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.).

atomo gatti1 300x263 - Il principio di indeterminazione di Heisenberg spiegato con dei gatti

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.

 

Albert Einstein And Niels Bohr
Scienza
La teoria della misurazione di Bohr

Spesso viene da chiedersi: “Cosa realizza la realtà?” Tratto da: Fisica quantistica per curiosi Esistono diverse risposte alla domanda “Cosa realizza la realtà?” e la prima risposta è contenuta nella teoria della misurazione di Bohr (scuola di Copenhagen), riportata nel testo dello studioso “Atomic theory in the description of nature” (Cambridge, 1934). Ed in essa si afferma che la riduzione della funzione d’onda avvenga a livello dello strumento di misura. Quest’ultima è l’interpretazione della meccanica quantistica maggiormente condivisa fra gli studiosi (nessuna speranza quindi che la coscienza dell’osservatore entri in ballo nel processo di realizzazione della realtà). Bohr volle subito eliminare la figura di un osservatore cosciente, e pensò immediatamente come sostituirlo con diversi artifizi. In pochi anni fu quindi messa a punto la versione definitiva della “interpretazione di Copenaghen”, la quale sostituì ad esso una “reazione termodinamica irreversibile”, affinché quindi lo stato non oggettivo potesse diventare uno stato oggettivo. La cosa fa nascere però alcune perplessità: sembrerebbe infatti impossibile che l’esistenza del mondo microscopico debba dipendere da eventi termodinamici irreversibili, ovvero eventi “macroscopici”. Non dovrebbe essere il contrario? Cioè che il macroscopico dipenda dal microscopico? Per questo ed altri motivi, molti fisici tra cui in primis Wigner (ne abbiamo parlato illustrando …

Asteroide
Scienza
Due anni di oscurità: così l’asteroide ha sterminato i dinosauri

Prima l’impatto del gigantesco asteroide, poi i terremoti e gli tsunami. Il cielo si riempie di fuliggine e la Terra sprofonda nell’oscurità per due anni: ecco come i dinosauri si sono estinti 66 milioni di anni fa dalla faccia del pianeta. SCOPERTE – Circa 66 milioni di anni fa un asteroide largo dieci chilometri si è schiantato sulla Terra, nella regione oggi conosciuta come penisola dello Yucatan. L’impatto del gigantesco asteroide ha causato terremoti, tsunami ed eruzioni vulcaniche, ma soprattutto ha sollevato una coltre di fuliggine nell’atmosfera. I cieli si sono ricoperti di un manto nero e per due lunghi anni il pianeta è stato avvolto dall’oscurità. Le piante hanno smesso di eseguire la fotosintesi, il clima è cambiato e per i dinosauri sopravvissuti agli incendi e all’impatto non c’è stato scampo: tre quarti delle specie viventi sono scomparse durante l’estinzione del Cretaceo-Paleocene. Questo è lo scenario che spiega come è avvenuta l’estinzione dei dinosauri nello studio pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences e condotto da Charles Bardeen, scienziato del National Center for Atmospheric Research (NCAR), in collaborazione con i ricercatori della NASA e della University of Colorado a Boulder. I ricercatori hanno stimato la quantità di fuliggine prodotta dagli incendi causati dall’impatto dell’asteroide e sono stati …

ScienzaI libri del blogPassione scritturaCollabora con noi