Il principio di indeterminazione di Heisenberg spiegato con dei gatti

Il mio gatto odia Schrodinger
Tratto da: Il mio gatto odia Schrodinger

Erano gli anni venti, quando il fisico tedesco Wernel Karl Heisenberg cominciò ad intrattenere una fruttuosa collaborazione con il fisico Danese Bohr, poi premio Nobel nel 1922. Fu infatti proprio una serie di letture di quest’ultimo che indussero il primo a lavorare sulla teoria quantistica, nella coraggiosa scelta di cercare di delineare i più profondi limiti di una idea, quella alla base dell’atomo di Bohr, tutto sommato alquanto consolidata.

Il modello di quel tempo prevedeva una configurazione abbastanza intuitiva, tanto semplice da poter essere spiegata con dei gatti in corsa.

Mettiamola in questo modo: poniamo qualsiasi cosa possa infastidire degli scaltri felini nel bel mezzo di una gigantesca stanza sgombra da mobili.

Io me la immagino come una immensa stanza bianca, pulita, un ambiente adatto ad un esperimento rigoroso e di rilievo. Una stanza con tante corsie circolari divise tra loro da un leggero dislivello.

Come scegliere l’elemento di disturbo da piazzare al centro? Ebbene, nel caso del mio gatto degli zampognari rappresenterebbero un esempio davvero calzante; oscuri figuri dal suono un po’ così, diciamo petulante e malinconico.

Dovete sapere che per Ciccio, il felino di casa, il periodo natalizio è da considerarsi come un periodo dal fastidio oltre la norma. Qualcosa di paragonabile solo al capodanno in TV con Gigi D’Alessio.

Tornando al punto, partiamo con l’esperimento e lasciamo svincolati dei mici, immaginandoli quindi liberi di correre in circolo intorno a questa inquietante fonte di disturbo (dicevamo: zampognari? un cetriolo? Gigi D’Alessio in diretta dalla Spagna che suona la zampogna con un centiolo sull’orecchio?  Fate voi.).

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La situazione risultante sarebbe che i gatti con meno energia si ritroverebbero per forza di cose a correre in circolo in una sorta di orbita più piccola, più vicina alla fonte di disagio (il mio sarebbe uno di questi certamente), altri invece più energetici, capaci quindi di schizzare via più lontano e quindi di saltare i dislivelli, si ritroverebbero a percorrere una orbita più distante, sicura ed estesa.

Negli atomi a quel tempo si pensava succedesse proprio qualcosa di simile; certo, sostituendo nel ragionamento gli elettroni agli scalmanati felini, e la fonte di disturbo con il nucleo dell’atomo (composto da protoni, carichi positivamente, e neutroni, con carica elettrica pari a zero) ovviamente.

Atomo
Il carattere delle particelle si intuisce dal loro aspetto: l’elettrone ha un carattere negativo, il protone positivo, mentre il neutrone di tutto ciò se ne disinteressa profondamente.

Ogni elettrone si pensava seguisse una determinata traettoria attorno al nucleo, e fornire ulteriore energia avrebbe significato farlo approdare ad una orbita superiore, una sorta di salto (quantico) verso il “dislivello” successivo (un po’ come dare dei croccantini extra energetici ad uno dei gatti in corsa, con lo scopo quindi di farlo allontanare agevolmente).

Heisenberg studiò a fondo, in particolare, ciò che riguardava le orbite che gli elettroni nel modello atomico compivano, ed intuì che parlare di orbite doveva presuppore di conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità degli elettroni nei singoli istanti del loro moto.

Ma la cosa di per sè era impossibile.

Immaginiamo infatti di volere determinare la posizione di un elettrone mediante irraggiamento con dei fotoni (una quantità discreta ed indivisibile di luce).

Affinché l’elettrone possa essere individuato, dovrà essere necessariamente colpito da un fotone che venga deviato verso l’osservatore.

Ciò però produce ovviamente una certa perturbazione. Il fotone infatti, interagendo con l’elettrone, trasmette ad esso energia, modificandone velocità e direzione.

Affinché l’elettrone rimanga osservato occorre che un certo numero di fotoni lo urti. È evidente però che con questi urti i fotoni cedano la loro energia, la quale influirà sullo stato di moto dell’elettrone, modificandolo.

Volendo fare un esempio ancora più semplice, è come se io al buio per determinare la posizione di un gatto fossi contretto a lanciargli contro continuamente dei cuscini (dato che in dimensione un gatto ed un cuscino sono paragonabili, così come una particella ed un fotone)!

È ovvio che prima o poi riuscirei a verificarne la collocazione, ma la stessa mediante tale tecnica ne verrebbe del tutto perturbata irrimediabilmente (a causa dell’impatto tra il micio ed il cuscino). E non solo quindi, perché tempo due secondi, il micio con balzo felino tenterebbe di attentare alla mia giugulare, intendiamoci.

 

citazione feynman 1 260x160 - Richard Feynman riguardo la fisica quantistica
Citazioni
Richard Feynman riguardo la fisica quantistica

Richard Feynman (IPA: [ˈfaɪnmən]) (New York, 11 maggio 1918 – Los Angeles, 15 febbraio 1988) è stato un fisico e divulgatore scientifico statunitense, Premio Nobel per la fisica nel 1965 per l’elaborazione dell’elettrodinamica quantistica.

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