La Stampa - Consultazione Archivio

I misteriosissimi «quanti» I misteriosissimi «quanti» SUI numero dell'ottobre 1911 di «Camera Work», la leggendaria rivista di arte fotografica, apparve una foto di Alfred Steiglitz intitolata «la mano dell'uomo». In essa è ripresa una cupa periferia di una stazione ferroviaria con tutti i binari e una locomotiva che avanza a tutto vapore. Chi allora osservò quella splendida foto di Stieglitz probabilmente non immaginò quali devastazioni questa mano, avrebbe provocato al proprio ambiente di vita. Oggi alle soglie del 2000 un'incredibile quantità di problemi richiedono una pronta soluzione, pena traumi e distruzioni che potrebbero compromettere la sopravvivenza dell'uomo. Aria acqua e suolo, che insieme costituiscono quel sottile strato sulla superficie della Terra definita non a caso «biosfera», in cui è possibile 11 fenomeno «vita», sono, ogni giorno che passa, sempre più inquinati. . Le Nazioni Unite hanno proclamato il decennio degli Anni 80 il «Decennio dell'acqua pulita e della sanità» con lo slogan «Acqua pulita e sanità adeguata per tutti entro la fine del secolo-. I dati riguardanti la disponibilità di acqua pulita per una popolazione mondiale crescente e la situazione sanitaria legata a tale NELL'ANTICHITÀ' ebbe grande prestigio una fantasiosa e confusionaria teoria di Platone, secondo cui la luce era fuoco uscente dagli occhi per incontrare altro fuoco venuto dal Sole, attratto dalla reciproca affinità. L'incontro avveniva sugli oggetti osservati. Per trovare una teoria sensata sulla luce occorre arrivare a Newton e alla sua teoria della emissione, proposta verso il 1680. Secondo Newton la luce consisteva di piccolissime particelle emesse dalla sorgente luminosa, un punto di vista accettato quasi unanimemente durante tutto il '700. Pochi isolati, tra cui il sommo Eulero, sostenevano invece le Idee di Huygens (1690), secondo cui la luce era un fenomeno undulatorio slmile al suono, ma infinitamente più veloce. 1 Non era d'altronde facile decidere tra le due teorie e invero la fisica contemporanea ne ha operato una sintesi rivoluzionaria. E' possibile distinguere tra onda e particella solamente quando la luce cade su oggetti le cui dimensioni sono jconfrontabill con la lun¬ ghezza d'qrìd&^ijnRiegat£»r;E poiché per la lucè ordinaria questa vale meno di un millesimo di un millimetro, risultava praticamente impossibile al fisici del '700 distinguere tra un'onda e un fascio di particelle che procedono nella stessa direzione. All'inizio dell'800 Young e poi Fresnel riuscirono a dare una dimostrazione sperimentale convincente della natura undulatoria della luce. A guardar bene, molti fenomeni a noi familiari, quali 1 colori delle bolle di sapone e di certi insetti, quelli delle chiazze d'olio sull'acqua e di certi autoadesivi variopinti, si spiegano in modo convincente solo con la teoria di Huygens. Le onde radio hanno la stessa natura di quelle luminose, ma con una lunghezza d'onda che per le trasmissioni in FM arrivano a pochi metri. Esse sono fermate da montagne o grandi edifici, ma possono aggirare oggetti più piccoli. La teoria undulatoria trionfò verso il 1850-60 con i lavori di J. C. Maxwell, che rappresentano una pietra miliare nella storia della fisica, pari in importanza alla meccanica di Newton. Lo scozzese scrisse, partendo dal risultati di Gauss e Faraday, un insieme di equazioni che descrivevano 11 comportamento del campo elettrico e magnetico. Tra le conseguenze di queste equazioni, risalta l'esistenza di moti oscillatori di propagazione di detti campi, con una velocità pari a quella misurata della luce (300.000 km/scc). E quando si consideri che le equazioni di Maxwell predicono nei dettagli più incredibili la modalità di propagazione di queste onde e che essa concorda con quanto si osserva per la luce, non si può fare a meno di considerare questa come un'onda elettromagnetica. La scoperta successiva delle onde hertziane e dei raggi X e gamma ha esteso lo spettro delle onde elettromagnetiche verso le grandissime e le piccolissime lunghezze d'onda. Il successo della teoria undulatoria sembrava completo. Nel 1887 Hertz scopri tuttavia l'effetto fotoelettrico in cui l'energia luminosa viene trasformata in energia elettrica o meccanica. Un atomo può assorbire energia luminosa emettendo un elettrone. Facendo cadere luce ultravioletta su una lastra di metallo alcalino (sodio o meglio cesio), tenuta sotto vuoto, si vede che la lastra rimane carica positivamente, avendo emesso elettroni negativi. Gli esperimenti mostrano che la velocità degli elettroni emessi non dipende dall'intensità della luce incidente, ma solamente dalla frequenza di questa. Al di sotto di questa frequenza non vengono emessi elettroni. Aumentando l'intensità della luce aumenta, in proporzione, il numero di elettroni emessi. Tutto si comporta come se un atomo potesse ricevere energia dalla radiazione incidente solamente in quantità ben definita e dipendente dalla frequenza della luce. La luce sembra viaggiare in «quanti» o pacchetti di grandezza proporzionale alla frequenza, secondo una nota legge di Planck. Questo risultato, cui arrivò per primo Einstein nel 1905, stupì moltissimo i suoi contemporanei. Se la luce aveva natura undulatoria doveva impartire all'atomo un'energia proporzionale all'intensità e al tempo di illuminazione. Partendo da queste considerazioni Einstein propose, dopo un lungo travaglio durato fino al 1923, l'Idea di «quanto» di luce o fotone; si trattava di un ritorno alla idea corpuscolare di Newton, per molti antistorico. In realtà la luce, ma anche tutta la materia, ha natura duale; essa è onda e corpuscolo allo stesso tempo. Meglio ancora si potrebbe parlare di ente nuovo, che partecipa alla natura di onda e di particella, ma che non è nessuno dei due in particolare. Se la luce ha frequenza altissima, si comporta come una particella, non può aggirare ostacoli e la sua energia arriva in «quanti» di valore elevato. All'altra estremità, se trattiamo con luce di bassa frequenza e grande lunghezza d'onda, la vediamo aggirare ostacoli, la sua energia è suddivisa in «quanti» piccolissimi. La sua natura corpuscolare diventa difficile da intravedere, 1 salti quantistici quasi scompaiono, conviene considerarla come un'onda. Abbiamo considerato due casi estremi, tra questi esiste tutto uno spettro elettromagnetico che può apparire onda o particella a seconda dell'esperimento che si intende fare. Come ebbe a notare Bohr non è possibile incontrare con'traddlzioni interne in questo schema concettuale, esso vale per tutte le forme di materia. Da questa sintesi è nata la meccanica quantistica. Nonostante i grandi successi di questa non tutti i fisici sono d'accordo sull'interpretazione del formalismo, in particolare l'opposizione di Einstein alle nuove teorie fu granitica. Nessuno contesta la validità e l'accuratezza delle predizioni, il disaccordo interviene quando si cerca di guardare più a fondo e si risale alle questioni di principio. Una cosa è sicura, tutti insegniamo nei nostri corsi la cosiddetta interpretazione di Copenaghen, su cui conto di scrivere nei prossimi articoli, proprio perché non abbiamo niente di meglio. Per quanto incompleta, la visione attuale rimane co-, munque sempre più accettarle di quella di Platone. Tullio Regge Con questo articolo Tullio Regge, uno dei più ramosi scienziati italiani, noto ai nostri lettori anche come brillante divulgatore, inizia la spiegazione di una delle più difficili teorie della fisica. La Meccanica dei quanti, che fornisce la ragione di molti fatti altrimenti incomprensibili, dalla forza dell'atomo al funzionamento dell'elettronica, diventa cosi una teoria meno arcana Rifrazione della luce (da «L'uovo di Colombo», ed. Mazzotta)