dei congegni che consentono di convertire a luce del
sole in energia elettrica.
I
pannelli fotovoltaici oggi (Novembre 2019) sono largamente usati in
moltissimi casi, ma senza la fisica quantistica il loro rendimento
sarebbe stato talmente basso da renderli quasi completamente
inutilizzabili e la loro manutenzione onerosa: bastava un piccolo
graffio sulla superficie trasparente o una patina opaca da non farli
funzionare più.
Invece
accettando la fisica quantistica si sono potuti usare altri materiali
che hanno una resa molto più alta (a patto che si utilizzi la luce
solare e non una semplice lampadina) e la manutenzione diventa quasi
nulla.
Infatti
se l’energia che colpisce questi pannelli non è continua, ma a
pacchetti, il materiale (qualunque esso sia) atto a convertire questa
energia può lavorare a pieno ritmo.
Mi
spiego. Pensiamo a come riempire una bottiglia d’acqua da un
rubinetto che eroga moltissima acqua. Se noi mettiamo la bottiglia
sotto questo rubinetto essa si riempirà, ma ci metterà un certo
tempo per riempirsi completamente.
E
se a noi serve l’acqua nella bottiglia velocemente? Ci dobbiamo
accontentare di una quantità di acqua inferiore a quella che ci
occorre realmente.
Se
invece pacchettizziamo la quantità di acqua da mettere nella
bottiglia con un bicchiere, riempiremmo la bottiglia molto più
velocemente e completamente.
Quindi
potremmo utilizzare una maggiore quantità di acqua in tempi
relativamente e ragionevolmente brevi.
Il
rubinetto sarebbe il sole e l’acqua al sua luce. La bottiglia i
panelli solari e il bicchiere il modo di travaso “alternativo”
dell’acqua,
Un’altra
importante applicazione è nel campo informatico ed esattamente nel
campo hardware.
Da
quando sono stati creati i primi computer elettronici la memoria è
stata sempre un problema.
Infatti,
il computer sa fare solo due operazioni: 1+1 e 1-1.
Quindi
perché possa compiere dei calcoli complessi velocemente deve avere
un microprocessore (chiamato coprocessore matematico) molto veloce,
ma anche una quantità di memoria elevato.
Mi
spiego. Poniamo caso che dobbiamo eseguire la seguente operazione:
1+2.
Come
detto i computer non sanno fare una simile operazione, però sanno
fare 1+1 per due volte.
Però
per fare ciò serve un luogo (la memoria) dove poter contenere il
comando “1+1” per due volte.
Se
la memoria è libera il calcolo è eseguito immediatamente, ma se è
occupata si deve attendere che si libera e non soltanto una piccola
parte, ma tutta quella che serve a contenere “1+1” due volte.
Attualmente
le memorie tradizionali agiscono utilizzando la fisica classica e
quindi utilizzando gli elettroni (l’energia elettrica) per
contenere determinate informazioni.
Però
oltre alla velocità relativamente bassa c’è anche una questione
di dimensioni della memoria.
Se
invece si utilizzano i computer quantistici avremmo velocità e
dimensioni della memoria enormemente superiori a quelle attuali,
Un’avvertenza
che però è doverosa fare è che attualmente i computer quantistici
non esistono se non in teoria.
Il
motivo è da ricercasi nel fatto che la teoria quantistica è molto
giovane ed ancora in fase di elaborazione (anche se moltissime cose
sono già state ultra confermate).
Quindi
si formulano teorie su come dovrebbero funzionare questi computer, ma
nulla di più.
Però
si parte dalla teoria per arrivare alla pratica e quindi si può
affermare che la teoria quantistica ha un’applicazione pratica
nell’industria dei computer.
A
questo punto mi sembra doveroso descrivere in maniera più
scientifica di cosa tratta la fisica quantistica.
Però
questa parte è solo una ripetizione più “complicata”
dell’argomento, per cui il lettore può anche saltare tutta questa
parte e andare alla fine dell’articolo.
Per
facilitare ciò questa parte sarà scritta in corsivo.
La
fisica quantistica spiegata in modo semplice altro non è che la
teoria che descrive il comportamento della materia, della radiazione
e di tutte le loro interazioni, a livello microscopico.
Volendo
dare una più precisa definizione di teoria quantistica riportiamo
qui di seguito quella fornita da Wikipedia.
“La
meccanica quantistica (anche detta fisica quantistica o teoria dei
quanti) è la teoria fisica che descrive il comportamento della
materia, della radiazione e le reciproche interazioni, con
particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di
lunghezza o di energia atomica e subatomica”
La
teoria quantistica, formulata da Max Planck agli inizi del Novecento,
nasce da una ricerca condotta sulla radiazione emessa da un corpo
nero.
Tale
corpo ha la capacità di assorbire tutte le radiazioni incidenti e di
irradiarle a sua volta in maniera dipendente dalla temperatura ma
indipendente dalla natura del materiale.
La
teoria dei quanti e i successivi studi condotti da Einstein
sull’effetto fotoelettrico portano alla scoperta della natura
corpuscolare della luce.
La
teoria dei quanti si basa sul criterio della quantizzazione: quantità
fisiche come l’energia non possono essere scambiate in modo
continuo ma attraverso ‘pacchetti’ (quanti); un sistema può
pertanto possedere valori di energia specifici, e non illimitati come
invece sostenevano le leggi della fisica classica.
In
riferimento al corpo nero egli ipotizza che la radiazione emessa non
fosse continua ma ‘quantizzata’, o detto in altre parole emessa
in quantità di energia limitata (quanti di energia).
Il
quanto di energia è una quantità minima al di sotto della quale non
possono avvenire scambi.
L’ipotesi
di Planck viene confermata qualche anno più tardi con l’analisi di
Einstein sull’effetto fotoelettrico, il fenomeno che si manifesta
quando un corpo esposto a onde luminose o a radiazioni
elettromagnetiche, di varia frequenza, emette particelle
elettricamente cariche.
In
tal caso gli elettroni vengono emessi da una superficie metallica, o
anche da un gas, in seguito all’assorbimento dell’energia
trasportata sulla stessa superficie da radiazioni di frequenza alta
come ad esempio le radiazioni ultraviolette.
Secondo
la teoria dell’elettromagnetismo classico, l’energia cinetica
degli elettroni emessi dipende dall’intensità della radiazione
incidente; secondo i dati sperimentali invece, l’energia degli
elettroni è indipendente dall’intensità e dipendente dalla
frequenza della radiazione incidente.
Dal
momento che la natura della luce, secondo la teoria classica, era
esclusivamente ondulatoria la teoria dei quanti di Einstein risultò
inspiegabile per cui non venne, inizialmente, accettata.
La
teoria classica, secondo la quale la luce consisteva di onde,
continuò ad essere applicata in altri campi con discreto successo.
L’ipotesi
della natura corpuscolare della luce viene confermata 17 anni più
tardi, con la scoperta dell’effetto Compton.
Concludendo
la teoria dei quanti, meccanica quantistica e fisica quantistica sono
la stessa identica cosa. Tale teoria serve a descrivere il
comportamento della materia a livello subatomico.
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