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Perché gli effetti della fisica quantistica si verificano solo su scala atomica?

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La fisica quantistica descrive la materia e l’energia come funzioni d’onda quantistiche, che a volte agiscono come onde e altre volte come particelle, ma in realtà sono entità più complicate di semplici onde o particelle. In realtà, ogni oggetto nell’universo, dagli atomi alle stelle, opera secondo la fisica quantistica.

In molte situazioni, come quando si lancia una palla da baseball, la fisica quantistica porta allo stesso risultato della fisica classica. In tali situazioni, usiamo la fisica classica invece della fisica quantistica perché la matematica è più semplice e i principi sono più intuitivi. Le leggi della fisica quantistica stanno ancora operando in una palla da baseball lanciata attraverso il campo, ma il loro funzionamento non è ovvio, quindi diciamo che il sistema non è quantistico.

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Una situazione è descritta come quantistica quando il suo comportamento quantistico è evidente, anche se in realtà è sempre quantistico

Un “effetto quantistico” è quindi un effetto che non è propriamente previsto dalla fisica classica, ma è correttamente previsto dalla teoria quantistica. La fisica classica descrive la materia come composta da piccole particelle solide. Pertanto, ogni volta che facciamo in modo che i pezzi di materia agiscano come onde, dimostriamo un effetto quantistico.  Le onde classiche come il suono e le onde del mare non contano come quantistiche perché il movimento è un’onda, ma i pezzi sono ancora piccole palline solide. Per essere un effetto quantistico, la particella stessa deve agire come un’onda.

Sebbene gli effetti quantistici non siano strettamente confinati alla scala atomica, sono certamente più comuni su scala atomica. Perché questo?

Diamo un’occhiata alla materia. Per avere un effetto quantistico, dobbiamo far sì che la materia agisca come un’onda. Per avere un effetto quantistico macroscopico, dobbiamo far sì che molti frammenti di materia agiscano come onde in modo organizzato. Se tutti i frammenti di materia agiscono come onde in modo casuale e disgiunto, allora le loro onde interferiscono e si riducono a zero sulla scala macroscopica. In fisica, ci riferiamo a un comportamento ondulatorio organizzato come “coerenza”. Più le nature ondulatorie dei frammenti di materia sono allineate, più coerente è l’oggetto nel suo complesso. E più un oggetto è coerente, più si comporta come un’onda in generale.

Per fare un’analogia approssimativa, considera un gruppo di bambini che sguazzano in una piscina. Se i bambini stanno tutti facendo le proprie cose, le onde d’acqua che creano quando schizzano saranno casuali. Un mucchio di onde d’acqua casuali si somma approssimativamente a zero. Questo sistema non è coerente e le onde dell’acqua non sono evidenti a meno che non si guardi da vicino. Ora, se i bambini si mettono in fila e spruzzano tutti l’acqua nello stesso momento ogni due secondi, tutte le loro piccole onde si sommano in una gigantesca onda d’acqua. Questo sistema è coerente e l’onda dell’acqua nella piscina è evidente.

La piscina è solo un’analogia. Le onde d’acqua si comportano come onde di piccole particelle solide, e sono quindi classiche e non quantistiche. Per agire come onde quantistiche, i bit di materia non devono solo avere i loro movimenti allineati, ma anche i bit di materia devono avere la loro natura di onda quantistica allineata.

La chiave qui è che uno stato coerente su larga scala è improbabile finché le singole parti si comportano in modo casuale. Ci sono solo una manciata di modi possibili per far sì che un sistema composto da molti pezzi agisca in modo coordinato, mentre ci sono molti più modi per fare in modo che il sistema agisca in modo scoordinato. Pertanto, il comportamento coordinato è meno probabile del comportamento non coordinato, sebbene non impossibile. Ad esempio, se lanci 5 dadi tradizionali, ci sono sei possibilità di ottenere che tutti i numeri siano uguali in un unico lancio. Al contrario, ci sono migliaia di modi per ottenere tutti numeri diversi.

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Ottenere che i dadi mostrino lo stesso numero è improbabile ma non impossibile. In modo simile, la coerenza quantistica su scala macroscopica è improbabile, ma non impossibile. Se le nature ondulatorie quantistiche dei singoli frammenti di materia possono essere allineate in uno stato coerente, allora gli effetti quantistici diventeranno evidenti su scala macroscopica.

Di seguito sono riportati alcuni esempi di effetti quantistici macroscopici:

  • Superconduttività: Quando un materiale conduttore è sufficientemente raffreddato, i suoi elettroni si diffondono in stati d’onda coerenti su larga scala. Questi stati d’onda coerenti sono in grado di fluire oltre le impurità e gli atomi senza essere perturbati, in modo che risulti un materiale con resistenza elettrica zero. La superconduttività porta a interessanti effetti macroscopici come la levitazione quantistica o effetto Meissner;
  • Superfluidità: Quando alcuni materiali sono sufficientemente raffreddati, i loro atomi possono diffondersi in stati d’onda coerenti che resistono alla tensione superficiale, consentendo al materiale di fluire come un liquido con viscosità zero;
  • Condensati di Bose Einstein: Quando certi materiali sono sufficientemente raffreddati, i loro atomi si espandono completamente in un unico stato d’onda gigante e coerente. Un pezzo macroscopico di materia che si è condensato in questo modo si comporta come un’onda e mostra proprietà d’onda come l’interferenza.

Si noti che la luce laser è spesso menzionata come un effetto quantistico macroscopico. Tuttavia, la luce coerente come la luce laser è spiegata con successo dalle classiche equazioni di Maxwell e quindi non è un effetto quantistico. Tuttavia, il modo in cui viene prodotta la luce laser è un effetto quantistico. Ma l’emissione stimolata nei laser è un effetto su scala atomica e quindi non fa parte della nostra lista di effetti quantistici macroscopici.

Allo stesso modo, ci sono molti effetti quantistici su scala atomica che portano a risultati osservabili su scala macroscopica, come gli effetti quantistici che rendono possibili i computer moderni. Questi effetti non accadono realmente su scala macroscopica. Piuttosto, gli effetti si verificano su scala atomica e quindi i risultati dell’effetto vengono amplificati a livello macroscopico.

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