LA RIVOLUZIONE QUANTISTICA Franco Prati Università dell Insubria - Como NINDA URUK Il pane dei Sumeri Ricerca scientifica ed epistemologia 5 dicembre 2012 Congresso Internazionale dei Fisici in onore di Alessandro Volta 85mo anniversario
Relazione finale di Niels Bohr: Il postulato quantico e i recenti sviluppi della teoria atomica 1. Principio di complementarità 2. La sovrapposizione quantistica 3. Il ruolo dell osservatore 4. Significato della funzione d onda 5. Principio di indeterminazione (1885-1962) Nobel 1922
Complementarità - La natura della luce -Teoria di Maxwell: la luce è un onda elettromagnetica λ= lunghezza d onda ν = frequenza - Postulato quantico di Einstein: La luce interagisce con la materia come se fosse costituita da corpuscoli E = hν di energia e quantità di moto p= h λ h = costante di Planck FOTONI hν è il quanto di energia
Aspetto corpuscolare RIVELATORE 2 sorgente luminosa a bassa energia RIVELATORE 1 specchio semiriflettente ( luce trasmessa = 50% luce riflessa = 50 % ) Sullo specchio semiriflettente arriva un fotone alla volta. Il fotone viene sempre misurato da uno dei due rivelatori Non succede mai che i due rivelatori misurino qualcosa contemporaneamente. Il fotone si comporta come un corpuscolo che passa da una parte o dall altra con probabilità 1/2
Aspetto ondulatorio Interferometro Interferenza distruttiva RIVELATORE 2 Specchio totalmente riflettente Specchio semiriflettente RIVELATORE 1 Interferenza costruttiva Specchio semiriflettente Specchio totalmente riflettente Il fotone si comporta come un onda che si scompone in due parti di uguale ampiezza sul primo specchio semiriflettente e si ricompone sul secondo
Il singolo specchio semiriflettente mostra l aspetto corpuscolare del fotone: Il fotone è trasmesso O riflesso L interferometro mostra l aspetto ondulatorio del fotone: Il fotone è trasmesso E riflesso Qualsiasi esperimento può rivelare solo uno dei due aspetti 1. Principio di complementarità Bohr: Non stiamo trattando quadri contradditori, bensì complementari di fenomeni, che soltanto insieme offrono una naturale generalizzazione del modo classico di descrizione della realtà
Poichè dopo aver superato il primo specchio semiriflettente il fotone non può sapere cosa l aspetta, dobbiamo concludere che anche nel caso del singolo specchio il fotone è trasmesso E riflesso e solo quando viene misurato (distrutto) mostra la sua natura corpuscolare e viene rivelato dal rivelatore 1 O dal rivelatore 2 RIVELATORE 2 RIVELATORE 1
2. La sovrapposizione quantistica Un fotone o una particella elementare si può trovare in uno STATO DI SOVRAPPOSIZIONE TRA DUE O PIU STATI 3. Il ruolo dell osservatore Solo quando compio una misura la particella su uno stato PRECIPITA
La nuova meccanica deve essere una meccanica ondulatoria (Schroedinger) Lo stato di una particella è descritto dalla funzione d onda ψ x, t ( ) (1887-1961) Nobel 1933 4. Significato della funzione d onda Significato statistico (Born) Onda di probabilità. Descrive un corpuscolo in quantoè la probabilità che il corpuscolo si trovi P( x, t) = ψ ( x, t) 2 nella posizione x al momento t (1882-1970) Nobel 1954
5. Principio di indeterminazione Luce e particelle elementari hanno una doppia natura, corpuscolare e ondulatoria p= h λ p = quantità di moto del corpusoclo λ = lunghezza d onda PROBLEMA: se conosco esattamente la quantità di moto p anche la lunghezza d onda λ è conosciuta esattamente e l onda è monocromatica λ x Un onda monocromatica ha un estensione infinita: non conosco la posizione della particella se conosco la quantità di moto
Se voglio localizzare la particella devo considerare un pacchetto d onde composto da tante onde monocromatiche con lunghezza d onda diverse λ 1 + λ 2 + λ 3 + = λ 4 +... x Il pacchetto d onde e localizzato nell intervallo Ma la lunghezza d onda varia in un intervallo Poichè p= h λ anche l impulso varia in un intervallo x λ p
x p > 4 h π Il prodotto delle imprecisioni nella misura di posizione ( x ) e quantità di moto ( p ) di una particella non può essere nullo (1901-1976) Nobel 1932
Born: Commenti alla relazione di Bohr La nuova teoria abbandona il determinismo ma non il principio di causalità. La concezione meccanicistica nel calcolo degli avvenimenti futuri assume che lo stato dell universo sia completamente noto in un certo istante. Ma questa è una illusione. La teoria quantistica mostra che le leggi naturali stesse vietano la totale definizione dello stato di un sistema Heisenberg: Analogie con la relatività: 1)Punto di partenza: limitazioni sperimentali - simultaneità e finitezza della velocità della luce - impossibilià di misurare posizione e quantità di moto con precisione assoluta 2)Conseguenze filosofiche: - limiti del principio di causalità - limiti della conoscenza
Ottobre 1927 V Congresso Solvay a Bruxelles Inizia il dibattito filosofico tra Einstein e Bohr sul significato della fisica quantistica
Interpretazioni della fisica quantistica 1) Scuola di Copenaghen ( Bohr, Heisenberg, Born ) Bohr: Lo scopo della nostra descrizione della natura non è il cercare l essenza reale dei fenomeni ma soltanto l indagare con la massima profondità possibile le relazioni tra i molteplici aspetti della nostra esperienza (1934) 2) Realismo ( Einstein, Schroedinger, De Broglie ) Einstein: Le nostre prospettive scientifiche sono ormai agli antipodi. Tu ritieni che Dio giochi a dadi con il mondo; io credo invece che tutto obbedisca a una legge, in un mondo di realtà obiettiva che cerco di cogliere per via furiosamente speculativa (1944)
IL GATTO DI SCHROEDINGER Il gatto è chiuso in una scatola che contiene anche un atomo radioattivo con semi-vita di 1 ora Se l atomo decade, la particella alfa emessa crea una corrente che aziona un martello che rompe un ampolla contenente un gas velenoso e il gatto muore Finchè non apro la scatola l atomo si trova in una sovrapposizione quantistica tra lo stato eccitato e lo stato diseccitato e il gatto si trova in una sovrapposizione quantistica tra gatto vivo e gatto morto SOVRAPPOSIZIONE QUANTISTICA MACROSCOPICA
Soluzione del paradosso: Il sisetma gatto atomo è un sistema complesso e aperto, che non può essere descritto da una funzione d onda. ma rimangono questioni aperte: A che livello avviene la transizione tra il mondo microscopico (quantistico) e quello macroscopico (classico)? Esistono sistemi mesoscopici in cui la perdita di coerenza quantistica è così lenta da essere osservabile? Scroedinger (1952): non facciamo mai esperimenti con singoli elettroni o atomi. Solo negli esperimenti ideali possiamo pensare di farlo, e questo porta sempre a conseguenze ridicole.
Premi Nobel per la fisica 2012 Serge Haroche David Wineland Motivazione: per l invenzione di nuovi metodi sperimentali che permettono di misurare e manipolare sistemi quantistici individuali
Wineland intrappola atomi carichi (ioni) controllandoli e misurandoli con fotoni
Haroche intrappola fotoni controllandoli e misurandoli con atomi
La breve vita di un gatto di Schroedinger Frange rosse e blu = interferenza = gatto vivo
Possibili applicazioni: - Computer quantistici, estremamente potenti - Orologi ottici, estremamente precisi La rivoluzione quantistica continua