La meccanica quantistica 100 anni dopo: una rivoluzione incompiuta

È raro che un’idea o una teoria scientifica cambi radicalmente la nostra prospettiva sulla realtà. Uno di questi momenti rivoluzionari si celebra nel 2025, che le Nazioni Unite hanno dichiarato Anno internazionale della scienza e della tecnologia quantistica. Questo segna il centenario dell’avvento della meccanica quantistica, iniziato in una raffica di articoli 100 anni fa. Proprio come sarebbe impossibile dare un senso alla biologia moderna senza la teoria dell’evoluzione di Charles Darwin, la nostra comprensione fondamentale del mondo fisico è ora radicata nei principi quantistici. La fisica moderna è fisica quantistica.

La parola quantistica si riferisce al modo in cui la materia assorbe o rilascia energia – in pacchetti discreti, o quanti. Il suo uso in fisica deriva dalla parola tedesca quantitativoche deriva da un termine latino che significa “quanto”. Intorno al 1900, fisici come Max Planck e Albert Einstein iniziarono a descrivere, in modo ad hoc, perché diversi fenomeni del regno subatomico non potevano essere spiegati utilizzando la meccanica classica sviluppata da Isaac Newton e altri circa due secoli prima. Poi, nel 1925, il termine quantistico venne utilizzato per descrivere i fondamenti di una forma completamente nuova di meccanica: la branca della fisica che descrive la relazione tra le forze e il movimento degli oggetti fisici.

Come la meccanica quantistica emerse in pochi mesi rivoluzionari 100 anni fa

Come descrive lo storico della scienza Kristian Camilleri in un saggio sugli sviluppi sorprendenti di quell’anno e di quelli che seguirono, il fisico Werner Heisenberg si recò nell’estate del 1925 sull’isola tedesca di Helgoland nel Mare del Nord in cerca di sollievo da una grave febbre da fieno. Poco dopo, ha presentato al giornale Zeitschrift für Physik un articolo il cui titolo si traduce come “Sulla reinterpretazione quantistica delle relazioni cinematiche e meccaniche” (W. Heisenberg Z. Fisico 33879–893; 1925). Ciò stimolò nei mesi successivi ulteriori studi da parte di Heisenberg e dei suoi stretti collaboratori, nonché il lavoro utilizzando un approccio alternativo da parte di Erwin Schrödinger.

La rivoluzione non è iniziata con l’abbandono da parte dei fisici delle leggi della meccanica classica, ma con la loro radicale reinterpretazione di concetti classici come energia e quantità di moto. Tuttavia, ha richiesto ai suoi promotori di abbandonare le idee di buon senso, ad esempio, l’aspettativa che oggetti subatomici come le particelle abbiano una posizione e una quantità di moto ben definite in un dato momento. Invece, i fisici scoprirono che i fenomeni naturali avevano una natura intrinsecamente inconoscibile. La fisica classica, in altre parole, è solo una rappresentazione approssimativa della realtà, e si manifesta solo a livello macroscopico. Un secolo dopo, questa visione della natura del mondo fisico ancora entusiasma e confonde in egual misura. Molti Natura i lettori conosceranno i dilemmi filosofici sollevati dai gatti quantistici che sono contemporaneamente vivi e morti, e l’industria che sta crescendo attorno all’informatica quantistica.

Altri sapranno come le idee quantistiche hanno dato origine ai laser che trasmettono informazioni attraverso i cavi di Internet e ai transistor che forniscono la potenza di elaborazione dei chip elettronici. Ma le idee quantistiche modellano anche la nostra comprensione della natura, a tutti i livelli, spiegando perché gli oggetti solidi non si disgregano e come le stelle brillano e, alla fine, muoiono.

Un anno quantico

Eventi commemorativi sono in programma in tutto il mondo per i prossimi 12 mesi. Tra queste figurano una cerimonia di apertura dell’anno delle Nazioni Unite presso la sede dell’organizzazione scientifica delle Nazioni Unite UNESCO a Parigi a febbraio; eventi speciali al convegno dell’American Physical Society ad Anaheim, California, a marzo; e un seminario per fisici a Helgoland a giugno. L’ambizione collettiva degli organizzatori è quella di celebrare non solo il centenario della meccanica quantistica, ma anche la scienza e le applicazioni che ne sono derivate nel secolo scorso, ed esplorare come la fisica quantistica potrebbe apportare ulteriori cambiamenti nel secolo a venire.

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A maggio, il Ghana, il paese che originariamente aveva proposto che l’ONU proclamasse il 2025 anno della scienza quantistica, ospiterà una conferenza internazionale sull’argomento a Kumasi. E ad agosto gli storici della scienza si incontreranno per celebrare il secolo quantistico a Salvador de Bahia in Brasile.

Questo incontro costituirà il culmine di un programma di ricerca ventennale che si proponeva di riesaminare lo sviluppo della teoria quantistica. Uno degli obiettivi principali di questo lavoro, afferma lo storico Michel Janssen dell’Università del Minnesota a Minneapolis, era quello di stabilire i contributi di un collettivo di scienziati, molti dei quali – in particolare le donne – non sono stati riconosciuti nella storia del settore.

Queste “figure nascoste” includono Lucy Mensing, che era membro dello stesso gruppo di Heisenberg e elaborò alcune delle prime applicazioni della sua teoria quanto-meccanica, dice Daniela Monaldi, storica della York University di Toronto, Canada. Uno degli eventi più importanti dell’anno sarà la pubblicazione di un volume biografico di saggi su 16 di loro, Le donne nella storia della fisica quantistica.

Nonostante tutto ciò che ha già portato, la rivoluzione quantistica ha ancora degli affari in sospeso. Negli anni in cui i ricercatori gettavano le basi della meccanica quantistica, iniziarono anche a ricostruire altri rami della fisica – come lo studio dell’elettromagnetismo e degli stati della materia – partendo dalle basi quantistiche. Hanno anche cercato di estendere le loro teorie per comprendere oggetti che si muovono a una velocità prossima alla luce, cosa che la teoria quantistica originale non faceva. Questi sforzi hanno ampliato drasticamente la portata della scienza quantistica e hanno portato i ricercatori a sviluppare il modello standard di particelle e campi, un processo che finalmente si è concretizzato negli anni ’70.

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Il modello standard ha avuto un successo incredibile, culminato nella scoperta nel 2012 della sua particella elementare fondamentale, il bosone di Higgs. Ma queste estensioni si trovano su un terreno teorico meno solido rispetto alla meccanica quantistica e lasciano diversi fenomeni inspiegati, come la natura della “materia oscura” che sembra superare di gran lunga la materia visibile convenzionale nel cosmo più ampio. Inoltre, un fenomeno importante, la gravità, resiste ancora alla quantizzazione.

Altri problemi concettuali della fisica quantistica rimangono aperti. In particolare, i ricercatori faticano a capire cosa succede esattamente quando gli esperimenti “collassano” le probabilità confuse degli oggetti quantistici in una misurazione precisa, un passo fondamentale nella creazione del mondo macroscopico – ancora spietatamente classico – in cui viviamo. Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno sviluppato modi per trasformare queste stranezze della realtà quantistica in tecnologie utili. Le applicazioni che ne derivano nel campo dell’informatica, delle comunicazioni ultrasicure e degli strumenti scientifici innovativi sono ancora nella fase nascente.

La teoria quantistica continua a dare risultati. Quest’anno è un’opportunità per celebrare e rendere il pubblico più vasto consapevole del ruolo che la fisica quantistica ha nelle loro vite – e per ispirare le generazioni future, chiunque siano e ovunque si trovino nel mondo, a contribuire a un altro secolo quantistico.