Il principio di indeterminazione di Heisenberg for dummies

Come ormai consuetudine, affianco all’articolo “serio” uno più semplice, in cui i concetti vengono resi più comprensibili tramite esempi.

Abbiamo visto in “L’interpretazione della meccanica quantistica for dummies” che il contributo di Schrödinger  fu fondamentale per capire che la luce, fondamentalmente, aveva sia un aspetto corpuscolare, sia uno ondulatorio.

La “fisica quantistica”, sviluppata nei primi anni del ‘900, elaborò una teoria che facesse da sunto e furono così riuniti i due aspetti.

È una teoria matematicamente complessa, che non è possibile riassumere dal punto di vista matematico, ma possiamo provare ad esaminarne il principio fondamentale.

La maggiore difficoltà è che nel mondo microscopico l’osservazione ha delle conseguenze impensabili per chi è abituato a lavorare solo nel mondo macroscopico.

Prendiamo ad esempio una palla da biliardo e illuminiamola. Il fascio di luce fornisce energia alla palla, ma non in maniera sufficiente a spostarla.

Ma se facessimo lo stesso con un elettrone, illuminandolo con un fascio di luce, il moto risulterebbe modificato dai fotoni, poiché la luce porta energia sufficiente a dare una spinta che modifichi lo stato di moto dell’elettrone.

Perciò più si illumina con potenti microscopi, più gli si fornisce energia, che a sua volta fa cambiare la velocità rispetto a quella di partenza e di conseguenza la quantità di moto (che è il prodotto della massa per la velocità).

Da questo deriva che è praticamente impossibile sapere con precisione e contemporaneamente dove sia l’elettrone e che velocità possieda. In questo modo perde anche senso anche il concetto di traiettoria, perché si può parlare di traiettoria solo quando si può osservare il movimento di un corpo senza disturbarlo.

Tutte queste considerazioni sono solo qualitative; Heisenberg, fisico tedesco Premio Nobel per la fisica nel 1932, le rese quantitative grazie al “principio di indeterminazione”.

Non entro in dettagli matematici, ma Heisenberg dimostrò che all’aumento dell’accuratezza di una delle due misure (velocità o posizione), diminuiva l’accuratezza dell’altra.

Questo principio vale per tutti i corpi, sia macroscopici sia microscopici, però per gli oggetti che ci circondano ha delle conseguenze pratiche quasi inesistenti, perché i parametri e le costanti sono molto piccoli e le indeterminazioni sono trascurabili rispetto agli errori di misura, comunque sempre presenti.

La fisica quantistica, infatti, applicata ai corpi del mondo macroscopico, dà risultati che sono in accordo con la fisica classica.

Ma se in un’onda elettromagnetica vibrano il campo elettrico e il campo magnetico, cosa vibra in un’onda di materia? La fisica quantistica dice che quello che vibra in un’onda di materia è una grandezza che non può avere un’interpretazione classica, ed è chiamata con il termine ampiezza di probabilità o “funzione d’onda”.

Introducendo la funzione d’onda la fisica quantistica spiega il principio di indeterminazione di Heisenberg. L’indeterminazione sulla posizione della particella è di solito diversa da zero, cioè non si sa dove si trova la particella all’interno di una regione di spazio che ha determinate dimensioni. È quindi necessario ritenere che la particella sia diffusa in questa zona di spazio. Ci si trova quindi di fronte a una nuova forma di descrizione dei fenomeni meccanici.

Con le leggi della meccanica si può calcolare esattamente la posizione occupata dal corpo in ogni momento, purchè si conoscano posizione e velocità iniziali del corpo, massa e forze che agiscono su di esso. In fisica quantistica questo non è possibile, perché possiamo solo calcolare l’ampiezza di probabilità e quindi la probabilità che il corpuscolo si trovi ad un certo istante in una certa posizione.

Ciò porta anche a una modifica del modello visivo dell’atomo, dove l’elettrone non verrà più rappresentato come un pianeta che gira intorno al proprio sole, ma come una nuvola che circonda il nucleo.

Indeterminazione” etimologicamente vuol dire “senza precisione”, ed è una cosa che gli alcuni scienziati non potevano tollerare, ma Heisenberg, pur sconsigliando l’estrapolazione della sua teoria dal campo della meccanica quantistica per farne la base di una metateoria di tipo filosofico, mantenendo ferme le proprie convinzioni, fece scrivere sulla propria tomba:

“Giace qui da qualche parte.”

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