vetro quantistico

Uno degli esempi più chiari, o forse meglio dire trasparenti, del fatto che viviamo in un mondo quantizzato (cubettolandia), è il vetro. Infatti non ci chiediamo spesso del perché il vetro lasci passare la luce mentre gli altri materiali no, ma se ci pensate è davvero un bel mistero: inoltre è impossibile immaginare un mondo senza vetro e quindi senza finestre, senza occhiali, senza cannocchiali, e chissà quante altre tecnologie basate su di esso. In realtà se ci soffermiamo su come sono fatti gli atomi che ci compongono la domanda potrebbe avere facile risposta; infatti gli atomi sono per lo più fatti di vuoto, un nucleo grosso come un oliva al centro di uno stadio, dove gli elettroni sono dei moscerini che girano impazziti sugli spalti: insomma praticamente tutto completamente vuoto. A questo punto non sembra più molto strano che luce passi attraverso la materia, se non fosse che normalmente non lo fa!! Quindi la domanda dovrebbe diventare all'incirca questa: ma perché non siamo tutti trasparenti come il vetro visto che siamo praticamente fatti di vuoto?

La risposta sta proprio nel modo in cui l'universo funziona e cioè a piccoli pacchetti; la luce è composta da quanti di energia (dei minuscoli pacchi) e gli elettroni che girano attorno al nucleo possono assorbire solo i pacchi di una determinata "dimensione". Ciò che accade è che i normali materiali che ci circondano hanno elettroni sul loro confine esterno in grado di assorbire praticamente tutti i pacchetti di cui la luce visibile è composta (tranne quelli del colore di cui ci appaiono). Il vetro invece possiede degli elettroni esterni ad uno stato energetico che non gli permette di assorbire i fotoni (così si chiamano i pacchetti) e questi passano indisturbati rendendolo trasparente alla luce visibile (ma per esempio non ai fotoni ultravioletti che invece portano pacchi delle dimensioni adeguate per essere assorbiti). Quindi se non fossimo in un modo quantizzato non potremmo guardare dalla finestra, ingrandire le immagini, guardare la televisione, giocare a biglie, guardare bene ciò che stiamo per bere, smanettare lo smartphone, andare dall'ottico, raccontare di Cenerentola, etc,  etc...

Cubettolandia

Supponiamo esista un universo simile al gioco dei Lego, in cui il mattoncino più piccolo sia un cubetto trasparente di un millimetro per lato; mettendo assieme i cubetti si possono formare strutture complesse a piacimento perché abbiamo a disposizione un numero enorme di cubetti, quasi infinito.

A questo universo aggiungiamo anche dei cubetti luminosi (al buio è un problema giocare coi mattoncini), anch'essi in numero illimitato. 

Ci vorrebbe molto tempo ma immaginiamo di costruire un intero universo fatto di cubetti, un po' trasparenti ed un po' luminosi, dando forma a piccoli atomi, molecole, e strutture sempre più complesse, fino ad assemblare interi cubettopianeti. Quale sarebbe la caratteristica peculiare di questo universo? La prima cosa che viene in mente a noi che lo abbiamo costruito sono i cubetti, tutti identici, ma a qualcuno che lo vedesse dall'interno certo non sarebbe subito comprensibile di che cosa sia fatto. 

Per capire meglio caliamoci nella parte di una abitante di cubettolandia; siamo anche noi composti di minuscoli cubetti e tutto ciò che ci circonda e di cui disponiamo è composta da cubetti: come fare a capire di cosa siamo fatti? Bisognerebbe prima prendere un pezzetto di "materia" e poi provare a farne brandelli sempre più piccoli fino ad arrivare ai cubetti primordiali; non sarebbe un impresa facile visto che siamo composti da miliardi di miliardi di miliardi di cubetti. Con qualche strategia ed ingegno riusciamo a fare pezzi sempre più piccoli fino ad arrivare ad isolare i due cubetti, uno trasparente ed uno luminoso: avendo però sviluppato come unità di misura più piccola il cubetto (la più piccola a nostra disposizione) è impossibile capirne la vera forma cubica. Anche sparando un cubetto contro l'altro e misurando i rimbalzi (sempre con la nostra unità di misura più piccola, il cubettometro) sarebbe impossibile ricostruire la forma cubica esatta.  Mettendo vicini un cubetto trasparente ed uno luminoso capiamo almeno che uno dei due è cristallino perché si illumina anch'esso e potremmo fare delle supposizioni sul suo contenuto: il problema rimane sempre il cubettometro che non ci permetterà mai di avere misure con approssimazioni migliori e di capire fino in fondo l'essenza dei cubetti.

Questa incertezza regna in ogni universo quantizzato, cioè fatto di quanti (i cubetti), e seppure il nostro Universo lo sia ed anche in maniera molto più complessa di cubettolandia, siamo riusciti ad arrivare a conoscere così bene i cubetti che ci compongono, che (seppure con la indeterminazione intrinseca) sappiamo governare la materia a tal punto da prevederne quasi ogni suo comportamento e sfruttarlo a nostro piacimento. Chissà se un giorno sarà possibile superare con qualche colpo di genio lo scoglio del cubettometro e dell'incertezza che per ora i fisici hanno dovuto assumere come postulato e fondamenta della teoria quantistica; la realtà è che il nostro universo non è solo composto da cubetti ma che tali mattoncini sono in realtà pacchetti di energia in continua interazione gli uni con gli altri, a volte simili ad onde ed altre a palline, e che tali onde possono emergere dal vuoto senza infrangere alcuna legge fisica di conservazione.

Immaginatevi se da bambini avessimo visto crearsi dal nulla nuovi mattoncini ad ogni nostra nuova costruzione!! Sarebbe stato veramente divertente.

Immagine: lampade fatte coi lego

Tanti, ma Quanti?

Uno degli aspetti sbalorditivi della natura si presenta ai nostri occhi come un pacchetto; un regalo per i fisici di inizio novecento che, alle prese con la catastrofe ultravioletta (una errata previsione delle teorie classiche), aspettarono Einstein e la sua scoperta dell'effetto fotoelettrico (nobel nel 1921) per spacchettare l'omaggio di Max Planck e la sua ipotesi quantistica del 1901.

Ebbene, nel pacco c'era un pacchettino, meglio dire un "quanto", perché oltre alla materia, che già si immaginava essere composta da mattoncini chiamati atomi, anche l'energia si presentava in pastiglie inscindibili chiamate fotoni. Da allora tutto è stato scoperto essere impacchettato, dallo spin degli elettroni, alle forze di interazione tra quark, al tempo.

Ma perché ci dovrebbe stupire tanto che la natura si presenti in tanti "quanti"? Nella fisica classica si è abituati a maneggiare grandezze analogiche, ma anche l'esperienza quotidiana ci lascia intuire che le vastità che ci circondano siano infinitesimamente suddivisibili; il fatto è che i pacchetti di cui stiamo parlando sono veramente piccoli, di una dimensione a noi quasi inimmaginabile, ed al nostro livello macroscopico è difficile intuirli così come è arduo intuire la dimensione dell'universo; naturalmente ci risulta anche non presagibile che il tempo stesso sia suddiviso in istanti, fotogrammi del reale che non possono più essere scissi.

Eppure basta immaginare l'architetto universale, la natura, che dovendo scegliere se costruire "il tutto" utilizzando come fondamenta un evanescente struttura diluibile infinitesimamente, oppure pacchetti ben definiti da poter appoggiare l'uno all'altro, prediliga questa seconda scelta.