Il principio di indeterminazione è una delle idee più famose (e probabilmente fraintese) in fisica. Ci dice che esiste una sfocatura nella natura, un limite fondamentale a ciò che possiamo sapere sul comportamento delle particelle quantistiche e, quindi, le scale più piccole della natura. Di queste scale, il massimo che possiamo sperare è calcolare le probabilità di dove sono le cose e come si comporterà. A differenza delluniverso a orologeria di Isaac Newton, dove tutto segue leggi ben definite su come muoversi e la previsione è facile se si conoscono le condizioni di partenza, il principio di indeterminazione racchiude un livello di sfocatura nella teoria quantistica.
La semplice idea di Werner Heisenberg ci dice perché gli atomi non implodono, come il sole riesce a brillare e, stranamente, che il vuoto dello spazio non è effettivamente vuoto.
Una prima incarnazione del principio di indeterminazione apparve in a Documento del 1927 di Heisenberg, un fisico tedesco che allepoca lavorava allistituto di Niels Bohr a Copenaghen, intitolato “Sul contenuto percettivo della cinematica e della meccanica teorica quantistica”. La forma più familiare dellequazione arrivò alcuni anni dopo, quando aveva ulteriormente affinato i suoi pensieri in conferenze e articoli successivi.
Heisenberg stava lavorando sulle implicazioni della teoria quantistica, uno strano modo nuovo di spiegare come gli atomi comportamenti che erano stati sviluppati dai fisici, tra cui Niels Bohr, Paul Dirac ed Erwin Schrödinger, nel decennio precedente. Tra le sue molte idee controintuitive, la teoria quantistica proponeva che lenergia non fosse continua ma invece arrivasse in pacchetti discreti (quanti) e che la luce potesse essere descritta sia come unonda che come un flusso di questi
quanti. Nel dare corpo a questa visione del mondo radicale, Heisenberg ha scoperto un problema nel modo in cui si potevano misurare le proprietà fisiche di base di una particella in un sistema quantistico. In una delle sue lettere regolari a un collega, Wolfgang Pauli, ha presentato i sentori di unidea che da allora è diventata una parte fondamentale della descrizione quantistica del mondo.
Il principio di indeterminazione dice che non possiamo misurare la posizione (x) e la quantità di moto (p) di una particella con assoluta precisione. Più accuratamente conosciamo uno di questi valori, meno accuratamente conosciamo laltro. Moltiplicando insieme gli errori nelle misurazioni di questi valori (gli errori sono rappresentati dal simbolo del triangolo davanti ad ogni proprietà, la lettera greca “delta”) si deve ottenere un numero maggiore o uguale alla metà di una costante chiamata “h- bar”. Questo è uguale alla costante di Planck (solitamente scritta come h) diviso per 2π. La costante di Planck è un numero importante nella teoria quantistica, un modo per misurare la granularità del mondo alle sue scale più piccole e ha il valore 6,626 x 10-34 joule secondi.
Un modo per pensare al principio di indeterminazione è come unestensione del modo in cui vediamo e misuriamo le cose nel mondo di tutti i giorni . Puoi leggere queste parole perché particelle di luce, fotoni, sono rimbalzate sullo schermo o sulla carta e hanno raggiunto i tuoi occhi. Ogni fotone su quel percorso porta con sé alcune informazioni sulla superficie da cui è rimbalzato, alla velocità della luce. Vedere una particella subatomica, come un elettrone, non è così semplice. Allo stesso modo potresti far rimbalzare un fotone su di esso e poi sperare di rilevare quel fotone con uno strumento. Ma è probabile che il fotone impartisca un po di quantità di moto allelettrone quando lo colpisce e cambi il percorso della particella che stai cercando di misurare. Oppure, dato che le particelle quantistiche spesso si muovono così velocemente, lelettrone potrebbe non essere più nel posto in cui era quando il fotone originariamente rimbalzò su di esso. In ogni caso, la tua osservazione della posizione o della quantità di moto sarà imprecisa e, cosa più importante, latto di osservazione influisce sulla particella che viene osservata.
Il principio di indeterminazione è al centro di molte cose che osserviamo ma non possiamo spiegare usando la fisica classica (non quantistica). Prendi gli atomi, ad esempio, dove elettroni caricati negativamente orbitano attorno a un nucleo caricato positivamente. Secondo la logica classica, potremmo aspettarci che le due cariche opposte si attraggano, portando tutto a collassare in una palla di particelle. Il principio di indeterminazione spiega perché ciò non accade: se un elettrone si avvicina troppo al nucleo, allora la sua posizione nello spazio sarebbe nota con precisione e, quindi, lerrore nel misurare la sua posizione sarebbe minuscolo. Ciò significa che lerrore in misurare la sua quantità di moto (e, per inferenza, la sua velocità) sarebbe enorme. In tal caso, lelettrone potrebbe muoversi abbastanza velocemente da volare completamente fuori dallatomo.
Lidea di Heisenberg può anche spiegare un tipo di radiazione nucleare chiamata decadimento alfa. Le particelle alfa sono due protoni e due neutroni emessi da alcuni nuclei pesanti, come luranio-238.Di solito questi sono legati allinterno del nucleo pesante e avrebbero bisogno di molta energia per rompere i legami che li mantengono in posizione. Ma, poiché una particella alfa allinterno di un nucleo ha una velocità molto ben definita, la sua posizione non è così ben definita. Ciò significa che esiste una piccola possibilità, ma diversa da zero, che la particella possa, ad un certo punto, trovarsi al di fuori del nucleo, anche se tecnicamente non ha abbastanza energia per sfuggire. Quando ciò accade – un processo noto metaforicamente come “tunneling quantistico” perché la particella in fuga deve in qualche modo scavare la sua strada attraverso una barriera energetica che non può superare – la particella alfa fugge e vediamo la radioattività.
un processo di tunneling quantistico simile avviene, al contrario, al centro del nostro sole, dove i protoni si fondono insieme e rilasciano lenergia che permette alla nostra stella di brillare. Le temperature al centro del sole non sono abbastanza alte perché i protoni abbiano energia sufficiente per superare la loro reciproca repulsione elettrica. Ma, grazie al principio di indeterminazione, possono farsi strada attraverso la barriera energetica.
Forse il risultato più strano del principio di indeterminazione è quello che dice sugli aspirapolvere. I vuoti sono spesso definiti come lassenza di tutto. Ma non così nella teoria quantistica. Esiste unincertezza intrinseca nella quantità di energia coinvolta nei processi quantistici e nel tempo necessario affinché tali processi avvengano. Invece di posizione e quantità di moto, lequazione di Heisenberg può anche essere espressa in termini di energia e tempo. Ancora una volta, più una variabile è vincolata, meno vincolata è laltra. È quindi possibile che, per periodi molto, molto brevi di tempo, lenergia di un sistema quantistico può essere altamente incerta, tanto che le particelle possono apparire dal vuoto. Queste “particelle virtuali” appaiono a coppie – un elettrone e la sua coppia di antimateria, diciamo il positrone – per un breve periodo e poi si annichilano a vicenda. Ciò rientra nelle leggi della fisica quantistica, a condizione che le particelle esistano solo fugacemente e scompaiano quando il loro tempo è scaduto. Lincertezza, quindi, non è nulla di cui preoccuparsi nella fisica quantistica e, in effetti, non saremmo qui se questo principio non esistesse.
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