Che cos’è la fisica quantistica? In parole povere, è la fisica che spiega come funziona tutto: la migliore descrizione che abbiamo della natura delle particelle che compongono la materia e delle forze con cui interagiscono.
La fisica quantistica è alla base di come funzionano gli atomi, e quindi perché la chimica e la biologia funzionano come fanno. Tu, io e il gatepost-almeno a un certo livello, stiamo tutti ballando alla melodia quantistica., Se vuoi spiegare come gli elettroni si muovono attraverso un chip di computer, come i fotoni di luce si trasformano in corrente elettrica in un pannello solare o si amplificano in un laser, o anche solo come il sole continua a bruciare, dovrai usare la fisica quantistica.
La difficoltà – e, per i fisici, il divertimento – inizia qui. Per cominciare, non esiste una singola teoria quantistica. C’è la meccanica quantistica, il quadro matematico di base che è alla base di tutto, che è stato sviluppato per la prima volta nel 1920 da Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e altri., Caratterizza cose semplici come il modo in cui la posizione o il momento di una singola particella o gruppo di poche particelle cambia nel tempo.
Ma per capire come funzionano le cose nel mondo reale, la meccanica quantistica deve essere combinata con altri elementi della fisica – principalmente, la teoria speciale della relatività di Albert Einstein, che spiega cosa succede quando le cose si muovono molto velocemente – per creare quelle che sono note come teorie di campo quantistiche.,
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Tre diversi teoria di campo trattano di tre delle quattro forze fondamentali da cui la materia interagisce: elettromagnetismo, che spiega come gli atomi si tengono insieme; la forza nucleare forte, che spiega la stabilità del nucleo, il cuore dell’atomo; e la forza nucleare debole, il che spiega perché alcuni atomi subiscono decadimento radioattivo.
Negli ultimi cinque decenni o giù di lì queste tre teorie sono state riunite in una coalizione sgangherata conosciuta come il “modello standard” della fisica delle particelle., Per tutta l’impressione che questo modello sia leggermente tenuto insieme con del nastro adesivo, è l’immagine più accuratamente testata del lavoro di base della materia che sia mai stata ideata. Il suo coronamento è arrivato nel 2012 con la scoperta del bosone di Higgs, la particella che dà a tutte le altre particelle fondamentali la loro massa, la cui esistenza è stata prevista sulla base di teorie di campo quantistiche fin dal 1964.,
Le teorie di campo quantistiche convenzionali funzionano bene nel descrivere i risultati di esperimenti su smashers di particelle ad alta energia come il Large Hadron Collider del CERN, dove è stato scoperto l’Higgs, che sonda la materia alle sue scale più piccole. Ma se vuoi capire come funzionano le cose in molte situazioni meno esoteriche-come gli elettroni si muovono o non si muovono attraverso un materiale solido e quindi rendono un materiale un metallo, un isolante o un semiconduttore, per esempio – le cose diventano ancora più complesse.,
I miliardi e miliardi di interazioni in questi ambienti affollati richiedono lo sviluppo di “teorie di campo efficaci” che sorvolano alcuni dei dettagli cruenti. La difficoltà nel costruire tali teorie è il motivo per cui molte questioni importanti nella fisica dello stato solido rimangono irrisolte – per esempio perché a basse temperature alcuni materiali sono superconduttori che consentono la corrente senza resistenza elettrica, e perché non possiamo far funzionare questo trucco a temperatura ambiente.
Ma sotto tutti questi problemi pratici si trova un enorme mistero quantistico., A livello di base, la fisica quantistica predice cose molto strane su come funziona la materia che sono completamente in contrasto con il modo in cui le cose sembrano funzionare nel mondo reale. Le particelle quantistiche possono comportarsi come particelle, situate in un unico luogo; oppure possono agire come onde, distribuite in tutto lo spazio o in più punti contemporaneamente. Il modo in cui appaiono sembra dipendere da come scegliamo di misurarli, e prima di misurarli sembrano non avere affatto proprietà definite – portandoci a un enigma fondamentale sulla natura della realtà di base.,
Questa confusione porta a paradossi apparenti come il gatto di Schrödinger, in cui grazie a un processo quantico incerto un gatto viene lasciato vivo e morto allo stesso tempo. Ma non è tutto. Anche le particelle quantistiche sembrano essere in grado di influenzarsi a vicenda istantaneamente anche quando sono lontane l’una dall’altra. Questo fenomeno veramente bamboozling è noto come entanglement, o, in una frase coniata da Einstein (un grande critico della teoria quantistica), “azione spettrale a distanza”., Tali poteri quantistici sono completamente estranei a noi, ma sono alla base di tecnologie emergenti come la crittografia quantistica ultra-sicura e l’elaborazione quantistica ultra-potente.
Ma su cosa significhi tutto, nessuno lo sa. Alcune persone pensano che dobbiamo solo accettare che la fisica quantistica spiega il mondo materiale in termini che troviamo impossibile quadrare con la nostra esperienza nel mondo più grande, “classico”. Altri pensano che ci debba essere una teoria migliore e più intuitiva là fuori che dobbiamo ancora scoprire.
In tutto questo, ci sono diversi elefanti nella stanza., Per cominciare, c’è una quarta forza fondamentale della natura che finora la teoria quantistica non è stata in grado di spiegare. La gravità rimane il territorio della teoria generale della relatività di Einstein, una teoria saldamente non quantistica che non coinvolge nemmeno le particelle. Gli sforzi intensivi per decenni per portare la gravità sotto l’ombrello quantistico e quindi spiegare tutta la fisica fondamentale all’interno di una “teoria del tutto” sono arrivati a nulla.,
Nel frattempo le misurazioni cosmologiche indicano che oltre il 95 per cento dell’universo è costituito da materia oscura ed energia oscura, cose per le quali attualmente non abbiamo alcuna spiegazione all’interno del modello standard, e enigmi come l’entità del ruolo della fisica quantistica nel disordinato funzionamento della vita rimangono inspiegabili. Il mondo è a un certo livello quantistico-ma se la fisica quantistica è l’ultima parola sul mondo rimane una questione aperta. Richard Webb
