Figura 1. Una mosca nera ripresa da un microscopio elettronico è mostruosa come qualsiasi creatura fantascientifica. (credit: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
La meccanica quantistica è la branca della fisica necessaria per trattare gli oggetti submicroscopici. Poiché questi oggetti sono più piccoli di quelli che possiamo osservare direttamente con i nostri sensi e generalmente devono essere osservati con l’aiuto di strumenti, parti della meccanica quantistica sembrano estranee e bizzarre come parti della relatività. Ma, come la relatività, la meccanica quantistica ha dimostrato di essere valida – la verità è spesso più strana della finzione.
Figura 2. Gli atomi e le loro sottostrutture sono esempi familiari di oggetti che richiedono una spiegazione completa della meccanica quantistica. Alcune delle loro caratteristiche, come i gusci discreti degli elettroni, sono spiegazioni della fisica classica. Nella meccanica quantistica concettualizziamo “nuvole di elettroni” discrete intorno al nucleo.
Certi aspetti della meccanica quantistica ci sono familiari. Accettiamo come fatto che la materia sia composta da atomi, la più piccola unità di un elemento, e che questi atomi si combinino per formare molecole, la più piccola unità di un composto. (Vedi Figura 2.) Anche se non possiamo vedere le singole molecole d’acqua in un ruscello, per esempio, siamo consapevoli che questo è perché le molecole sono così piccole e così numerose in quel ruscello. Quando introduciamo gli atomi, diciamo comunemente che gli elettroni orbitano intorno agli atomi in gusci discreti attorno ad un piccolo nucleo, a sua volta composto da particelle più piccole chiamate protoni e neutroni. Sappiamo anche che la carica elettrica si presenta in piccole unità trasportate quasi interamente da elettroni e protoni. Come per le molecole d’acqua in un flusso, non notiamo le cariche individuali nella corrente che attraversa una lampadina, perché le cariche sono così piccole e così numerose nelle situazioni macroscopiche che percepiamo direttamente.
Fare connessioni: Regni della fisica
La fisica classica è una buona approssimazione della fisica moderna nelle condizioni discusse per la prima volta in La natura della scienza e della fisica. La meccanica quantistica è valida in generale, e deve essere usata piuttosto che la fisica classica per descrivere piccoli oggetti, come gli atomi.
Gli atomi, le molecole e le cariche fondamentali di elettroni e protoni sono tutti esempi di entità fisiche che sono quantizzate – cioè, appaiono solo in certi valori discreti e non hanno ogni valore concepibile. Quantizzato è l’opposto di continuo. Non possiamo avere una frazione di atomo, o una parte della carica di un elettrone, o 14-1/3 di centesimi, per esempio. Piuttosto, tutto è costruito da multipli integrali di queste sottostrutture. La fisica quantistica è la branca della fisica che si occupa dei piccoli oggetti e della quantizzazione di varie entità, tra cui l’energia e il momento angolare. Proprio come la fisica classica, la fisica quantistica ha diversi sottocampi, come la meccanica e lo studio delle forze elettromagnetiche. Il principio di corrispondenza afferma che nel limite classico (oggetti grandi e lenti), la meccanica quantistica diventa uguale alla fisica classica. In questo capitolo, iniziamo lo sviluppo della meccanica quantistica e la sua descrizione dello strano mondo submicroscopico. Nei capitoli successivi, esamineremo molte aree, come la fisica atomica e nucleare, in cui la meccanica quantistica è cruciale.