Fisica moderna - fisica dei quanti

FISICA MODERNA - FISICA DEI QUANTI

Riguardo alla meccanica quantistica, essa nacque nel 1900, con l'ipotesi dell'esistenza dei quanti avanzata da Max Planck.

Planck avanzò l'ipotesi che l'energia trasportata da un onda elettromagnetica potesse presentarsi solo in pacchetti ben precisi, in quantità fisse.

Il contenuto energetico minimo di un'onda è proporzionale alla sua frequenza: le radiazioni ad onda lunga portano meno energia di quelle ad onda corta.

Il fattore di proporzionalità fra la frequenza di un'onda ed il suo pacchetto minimo di energia è la costante di Planck, dal valore minuscolo. 

EFFETTO FOTOELETTRICO

A queste conclusioni si giunse osservando l'effetto fotoelettrico: se la radiazione elettromagnetica colpisce alcuni metalli, questi emettono elettroni.  Si potrebbe pensare che al crescere dell'intensità luminosa cresca anche la velocità degli elettroni in fuga.

Questo non accade: aumenta il numero degli elettroni emessi, ma la loro velocità non cambia. 

La velocità aumenta invece al crescere della frequenza della radiazione. L'energia rimasta all'elettrone dopo la fuga dipende esclusivamente dall'energia del fotone che li colpisce, ed è quindi determinata dalla frequenza della luce, non dalla sua intensità.

L'energia trasportata da un onda elettromagnetica, diversamente dalle onde meccaniche dove l'energia era proporzionale al quadrato dell'ampiezza, è proporzionale alla frequenza dell'onda, con la costante di Planck  come fattore di proporzionalità.  

Energia = (numero di fotoni) x (costante di Planck) x (frequenza dell'onda).

PRINCIPIO DI HEISENBERG

Il principio di indeterminazione, scoperto da Heisenberg nel 1927 costituisce il nucleo della meccanica quantistica, ed il punto centrale che differenzia la nuova fisica da quella classica.

Secondo la fisica classica, è possibile misurare una grandezza con precisione sempre maggiore.

Secondo la meccanica quantistica, invece, misurare significa sempre perturbare il sistema e quindi anche le grandezze che lo caratterizzano.

Per esempio,  per misurare la posizione di un elettrone, dobbiamo fargli qualcosa, ad esempio illuminarlo, cioè colpirlo con dei fotoni. L'impatto altera però il suo moto successivo, cioè la sua velocità.

Heisenberg affermò l'impossibilità di misurare simultaneamente la posizione e la quantità di moto di un oggetto, oppure l'istante di tempo in cui un sistema si trova in un particolare stato e la corrispondente energia del sistema. La precisione con cui si misura la posizione e quella con cui si misura la velocità sono perciò inversamente proporzionali.

L'universo a scala microscopica è un'area brulicante di vita e di attività frenetiche. Avvengono "prestiti e restituzioni" di energia, i quali considerando zone sufficientemente estese, in media si cancellano gli uni con gli altri; una regione vuota dello spazio sembra inerte se misurata a scale più grandi. Ma grazie al principio di indeterminazione sappiamo che questa media macroscopica nasconde un'incessante attività microscopica.  

La relatività generale si applica a scale astronomiche e ci mostra che in assenza di massa, lo spazio è piatto.

Ingrandendo sempre di più una regione dello spazio, le ondulazioni casuali dello spazio dovute agli effetti quantistici sono così pronunciate da non dare più l'idea di un oggetto geometrico dalla curvatura regolare. Nell'esplorazione ultramicroscopica dello spazio si incontra un caos detto schiuma quantistica, che rende insensata l'affermazione della relatività per cui lo spazio in assenza di materiaenergia è piatto.

Però, se torniamo ad occuparci di scale più consuete, le oscillazioni si cancellano l'una con l'altra, e la geometria regolare dell'universo ritorna.

La distanza al di sotto della quale si manifesta la contraddizione è detta lunghezza di Planck, ed è pari a 10 ^-35 m.

Secondo il Modello Standard, che ad oggi spiega e comprende la struttura e le caratteristiche della materia, i costituenti elementari della materia sono puntiformi e non hanno struttura interna. Il modello è assai utile, ma:

·         non comprende la gravità (i gravitoni non sono mai stati osservati sperimentalmente);

·         se ci occupiamo di dimensioni inferiori alla lunghezza di Planck, non riesce a incorporare la relatività generale a causa delle violente fluttuazioni quantistiche.

·         non è in grado di fornire una spiegazione sulle proprietà delle particelle elementari, perché si rifà a dati sperimentali forniti alla teoria.

LA TEORIA DELLE STRINGHE

La teoria delle superstringhe sembra costituire la soluzione del problema:

• la relatività generale diviene compatibile con la meccanica quantistica;
• le particelle elementari che costituiscono la materia non sono puntiformi, ma sottili filamenti unidimensionali, che vibrano continuamente. Questi "elastici" sono così microscopici (le dimensioni corrispondono in media alla lunghezza di Planck, ossia 10²⁰ volte più piccole di un nucleo atomico) che sembrano puntiformi.

La stringa è come una corda di violino, che può oscillare secondo infiniti modi di vibrazione in cui c'è un numero finito di creste (o ventri) nella loro estensione spaziale.

Diversi modi di vibrazione di una stringa fondamentale danno origine a varie masse e a varie cariche.

Secondo la teoria, le proprietà delle particelle elementari (la loro massa e la loro carica) sono determinate dal modo di vibrazione della loro stringa interna.

L'energia di un particolare modo di vibrazione dipende dalla lunghezza d'onda: minore è questa, maggiore è l'energia. Grazie alla relatività ristretta sappiamo che E = mc², cioè energia e massa sono due facce della stessa medaglia: a maggiore energia corrisponde maggiore massa. Le particelle pesanti hanno dunque stringhe che oscillano violentemente, particelle leggere stringhe che oscillano dolcemente.

Inoltre, uno tra i diversi modi di vibrazione possibili ha esattamente le stesse proprietà del gravitone: anche la gravità è spiegata.

Le proprietà osservabili di tutte le particelle elementari derivano dal fatto che le loro stringhe interne hanno particolari modi di vibrazione.

Prima, per spiegare le differenze fra le particelle si sosteneva che erano "fatte in modo diverso".

Ora, la materia di cui sono fatte le forze e le particelle è sempre la stessa. Ogni particella è una stringa,  e tutte le stringhe sono assolutamente identiche. Le differenze visibili sorgono a causa dei diversi modi di vibrazione di queste stringhe.

Possiamo infine affermare che la prevista agitazione alle scale inferiori alla lunghezza di Planck non esiste: qualcosa esiste solo se può essere rilevato e misurato. Se supponiamo che la stringa sia il costituente più elementare dell'universo e che essa sia troppo grossa per accorgersi di un certo fatto, questo fatto non può esser misurato e dunque non esiste.

Concludendo, secondo la teoria delle stringhe le violente fluttuazioni della trama spaziale alle scale inferiori alla lunghezza di Planck non esistono,  e poichè il conflitto fra Relatività e quantistica è dovuto proprio a questo la teoria delle stringhe sembra risolvere l'incompatibilità fra le due.