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Meccanica quantistica spiegata facile

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Meccanica quantistica spiegata facile
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La meccanica quantistica, o teoria dei quanti, è quella parte della fisica che spiega le proprietà di molecole e atomi e dei loro costituenti ancora più piccoli, come elettroni, protoni, neutroni e quark. Vediamo come

Tre facili esperimenti per introdurre i ragazzi delle superiori ai misteri della meccanica quantistica, una teoria complessa e per certi versi paradossale, ma l'unica in grado di spiegare il comportamento delle particelle che compongono la materia. Ce li propone Vincenzo Palleschi, Primo Ricercatore del CNR e docente di Chimica analitica all'Università di Pisa. Si occupa di quella che viene chiamata fisica moderna, nata agli inizi del Novecento con la teoria della relatività e la nascita della meccanica quantistica.

«La meccanica quantistica viene definita moderna anche se ormai ha più di cent'anni e dovrebbe essere molto più permeante di quello che è nella cultura di tutti i giorni» osserva.

Concetti-chiave come la suddivisione dell'energia in pacchetti (quanti), la doppia natura corpuscolare e ondulatoria delle particelle, il principio di indeterminazione e la sovrapposizione di stati dovrebbero essere chiari per tutti noi. Ma non è sempre così, perché gli assunti della fisica moderna stravolgono i capisaldi della fisica classica e risultano stranianti e contro-intuitivi.

Perché è importante introdurre la meccanica quantistica?

Generalmente alle scuole superiori viene presentata soltanto la teoria della relatività perché, come diceva Einstein, dal punto di vista matematico si introduce con le quattro operazioni.

La matematica della meccanica quantistica, invece, è quasi irraggiungibile per uno studente delle superiori e per questo spesso viene tralasciata. “Ma se andiamo ad analizzare qual è l'impatto sulla vita di tutti i giorni della meccanica quantistica scopriamo che siamo circondati da esempi, dal laser alla risonanza magnetica” osserva Palleschi.

Per questo è importante spiegarla ai ragazzi: vivono immersi nel mondo dei quanti e saranno loro, nel futuro, a utilizzare i computer quantistici che gli scienziati stanno studiando ora!

La meccanica quantistica funziona nella realtà

«Bisogna far capire ai ragazzi che un'esperienza fatta sulla nostra scala, diciamo sulla scala del metro, del grammo e così via... è descritta dalla fisica classica che rappresenta il mondo che vediamo. Dopodiché abbiamo incominciato a vedere di più, non con i nostri occhi ma con gli strumenti. E quando si allarga l'orizzonte dobbiamo anche essere pronti a rivedere i nostri concetti» spiega Palleschi.

E continua Palleschi: «La cosa importante è raccontare che tutto questo non è soltanto il prodotto di un ragionamento intellettuale astratto ma si vede nella realtà. La meccanica quantistica è nata proprio dallo scontro profondo tra quello che prevedeva la fisica classica e quello che effettivamente si vedeva negli esperimenti».

Come mostrare le leggi della meccanica quantistica in azione? Ecco tre esperimenti

Il primo esperimento è lo spettrometro-scatola da scarpe: divertente da costruire per i ragazzi e utilissimo per “vedere con i propri occhi” le leggi della meccanica quantistica in azione.

Spesso si pensa che gli strumenti scientifici siano al di fuori della portata di un laboratorio di fisica scolastico o implichino un investimento importante. Invece si può realizzare un ottimo strumento con un costo davvero irrisorio.

La bellezza della luce è che ci si gioca da piccoli e anche da grandi, quindi con un approccio diverso questo esperimento può essere proposto a tutti i livelli.

«Quando si mostra ai ragazzi che la lampadina tradizionale emette tantissimo nell'infrarosso e una lampadina a risparmio energetico invece la stessa quantità di luce la emette solo dove serve, dove si vede, è immediatamente evidente l'utilità della ricerca in questo settore – dice Palleschi - Suscita sempre stupore nei ragazzi prendere una torcia a led che emette una luce bianca e poi scoprire che questa luce bianca è la sovrapposizione di tre componenti».
Insomma, uno strumento fai da te che offre tantissimi spunti dal punto di vista didattico.

Il secondo esperimento proposto è stato fondamentale per lo sviluppo della meccanica quantistica: Albert Einstein ha vinto il Premio Nobel proprio per la scoperta dell'effetto fotoelettrico. Ebbene, anche questo esperimento fondamentale si può replicare con pochi euro.

Il terzo esperimento consiste nell’andare a vedere lo spettro di una scintilla.
Possiamo utilizzare l'accendigas piezoelettrico oppure dei piccoli circuiti che emettono scintille.

«Vedere che lo spettro di un'emissione luminosa apparentemente continua è composto invece di righe è la dimostrazione più evidente che l'atomo ha dei livelli energetici discreti, discontinui. Secondo me è molto più chiaro e illuminante di tutti i modelli atomici che normalmente mostriamo» conclude Palleschi.

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