An In-Depth Look at Max Plancks Quantum Theory

Alla base della fisica moderna c’è qualcosa chiamato teoria dei quanti. Essa spiega il comportamento dell’energia e della materia su diversi livelli atomici – atomico e subatomico. La teoria quantistica comprende il funzionamento dei regni della fisica comunemente chiamati fisica quantistica e meccanica quantistica e offre uno sguardo piuttosto interessante sui fondamenti della fisica moderna.

Gli inizi della teoria quantistica

La teoria quantistica fu presentata per la prima volta al grande pubblico nel 1900, da un fisico chiamato Max Planck. Egli presentò la teoria alla Società Tedesca di Fisica, in particolare presentando i risultati di un esperimento che aveva fatto esaminando il colore della radiazione dei corpi incandescenti (non corpi umani, corpi fisici).

Nell’esperimento, scoprì che se avesse assunto che l’energia esistesse in unità individuali simili alla materia, avrebbe trovato la risposta alla domanda originale posta nel suo esperimento. Pensare all’energia in questo modo era nuovo e permetteva di quantificarla facilmente. Queste unità di energia che fu in grado di quantificare furono chiamate quanti da Planck nei suoi scritti sull’esperimento e nelle successive equazioni matematiche.

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L’equazione che costituì l’inizio della teoria dei quanti dimostrò che a certi livelli di temperatura, l’energia che si sprigionava da un corpo incandescente esisteva in diverse aree dello spettro dei colori, o lunghezza d’onda. Planck inizialmente immaginava che la sua scoperta dei quanti avrebbe messo in moto la creazione di una nuova teoria, ma ciò che in realtà finì per accadere fu di riscrivere completamente la comprensione delle leggi della natura da parte dell’umanità.

Funzioni d’onda dell’elettrone in un atomo di idrogeno a diversi livelli di energia. La meccanica quantistica non può prevedere la posizione esatta di una particella nello spazio, ma solo la probabilità di trovarla in luoghi diversi. Fonte: PoorLeno/Wikimedia

Nel 1918, Planck vinse il premio Nobel per la sua scoperta e ricerca sui quanti. È importante notare, però, che mentre la ricerca di Planck iniziò le basi della moderna teoria dei quanti, decine o centinaia di altri scienziati lavorarono negli anni precedenti per preparare Planck a fare questa scoperta proprio nel momento in cui la fece lui. Dando un’occhiata più da vicino alla linea temporale, possiamo vedere come la teoria è progredita dopo la scoperta.

La linea temporale dello sviluppo della teoria quantistica

1900: Planck fa la scoperta iniziale, o meglio la supposizione, che l’energia sia fatta di unità chiamate quanti.

1905: Albert Einstein teorizza che l’energia e la radiazione potrebbero essere quantificate nello stesso modo in cui Planck aveva teorizzato i quanti.

1924: Louis de Broglie propone per la prima volta che non c’è differenza tra energia e particelle nella sua teoria della dualità onda-particella, dimostrata anche nel famoso esperimento della doppia fenditura.

1927: Uno scienziato di nome Werner Heisenberg teorizzò che la misurazione di due valori complementari allo stesso tempo, come la posizione e la quantità di moto di una data particella subatomica, sarebbe stata impossibile. Questo è in netto contrasto con la fisica tradizionale ed è diventato noto come il principio di indeterminazione.

Ora che abbiamo dato un’occhiata più da vicino alla linea temporale dello sviluppo della teoria quantistica, diamo un’occhiata più da vicino a chi era esattamente Max Planck.

Chi era Max Planck?

Nato nell’aprile del 1858, Max Karl Ernst Ludwig Planck (bel nome) era un fisico teorico che fu l’ideatore della teoria dei quanti, che, come abbiamo detto, gli permise di ricevere il premio Nobel per la fisica nel 1918. Durante la sua vita ha dato importanti contributi al campo della fisica teorica, ma la teoria dei quanti rimane il suo più grande risultato.

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La teoria dei quanti nelle mani di Planck ha completamente rivoluzionato la nostra comprensione e concettualizzazione delle particelle e dei processi quantistici. Potrebbe essere equiparata alla gravità della teoria della relatività di Alber Einstein che ha cambiato la nostra comprensione dello spazio e del tempo.

Il dottor Planck alla sua scrivania. Fonte: George Grantham Bain/Public Domain

Sia la teoria dei quanti che la teoria della relatività esemplificano le basi di tutta la fisica del 1900, costringendo i ricercatori a ripensare il modo in cui si approcciano al mondo che li circonda.

Planck è morto all’età di 89 anni nel 1947 in Germania.

Interpretazione della teoria quantistica

I principali metodi di interpretazione della teoria quantistica sono noti come l’interpretazione di Copenhagen e la teoria dei molti mondi. La teoria di Copenhagen propone che una particella è qualsiasi cosa venga misurata. In altre parole, se si misura una particella come un’onda, è un’onda. Tuttavia, afferma anche che non si può presumere che abbia proprietà specifiche o che esista finché non la si misura. È un modo di insistere che la realtà fisica non esiste fino a quando non la si osserva. Questo porta all’idea di sovrapposizione, che significa che qualsiasi particella o oggetto può essere in qualsiasi numero di posti potenziali contemporaneamente durante il periodo in cui non conosciamo la sua posizione, o non la stiamo osservando.

Il famoso esperimento mentale del gatto di Schrodinger è la perfetta esemplificazione di questa interpretazione della teoria dei quanti.

La teoria dei molti mondi o teoria del multiverso. Questa afferma che non appena si verifica il potenziale di esistenza di un oggetto, l’universo si divide in una serie di universi paralleli dove esistono entrambi gli stati di quell’oggetto. Questa teoria è la base di programmi televisivi come Rick e Morty o di altre storie popolari di fantascienza, ma in fin dei conti è un’interpretazione molto reale della teoria dei quanti.

Sia Stephen Hawking che Richard Feynman hanno espresso la loro preferenza per l’interpretazione della teoria del multiverso.

In fin dei conti, la teoria quantistica e la ricerca di Planck hanno influenzato drasticamente il lavoro dei fisici e dei ricercatori negli ultimi 100 anni. Le implicazioni della teoria quantistica possono però essere un po’ sconcertanti, tanto che lo stesso Planck, ai suoi tempi, si opponeva ad esse. I principi fondamentali della teoria, tuttavia, continuano ad essere ripetuti e provati attraverso la sperimentazione successiva. La fisica in molti modi sarà ancora perfezionata nel prossimo secolo, ma le fondamenta della teoria dei quanti, poste da Max Planck, sono probabilmente destinate a rimanere.

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