Le grandi domande della vita: Quantisticamente

Nuovo appuntamento con Le grandi domande della vita in edizione EduINAF. In questo nuovo collage vi propongo due domande a tema quantistico, la prima dedicata al rapporto tra meccanica classica e quantistica.

La storia inizia più di un secolo fa, quando nel 1899 quando Max Planck introdusse la costante che oggi porta il suo nome (la costante di Planck) per spiegare le emissioni di un corpo nero evitando la così detta catastrofe dell'ultravioletto. Cercherò, però, di fornire i punti essenziali per comprendere nel modo migliore la questione.
Il punto centrale è che la distinzione vera tra fisica classica e meccanica quantistica non è fornita dal macro o dal micro, ma dal genere di termodinamica che viene utilizzata per studiare un dato sistema. L'esempio più ovvio che abbiamo sotto gli occhi ogni giorno (anche se non dobbiamo dimenticarci di non osservarlo mai direttamente) è il Sole. La stella che illumina il nostro pianeta, infatti, è una vera e propria fornace nucleare e quindi la sua evoluzione e i moti delle particelle (fotoni, elettroni, nucleoni) vengono descritti usando le equazioni della meccanica quantistica, eppure il Sole non può certo essere definito un sistema microscopico. D'altra parte per descrivere il moto del Sole all'interno della galassia utilizziamo le leggi della gravitazione scoperte da Isaac Newton in prima approssimazione o la relatività generale di Albert Einstein per fornire una descrizione più precisa. Ovvero, in funzione di cosa ci interessa capire del Sole, lo descriviamo ora con le leggi della meccanica quantistica, ora con quelle della fisica classica. Se hai presente i supereroi, potremmo dire che accade la stessa cosa anche con la Torcia Umana dei Fantastici 4!
Usiamo questo supereroe per chiarire meglio le differenze tra fisica classica e meccanica quantistica: fino a che Johnny Storm resta un essere umano normale, possiamo utilizzare le equazioni di un corpo rigido per descriverlo grossolanamente. Nel momento in cui si infiamma, diventando la Torcia Umana, risultano necessarie le equazioni della meccanica quantistica: la principale differenza tra i due approcci è, però, non tanto il macro e il micro, ma il numero di elementi che trattano. Le equazioni della fisica classica trattano un numero di oggetti relativamente limitato. Quelle della meccanica quantistica sono in grado di trattare sistemi costituiti da un numero elevato di particelle. Per capire meglio, se prendiamo il problema dei tre corpi (giusto per restare nel campo dell'astronomia), questo, pur basandosi su equazioni classiche relativamente semplici, conduce a soluzioni caotiche o statistiche, proprio come le equazioni della meccanica quantistica.
Per quel che riguarda lo zoom, ti lascio con questa immagine data dal fisico teorico John Wheeler: