Questo potrebbe sorprenderti, ma potrebbero esserci letteralmente migliaia, o addirittura decine di migliaia, di dispositivi e componenti che ti circondano in questo momento che funzionano grazie alla nostra comprensione della fisica quantistica.
La fisica quantistica è una branca della scienza che genera enormi quantità di interesse, stupore e, il più delle volte, sconcerto. Ma prima di poterti dire in che modo ti influenza davvero, dobbiamo fornire un po’ di background.
Ok, dammi la teoria
La fisica quantistica si concentra sulla spiegazione del comportamento della materia e della luce su scale molto piccole: singoli atomi e fotoni (“particelle” di luce). Il formalismo matematico della meccanica quantistica (distinto dal termine più ampio di fisica quantistica) consente agli scienziati di modellare la fisica oggetto di indagine attraverso esperimenti.
Non c’è niente di unico nella fisica quantistica: è una teoria scientifica come le altre, che soddisfa i rigorosi requisiti del metodo scientifico.
Ma ci sono certamente alcuni aspetti strani della teoria.
La parola “quantum” è definita dall’Oxford English Dictionary come una quantità, una quota o una porzione. È stato applicato a studi pionieristici sulla natura della luce e della materia perché gli esperimenti suggerivano che un’ampia varietà di misure veniva fornita con valori consentiti solo molto particolari, del tutto contrari a ciò che generalmente osserviamo nel mondo intorno a noi o all’intuizione fisica standard.
Diventa strano.
Nella fisica quantistica nessuno può dirti molto con certezza. Possono solo descrivere le probabilità per i risultati della misurazione (ad es. dove potrebbe trovarsi una particella). E la fisica quantistica descrive la luce come una particella e un’onda allo stesso tempo.
Perché la teoria è così controintuitiva? Ebbene, sfortunatamente questo rimane oggetto di molti studi, compreso il campo di ricerca attivo dei fondamenti quantistici, cercando di chiarire cosa sta realmente accadendo.
Nonostante queste stranezze, la fisica quantistica è diventata una delle teorie scientifiche di maggior successo sviluppate fino ad oggi, consentendo agli scienziati di spiegare una serie di comportamenti nei sistemi, dalle stelle ai gas, dai metalli alla luce.
Soprattutto, la teoria ha potere predittivo, un requisito chiave nella scienza.
E tutte quelle applicazioni quantistiche?
Cominciamo con l’IT.
I transistor sono gli elementi hardware fondamentali nei microprocessori: rappresentano bit di informazioni nel modo in cui conducono l’elettricità (acceso = 1, spento = 0).
I transistor sono fabbricati da materiali noti come semiconduttori, in cui gli elettroni portatori di carica possono occupare solo determinati livelli di energia discreti, come determinato dalla fisica quantistica. Man mano che vengono aggiunti più elettroni, formano “bande” consentite in un modo prescritto.
La risultante “struttura a banda” di energia, che può essere modificata applicando tensioni ai fili collegati al dispositivo, dà origine al comportamento di commutazione da cui costruiamo gli elementi elettrici fondamentali.
Senza la meccanica quantistica non avremmo alcuna comprensione dei semiconduttori, non avremmo potuto progettare il transistor e quindi non avremmo microprocessori.
Cose simili si possono dire di altri dispositivi IT familiari nella tua casa. I telefoni cellulari, ad esempio, utilizzano circuiti ad alta frequenza che funzionano grazie alla stessa fisica.
Su Internet, il tempo di rete è mantenuto da orologi atomici che utilizzano la descrizione quantistica degli atomi e le interazioni luce-materia per produrre un “tick” estremamente stabile e ripetibile.
In effetti, quasi tutti i componenti hardware delle tecnologie dell’informazione, dai microprocessori nei desktop e nei server ai modulatori optoelettronici e ai diodi laser utilizzati nelle comunicazioni a lunga distanza per Internet, devono la loro esistenza alla nostra comprensione della fisica quantistica.
A casa, se accendi il tuo televisore a schermo piatto, potrebbe avere quello che è noto come un display con retroilluminazione a LED. Questo utilizza una sorgente di luce ad alta efficienza energetica nota come diodo a emissione di luce.
La fisica quantistica della struttura a bande dei semiconduttori e la teoria della radiazione di Planck spiegano come produrre luce di vari colori da questi dispositivi.
Il tuo sistema di home entertainment potrebbe anche avere un lettore DVD che utilizza un laser a stato solido, il cui sviluppo si basava sulla teoria quantistica della radiazione di Einstein e sui successivi sviluppi nell’emissione stimolata.
O se hai avuto una risonanza magnetica per un infortunio al ginocchio, ha funzionato grazie agli sviluppi della risonanza magnetica nucleare e della teoria quantistica del momento angolare “spin”. Potremmo andare avanti all’infinito…
Per essere chiari, queste non sono tecnologie che possono essere tortuosamente ricondotte alla teoria quantistica: si tratta di dispositivi e sistemi che sono stati sviluppati esplicitamente grazie alla nostra conoscenza della fisica quantistica.
Quindi ora lo sai
I reali impatti quotidiani della fisica quantistica sono stati oscurati dai marketer che usano la parola “quantum” incessantemente per suggerire che i loro prodotti sono “high-tech”, in applicazioni diverse come l’archiviazione dei dati e, sì, il detersivo per lavastoviglie. Allo stesso modo, i gruppi New-age hanno cooptato “quantum” e lo hanno usato per indicare praticamente qualsiasi idea pseudo-religiosa assurda che desiderano.
Tutto questo è a castello.
Ma ora se qualcuno cerca di venderti qualcosa perché è “quantum” puoi separare la verità dalle sciocchezze.
E se ti chiedi perché questo ramo della fisica è importante per te, guardati intorno e vedrai la risposta in quasi tutta la tecnologia moderna.
Autore
Michael J. Biercuk, Università di Sydney
