10 cose da capogiro che dovresti sapere sulla fisica quantistica

1. Il mondo quantistico è bitorzoluto

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Il mondo quantistico (si apre in una nuova scheda) ha molto in comune con le scarpe. Non puoi semplicemente andare in un negozio e scegliere scarpe da ginnastica che corrispondano esattamente ai tuoi piedi. Invece, sei costretto a scegliere tra paia di dimensioni predeterminate.

Il mondo subatomico è simile. Albert Einstein (si apre in una nuova scheda) ha vinto un premio Nobel per aver dimostrato che l'energia è quantizzata. Proprio come puoi comprare scarpe solo in multipli di mezza taglia, così l'energia arriva solo in multipli dello stesso "quanta" da cui il nome fisica quantistica.

I quanti qui sono la costante di Planck (si apre in una nuova scheda), dal nome di Max Planck, il padrino della fisica quantistica. Stava cercando di risolvere un problema con la nostra comprensione di oggetti caldi come il sole. Le nostre migliori teorie non potrebbero eguagliare le osservazioni dell'energia che emettono. Proponendo che l'energia sia quantizzata, è stato in grado di allineare perfettamente la teoria con l'esperimento.

2. Qualcosa può essere sia onda che particella

Una vela solare: in This Web, la luce esercita una pressione come il vento sulla Terra. (Credito immagine: getty)

JJ Thomson vinse il Premio Nobel nel 1906 per la sua scoperta che gli elettroni sono particelle. Eppure suo figlio George vinse il Premio Nobel nel 1937 per aver dimostrato che gli elettroni sono onde. Chi aveva ragione? La risposta sono entrambi. Questa cosiddetta dualità onda-particella (si apre in una nuova scheda) è una pietra miliare della fisica quantistica. Vale sia per la luce che per gli elettroni. A volte vale la pena pensare alla luce come a un'onda elettromagnetica, ma altre volte è più utile rappresentarla sotto forma di particelle chiamate fotoni.

Un telescopio (si apre in una nuova scheda) può focalizzare le onde luminose di stelle lontane e funge anche da gigantesco secchio di luce per la raccolta di fotoni. Significa anche che la luce può esercitare pressione quando i fotoni colpiscono un oggetto. Questo è qualcosa che già utilizziamo per spingere questo Webcraft con vele solari, e potrebbe essere possibile sfruttarlo per manovrare un pericoloso asteroide fuori rotta di collisione con la Terra (si apre in una nuova scheda), secondo Rusty Schweickart, presidente del B612 Fondazione.

3. Gli oggetti possono trovarsi in due posti contemporaneamente

Erwin Schrdinger ha utilizzato l'idea di un gatto in una scatola per semplificare la sovrapposizione. (Credito immagine: Mopic / Alamy Foto Stock)

La dualità onda-particella è un esempio di sovrapposizione (si apre in una nuova scheda) . Cioè, un oggetto quantistico esistente in più stati contemporaneamente. Un elettrone, per esempio, è sia qui che là contemporaneamente. È solo una volta che facciamo un esperimento per scoprire dove si stabilisce nell'uno o nell'altro.

Questo rende la fisica quantistica tutta incentrata sulle probabilità. Possiamo solo dire in quale stato è più probabile che si trovi un oggetto una volta che guardiamo. Queste quote sono incapsulate in un'entità matematica chiamata funzione d'onda. Si dice che fare un'osservazione collassi la funzione d'onda, distruggendo la sovrapposizione e costringendo l'oggetto a uno solo dei suoi molti possibili stati.

Questa idea è alla base del famoso esperimento mentale del gatto Schrdinger (si apre in una nuova scheda). Un gatto in una scatola sigillata ha il suo destino legato a un dispositivo quantistico. Poiché il dispositivo esiste in entrambi gli stati fino a quando non viene effettuata una misurazione, il gatto è contemporaneamente vivo e morto finché non guardiamo.

4. Può condurci verso un multiverso

Potremmo essere solo una bolla tra tante, ognuna contenente una versione diversa dell'universo. (Credito immagine: getty)

L'idea che l'osservazione fa collassare la funzione d'onda e costringe a una scelta quantistica è nota come interpretazione di Copenaghen della fisica quantistica. Tuttavia, non è l'unica opzione sul tavolo. I sostenitori dell'interpretazione dei molti mondi sostengono che non c'è alcuna scelta coinvolta. Invece, nel momento in cui viene effettuata la misurazione, la realtà si frattura in due copie di se stessa: una in cui sperimentiamo l'esito A e un'altra in cui vediamo svolgersi l'esito B. Si aggira la spinosa questione della necessità di un osservatore per far accadere le cose, un cane conta come osservatore o un robot?

Invece, per quanto riguarda una particella quantistica, c'è solo una realtà molto strana composta da molti strati aggrovigliati. Mentre rimpiccioliamo verso le scale più grandi che sperimentiamo giorno per giorno, quegli strati si districano nei mondi della teoria dei molti mondi. (si apre in una nuova scheda) I fisici chiamano questo processo decoerenza.

5. Ci aiuta a caratterizzare le stelle

Gli spettri delle stelle possono dirci quali elementi contengono, fornendo indizi sulla loro età e altre caratteristiche. (Credito immagine: getty)

Il fisico danese Niels Bohr ci ha mostrato che anche le orbite degli elettroni all'interno degli atomi sono quantizzate. Sono disponibili in dimensioni predeterminate chiamate livelli di energia. Quando un elettrone scende da un livello di energia più alto a un livello di energia più basso, sputa un fotone con un'energia uguale alla dimensione del gap. Allo stesso modo, un elettrone può assorbire una particella di luce e usare la sua energia per saltare a un livello di energia più alto.

Gli astronomi usano questo effetto tutto il tempo. Sappiamo di cosa sono fatte le stelle perché quando distruggiamo la loro luce in uno spettro simile a un arcobaleno, vediamo i colori che mancano. Diversi elementi chimici hanno diverse spaziature dei livelli di energia, quindi possiamo calcolare i costituenti del sole e di altre stelle dai colori precisi che sono assenti.

6. Senza di essa il sole non splenderebbe

Il tunneling quantistico è la possibilità finita che una particella possa sfondare una barriera energetica. (Credito immagine: getty)

Il sole produce la sua energia attraverso un processo chiamato fusione nucleare. Coinvolge due protoni le particelle caricate positivamente in un atomo che si attaccano insieme. Tuttavia, le loro cariche identiche li fanno respingere a vicenda, proprio come i due poli nord di un magnete. I fisici la chiamano barriera di Coulomb ed è come un muro tra i due protoni.

Pensa ai protoni come a particelle e si scontrano semplicemente con il muro e si allontanano: nessuna fusione, nessuna luce solare. Eppure pensa a loro come onde, ed è una storia diversa. Quando la cresta delle onde raggiunge il muro, il bordo d'attacco è già passato. L'altezza delle onde rappresenta il punto in cui è più probabile che si trovi il protone. Quindi, anche se è improbabile che sia dove si trova il bordo d'attacco, a volte è lì. È come se il protone si fosse scavato attraverso la barriera e si verificasse la fusione. I fisici chiamano questo effetto "tunnel quantico".

7. Impedisce il collasso delle stelle morte

È teorizzato che i nuclei delle nane bianche possano cristallizzarsi mentre invecchiano. (Credito immagine: getty)

Alla fine la fusione nel sole si fermerà e la nostra stella morirà. La gravità vincerà e il sole crollerà, ma non indefinitamente. Più piccolo diventa, più materiale viene stipato. Alla fine entra in gioco una regola della fisica quantistica chiamata principio di esclusione di Pauli. Questo dice che è vietato che alcuni tipi di particelle come gli elettroni esistano nello stesso stato quantistico. Mentre la gravità cerca di fare proprio questo, incontra una resistenza che gli astronomi chiamano pressione di degenerazione. Il collasso si interrompe e si forma un nuovo oggetto delle dimensioni della Terra chiamato nana bianca.

Tuttavia, la pressione degenerativa può solo opporsi a tanta resistenza. Se una nana bianca cresce e si avvicina a una massa pari a 1,4 soli, innesca un'ondata di fusione che la fa a pezzi. Gli astronomi chiamano questa esplosione una supernova di tipo Ia (si apre in una nuova scheda) ed è abbastanza luminosa da eclissare un'intera galassia.

8. Fa evaporare i buchi neri

Non tutto ciò che cade in un buco nero scompare, parte della materia sfugge. (Credito immagine: getty)

Una regola quantistica chiamata principio di indeterminazione di Heisenberg (si apre in una nuova scheda) afferma che è impossibile conoscere perfettamente due proprietà di un sistema contemporaneamente. Più accuratamente ne conosci uno, meno precisamente conosci l'altro. Questo vale per quantità di moto e posizione, e separatamente per energia e tempo.

È un po' come prendere un prestito. Puoi prendere in prestito un sacco di soldi per un breve periodo di tempo o un po' di contanti per un periodo più lungo. Questo ci porta a particelle virtuali. Se viene presa in prestito abbastanza energia dalla natura, una coppia di particelle può apparire fugacemente, prima di scomparire rapidamente per non andare in default sul prestito.

Stephen Hawking (si apre in una nuova scheda) ha immaginato che questo processo si verificasse al confine di un buco nero, dove una particella fuoriesce (come radiazione di Hawking), ma l'altra viene inghiottita. Nel tempo il buco nero evapora lentamente, poiché non restituisce l'intero importo che ha preso in prestito.

9. Spiega la struttura su larga scala dell'universo

Partendo come una singolarità, l'universo si è espanso per 13,8 miliardi di anni. (Credito immagine: getty)

La nostra migliore teoria sull'origine degli universi è il Big Bang (si apre in una nuova scheda). Eppure è stato modificato negli anni '80 per includere un'altra teoria chiamata inflazione (si apre in una nuova scheda). Nel primo trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo, il cosmo si è gonfiato da più piccolo di un atomo a circa le dimensioni di un pompelmo. Quello è un enorme 10^78 volte più grande. Gonfiare un globulo rosso della stessa quantità lo renderebbe più grande dell'intero universo osservabile oggi.

Poiché inizialmente era più piccolo di un atomo, l'universo neonato sarebbe stato dominato da fluttuazioni quantistiche legate al principio di indeterminazione di Heisenberg. L'inflazione ha fatto crescere rapidamente l'universo prima che queste fluttuazioni avessero la possibilità di svanire. Questa energia concentrata in alcune aree piuttosto che in altre, qualcosa che gli astronomi ritengono abbia agito come semi attorno ai quali il materiale potrebbe raccogliersi per formare gli ammassi di galassie che osserviamo ora.

10. È più che un po' inquietante

Le proprietà di una particella possono essere teletrasportate attraverso l'entanglement quantistico. (Credito immagine: getty)

Oltre ad aiutare a dimostrare che la luce è quantistica, Einstein ha sostenuto a favore di un altro effetto che ha soprannominato azione spettrale a distanza. Oggi sappiamo che questo entanglement quantistico è reale, ma ancora non capiamo appieno cosa sta succedendo. Diciamo che mettiamo insieme due particelle in modo tale che i loro stati quantistici siano inesorabilmente legati, o entangled. Uno è nello stato A e l'altro nello stato B.

Il principio di esclusione di Pauli dice che non possono essere entrambi nello stesso stato. Se ne cambiamo uno, l'altro cambia istantaneamente per compensare. Questo accade anche se separiamo le due particelle l'una dall'altra ai lati opposti dell'universo. È come se le informazioni sul cambiamento che abbiamo fatto avessero viaggiato tra di loro più velocemente della velocità della luce, qualcosa che secondo Einstein era impossibile.

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