Le origini della meccanica quantistica

La meccanica quantistica è affascinante per due motivi apparentemente opposti. Da un lato è fondamentale per la comprensione delle regole che governano il nostro mondo ed è alla base dei più importanti progressi tecnologici degli ultimi cinquanta anni. Dall’altro nessuno sa esattamente cosa significhi.

Senza meccanica quantistica non riusciremmo a capire le basi della chimica moderna, dell’elettronica e della scienza dei materiali. Senza meccanica quantistica non avremmo inventato i chip al silicio, i cellulari, il laser, i televisori, i lettori CD e DVD e tanti altri strumenti che diamo per scontati nella vita di tutti i giorni.

Ma chi ha messo a punto questa teoria, cosi mirabilmente accurata dal punto di vista matematico quanto controintuitiva ed ancora per alcuni versi misteriosa? Ha un padre putativo, come Einstein per la relatività generale? Quali sono stati i passaggi fondamentali che hanno portato in poco più di 30 anni a formulare la teoria che governa tutti i processi della Natura?

Per capire il contesto nel quale la meccanica quantistica è maturata dobbiamo tornare alla fine del 1800 ed allo stato della fisica nel ultimo scorcio del XIX secolo. Il mondo della fisica era attraversato da profonde inquietudini, la costruzione newtoniana ormai scricchiolava pesantemente, nel 1895 venivano scoperti i Raggi X e l’anno successivo la radioattività, nel 1897 veniva scoperto l’elettrone.

Insomma la fisica era in un grande, entusiasmante caos. C’erano tutte le premesse per nuove, fondamentali scoperte nella comprensione dell’universo.

La meccanica quantistica non ha un unico padre, ma deve ad una serie di menti acute e brillanti che hanno caratterizzato i primi 30 anni del XX secolo, la sua strutturazione in una teoria che si rivelerà affidabile, certa e foriera di enormi ricadute nel progresso tecnologico ed industriale.

Il primissimo nucleo della sua formulazione spetta al fisico tedesco Max Planck. Nato il 23 aprile del 1858 a Kiel, prende il dottorato a Berlino a soli 21 anni ed undici anni dopo, a 32 anni, diviene professore ordinario di fisica.

Planck si imbatte quasi casualmente nei primi aspetti della meccanica quantistica. Egli stava lavorando agli scambi di energia nei fenomeni di emissione ed assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche e per risolvere alcuni problemi insorti con la teoria elettromagnetica classica mise a punto la costante universale che poi avrebbe preso il suo nome.

Era il 1900, l’inizio di un nuovo secolo che si rivelerà straordinario e tumultuoso per la fisica.

Planck accertò che l’energia di un singolo blocco di luce ad una certa frequenza (un singolo quanto) è uguale alla frequenza moltiplicata per una costante, la cosiddetta costante di Planck, rappresentata in matematica dalla lettera h.

Come la velocità della luce, anche la costante di Planck rappresenta una delle costanti universali che regolano le leggi della Natura.

La relazione tra frequenza ed energia nella luce è piuttosto semplice. Ad esempio, la frequenza della luce violetta che si pone ad un estremo dello spettro visibile è il doppio della luce rossa che è collocata all’altro estremo, e quindi il quanto di luce violetta contiene il doppio di energia di un quanto di luce rossa.

Il valore della costante di Planck è piccolissimo 6,63×10 alla meno 34, nonostante ciò è uno dei numeri più importanti della scienza, ed il fatto che pur infinitesimale sia maggiore di zero consente il comportamento quantistico.

Nel 1901 Planck passò dall’ipotesi quantistica alla teoria vera e propria affermando che gli atomi assorbono ed emettono radiazioni in modo discontinuo, per “quanti” di energia, cioè quantità di energia finite e discrete. In tal modo anche l’energia può essere concettualmente rappresentata, come la materia, sotto forma granulare: i quanti come granuli di energia indivisibili.

Le prime basi della meccanica quantistica erano state edificate. Per questa scoperta Max Planck ottenne nel 1918 il Premio Nobel. L’ente pubblico di ricerca scientifica fondato a Gottinga nel 1948 ha assunto il nome di Max Planck Institute dal nome del grande scienziato morto un anno prima all’età di 88 anni.

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