Dizionario molto elementare di fisica quantistica

La fisica quantistica è la parte della fisica che spiega come si comportano le cose piccole, su scale atomiche e inferiori. A queste scale, il mondo non è come lo vediamo: accadono “cose strane”. Il mondo della probabilità entra in gioco e praticamente tutto può succedere.

Dato che il 2025 è stato dichiarato Anno della Scienza e della Tecnologia Quantistica, diventa essenziale un dizionario fisica quantistica molto basilare per poter stare al passo con la quantistica che sta arrivando.

I padri della fisica quantistica, tutti premi Nobel

Max Planck (1858-1947) introdusse nel 1900 l’idea dei quanti di energia, segnando la nascita della teoria quantistica. Cinque anni dopo, Albert Einstein (1879-1955) utilizzò questa idea per spiegare l’effetto fotoelettrico, consolidando il concetto che la luce ha una natura duale, comportandosi sia come onda che come particella.

Ci sono altri tre nomi che dobbiamo tenere a mente quando parliamo di fisica quantistica. Il primo è quello di Niels Bohr (1885-1962), che propose un modello atomico che spiegava come gli elettroni orbitano in livelli discreti di energia chiamati orbitali. Per quanto riguarda Werner Heisenberg (1901-1976) e Erwin Schrödinger (1887-1961), svilupparono le formulazioni matematiche fondamentali della meccanica quantistica.

Particelle elementari

Le particelle elementari sono le entità più piccole possibili. Non sono costituite da altre più piccole né si sa che abbiano una struttura interna. Ce ne sono di due tipi: i mattoni che costituiscono il nostro mondo (la materia) associandosi tra loro, che chiamiamo fermioni, e le particelle che sono responsabili delle interazioni che si producono tra i fermioni, i bosoni.

I neutrini sono fermioni e, quindi, materia. Quello che succede è che sono così piccoli che non interagiscono con il resto della materia comune, per questo ci attraversano in quantità incalcolabili senza che ce ne accorgiamo.

Le particelle elementari non possono essere divise, o almeno non ci siamo riusciti. Gli elettroni sono particelle elementari, i protoni e i neutroni no. Ma tutte loro, che possano o meno essere divise, e a causa delle loro dimensioni minuscole, obbediscono alle regole del mondo quantistico.

Quanto

Quanto deriva dal latino e significa quantità. Si tratta del valore più piccolo che può assumere qualsiasi proprietà misurabile, qualsiasi grandezza fisica. E il quanto è indivisibile. Per esempio, possiamo parlare di quanto di energia come la minima (e indivisibile) quantità di energia che può essere scambiata in un’interazione. Un fotone (la particella elementare responsabile delle manifestazioni quantistiche del fenomeno elettromagnetico, tra cui la luce) è, in questo modo, un quanto di energia.

Ci sono altre grandezze quantizzate, come la carica elettrica, lo spin o il momento angolare della particella, ecc.

Paradossi quantistici

Nel mondo delle cose più piccole accadono cose inimmaginabili. Per esempio, una particella può essere in due luoghi contemporaneamente, o un gatto può essere vivo e morto allo stesso tempo. “Può esistere la Luna se non la guardiamo?”, si chiedeva Einstein.

La risposta a tutto questo, che non è solo un gioco intellettuale, si chiama sovrapposizione di stati. Nel mondo quantistico tutto, ai nostri occhi, è una questione di probabilità. E lo stato concreto che si manifesta esiste solo quando lo misuriamo (o lo osserviamo).

Immaginiamo di lanciare una moneta, ma invece di cadere su testa o croce, è su entrambi i lati contemporaneamente fino a quando non la guardiamo. Solo allora si decide di essere testa o croce. Questa qualità delle particelle del mondo quantistico viene utilizzata senza essere completamente compresa. Ed è la chiave dei computer quantistici.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

Nel mondo quantistico regna l’indeterminazione. Non possiamo sapere contemporaneamente tutte le informazioni su una particella.

Per esempio, non possiamo sapere esattamente dove si trova una particella e, allo stesso tempo, la sua velocità, poiché per misurare la velocità dovremmo permettere che si muovesse e non sarebbe più nello stesso posto. È come se cercassimo di vedere una palla in movimento: più veloce si muove, più difficile è sapere esattamente dove si trova. Succede qualcosa di simile anche con l’energia e il tempo.

Dualità onda-particella

Le particelle a volte si comportano come “palline” e altre volte come onde, come onde sulla superficie dell’acqua. È come se una particella avesse due personalità: a volte è qualcosa di solido e a volte è qualcosa di più diffuso.

L’idea che la luce si comportasse come un treno di piccole particelle fu sostenuta da Sir Isaac Newton, ma senza prove. Contemporaneo di Newton, Thomas Young dimostrò con il suo famoso esperimento della doppia fenditura che la luce si comportava come un’onda, ma la presenza di Newton e la sua teoria corpuscolare furono così impattanti e preponderanti che Young fu relegato e dimenticato per diversi secoli.

Oggi sappiamo che la luce può comportarsi sia come un’onda che come una particella. E non succede solo con la luce, ma anche con altre particelle (elettroni, protoni, neutroni, ecc.).

Tecnologie quantistiche e supremazia

Si chiamano così i dispositivi o le applicazioni che utilizzano le regole del mondo quantistico per fare cose incredibili, come computer superveloci (computer quantistici), sensori superprecisi e comunicazioni che non possono essere hackerare.

Anche se si avanza in questa direzione ogni giorno, non è stata ancora raggiunta la supremazia quantistica in nessun campo. Questo accadrà quando una di queste tecnologie quantistiche supererà in efficienza le tecnologie classiche.

Entanglement quantistico

Immaginate di avere due walkie-talkie magici che sono sempre connessi, non importa quanto lontani siano. Se parlate in uno di essi, il suono arriverà all’altro esattamente nello stesso momento, indipendentemente dalla distanza, viaggiando l’informazione anche a velocità superiori a quella della luce.

Le particelle quantistiche entangled sono come quei walkie-talkie: una influisce sull’altra nello stesso preciso istante, indipendentemente dalla distanza che le separa.

Un esempio classico è quello della coppia di scarpe che il calzolaio separa in due scatole chiuse, portando ciascuna scarza una persona diversa. Nessuno dei due sa quale scarpa si è portato, destra o sinistra, fino a quando uno dei due apre la scatola (osserva la particella), momento in cui si rivela quale scarpa è da ciascuna parte, senza alcuna interazione tra le due persone.

Crittografia quantistica

Crittografare significa codificare qualcosa in modo che solo chi ha la chiave possa leggere il messaggio. Se aggiungiamo l’aggettivo “quantistica” alla crittografia, le cose si fanno interessanti.

In questo caso si usano fotoni, e con i fotoni si possono fare cose che sembrano di fantascienza. Come abbiamo anticipato, un fotone può essere in due stati contemporaneamente (sovrapposizione di stati). È come se potessimo essere a casa nostra e a scuola allo stesso tempo, ma solo fino a quando qualcuno ci vede! Quando ci vedono (o ci misurano), possiamo essere solo nel luogo in cui ci hanno visto. Questo si chiama “collasso”: il fotone non è più in due stati, ma in uno.

D’altra parte, con la tecnologia attuale è possibile intrecciare due fotoni in modo che abbiano la stessa informazione, che può essere letta solo se si conosce la chiave. E se non si conosce la chiave e si tenta di leggerla, l’informazione si rovina, diventa illeggibile, avvisando il mittente e il destinatario che qualcuno ha tentato di leggerla.

L’Eagle-1 dell’ESA sarà il primo satellite a incorporare comunicazioni crittografate quantisticamente e il suo lancio è previsto per la fine del 2025.

Acceleratore di particelle

Il nome dice tutto: l’acceleratore di particelle è un apparecchio che, mediante campi magnetici, riesce ad accelerare particelle e farle interagire (scontrarsi tra loro). In questo modo si ricreano situazioni vicine a quelle che si pensa ci siano state agli inizi dell’universo conosciuto, il Big Bang, con particelle estremamente energetiche che si scontrano tra loro e danno origine ad altre particelle, antiparticelle, fotoni, ecc.

Il più famoso è l’LHC del CERN, ma oggi ci sono più di 20.000 acceleratori in funzione in tutto il mondo.

E così, tutto ciò che accade obbedisce agli stravaganti disegni della fisica quantistica.