La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Seconda passeggiata: granelli di luce 10 giugno 2009
Inviato da Marco in : Fisica, Scienza con Oliver 16 commentiNon abbiamo fatto più di cinquanta metri lungo il sentiero che Oliver sembra essersi improvvisamente dimenticato dell’enorme territorio i cui confini vorrebbe segnare, e inizia a ronzarmi intorno insistente come solo quando si avvicina l’ora della pappa o vuole qualcosa che non può avere: “Dai, dimmi come Planck ha imbrogliato, dimmi come Planck ha risolto il problema, dimmi come Planck ha imbrogliato, oppure dammi un biscotto, dimmi come Planck, dammi, dimmi…”. D’accordo. d’accordo. Piuttosto che darti già un biscotto, vada per l’imbroglio di Planck.
Come probabilmente ti ricorderai, i fisici di fine ’800 si grattavano la testa tentando di capire quale legge governasse le differenti emissioni di radiazione elettromagnetica da parte di un corpo a una certa temperatura. Gli strumenti teorici che avevano a disposizione consistevano essenzialmente nelle equazioni di uno scozzese barbuto di nome Maxwell, che aveva messo insieme elettricità e magnetismo in un quadro eccezionalmente coerente ed elegante. Il problema era che, partendo da questi presupposi “classici”, i fisici arrivavano a conclusioni che andavano bene per descrivere soltanto una parte della curva a campana (ti ricordi? Quella curva che rappresenta l’intensità della luce in funzione del suo “tipo”). Due lord inglesi, il signor Rayleigh e il signor Jeans, avevano tra gli altri tirato fuori una formuletta niente male che sembrava andare proprio bene per descrivere la curva nella regione delle grandi lunghezze d’onda, ovvero nell’infrarosso. Peccato che, spostandosi nella regione dell’ultravioletto, la legge di Rayleigh-Jeans prevede che l’intensità della luce diventi infinita. Lo sai, ai fisici piacciono i termini roboanti: tra di loro amavano chiamare questo fenomeno (inesistente) la catastrofe ultravioletta!
Oliver abbassa le orecchie terrorizzato e mette la cosa tra le gambe: forse ho esagerato un po’ con il tono. “Stai un po’ tranquillo, cane pavido che non sei altro! La natura se ne infischia dei fisici!”. Catastrofe ultravioletta o meno, nella vita reale l’intensità della luce raggiunge un massimo e poi ridiscende docile a valori più bassi mano a mano che ci spostiamo verso lunghezze d’onda più corte. La legge di Rayleight-Jeans è semplicemente sbagliata. Ed è qui che entra in gioco Planck con il suo imbroglio (“Finalmente! Uof!”).
Planck non aveva idea del perché la legge di R. e J. non funzionasse, né di come risolvere il problema. Era però un fisico, e come tutti i fisici sapeva bene che, non avendo pronta una teoria buona per descrivere le osservazioni, poteva sempre usare le osservazioni per cercare un indizio sulla teoria. Planck prese la formula di R. e J. e vi aggiunse un pezzettino, un termine matematico che domava la curva originale e la piegava a più miti consigli, allontanandola dalla catastrofe e riportadola a terra. Solo una volta trovato il pezzettino di formula che meglio accomodava i dati che osservava, Planck cominciò a preoccuparsi di capire quale significato nascosto contenesse la sua formula, e se questa potesse dirci qualcosa di più sulla natura della luce. Ed è qui che il suo imbroglio gli si ritorse contro.
Se guardi da vicino al formula di Planck – che così bene descrive le osservazioni sperimentali – e sai decifrare il linguaggio della matematica, scoprirai che la formula di Planck implica che la luce sia formata da granellini! Granellini! La formula di Planck ci rivela che l’energia proveniente dalle molecole del corpo che abbiamo scaldato (il sole, o il forno con l’arrosto davanti il quale hai mugolato di continuo l’altra sera) viene emessa in pacchettini, ognuno dei quali è multiplo di un pacchettino minimo proporzionale alla frequenza della luce emessa (dunque in qualche modo al suo “colore”) e a una costante universale che, guarda caso, chiamiamo la costante di Planck.
Allora, tu sei un cane certamente intelligente, dunque sono certo capisci le implicazioni di questa scoperta. Tutti gli scienziati pensavano che la luce fosse un’onda: questa era l’assunzione di base dello scozzese barbuto di cui ti parlavo prima. Adesso salta fuori Planck, imbroglia un po’ per trovare una soluzione a qualcosa che non quadra, e questa soluzione ha una conseguenza devastante: la luce è sì un’onda, ma si comporta anche come fosse composta da particelle. Rivoluzionario! Lo stesso Planck non ci credeva molto: fece molti tentativi per cercare di aggirare questa conseguenza scomoda, tutti senza successo: ogni volta che cercava di eliminare dal gioco la costante con il suo nome (“È solo un artefatto matematico” – si diceva – “Adesso la faccio diventare così piccola che le particelle di luce spariranno, lasciandomi soltanto le onde, ma anche la soluzione alla curva di emissione”) la curva impazziva e ritornava a descrivere catastrofi inesistenti.
Te la faccio breve, che siamo quasi arrivati al lago: pochi anni dopo un altro fisico di cui hai sicuramente sentito parlare, un certo Einstein, spiegò un altro fenomeno che faceva grattare la testa ai fisici – l’effetto fotoelettrico – usando l’ipotesi dei granelli di luce di Planck. Troppe cose sembravano andare a braccetto con la nuova ipotesi, che doveva dunque essere vera. Era nata la meccanica quantistica, da quantum, che in latino vuol dire proprio pezzettino, granello.
Oliver mi guarda distratto: ormai siamo al lago, e le tane di marmotte sono troppo attraenti per la sua capacità di concentrazione canina. Ma prima di lanciarsi in uno di quegli inseguimenti che potrebbero costarmi un multa enorme da parte della guardia forestale, mi guarda di sbieco e mi fa: “Dimmi un po’: se la luce è un’onda, e però abbiamo anche scoperto che si comporta come una particella, non è per case che la materia – che è fatta di particelle – si comporta anche come un’onda?“. “Credo proprio che tu ti sia meritato questo biscotto!” – gli dico veramente fiero. Continueremo dopo che avrai rincorso un po’ di marmotte. È questione di un attimo: Oliver è sparito, e la valle si riempie di fischi allarmati.
Continua (alla prossima passeggiata).
