Sviluppo storico della teoria dei quanta*

E’ nella fisica dei quanti che hanno avuto luogo i cambiamenti più radicali riguardo il concetto di realtà.

Nel 1900 cercando risposta a quale sia la relazione tra calore assorbito e radiazione emessa dagli atomi, Planck conclude che si riesce a dar conto dei risutati sperimentali solo se si ammette che l’energia emessa da un atomo possa assumere solo valori discreti (ipotesi quantistica). Ciò è radicalmente in antitesi con gli insegnamenti della fisica classica.

Nel 1905 Einstein spiega l’effetto fotoelettrico facendo uso delle idee introdotte da Planck. La luce può essere interpretata come quanti di energia viaggianti nello spazio (fotoni) di energia . La scoperta di Einstein è rivoluzionaria, la teoria di Maxwell spiega la luce in termini di onde, tuttavia certi fenomeni luminosi si riescono però a descrivere solo se si ammette per la luce anche un carattere corpuscolare. La contraddizione tra le due visioni, luce come onda e come corpuscolo non trova a quel momento spiegazione.

Nel 1911 Rutherford mostra la struttura dell’atomo. Simile al sistema solare possiede però una stabilità incomprensibile.

Nel 1913 Bohr applica l’ipotesi quantistica di Planck e spiega la stabilità dell’atomo. Il suo modello poggia su una combinazione di meccanica classica e condizioni quantiche sovrapposte ai movimenti classici. Tali condizioni intaccano la consistenza della meccanica Newtoniana.

Negli anni successivi il dibattito e gli esperimenti compiuti demarcarono sempre più l’esistenza del dualismo onda corpuscolo. Tale fatto sommato all’inconsistenza del modello di Bohr dell’atomo, rispetto al problema della frequenza della radiazione emessa e della frequenza orbitale degli elettroni nell’atomo, portarono De Broglie nel 1924 a formulare la nuova ipotesi delle onde di materia: estensione del dualismo dalla luce alle particelle elementari. De Broglie ipotizzò che una certa onda di materia potesse corrispondere ad un elettrone in movimento così come un’onda di luce corrisponde a un fotone in movimento. Sotto un simile presupposto la condizione quantica di Bohr può essere interpretata come una affermazione riguardante le onde di materia.

La formulazione matematica precisa della teoria dei quanti (Meccanica Quantistica) arriva per due strade diverse: Schrodinger stabilisce un’equazione ondulatoria per le onde stazionarie di de Broglie intorno al nucleo. Heisenberg sostituisce le equazioni newtoniane del moto, con equazioni similari fra matrici geometriche. Le due diverse strade si dimostrarono equivalenti. Ma in che senso il nuovo formalismo descriveva l’atomo? I paradossi del dualismo fra concezione ondulatoria e concezione corpuscolare restavano nascosti dietro al calcolo matematico.

Il superamento di questa inconsistenza avvenne spostando il problema e ammettendo che aspetto corpuscolare e ondulatorio siano manifestazioni diverse di una stessa realtà, tale conclusione (1927) può riassumersi sotto il nome di principio di Complementarità enunciato da Bohr.

Bohr descrive un atomo dove attorno al nucleo girano delle "particelle" ma tale descrizione presenta delle inconsistenze e non permette di spiegare tutte le manifestazioni dell’atomo. Schrodinger descrive invece l’atomo come un sistema fatto d’un nucleo e di onde di materia. Usando le sue parole: L’atomo è in realtà null’altro che il fenomeno di diffrazione d’un onda elettronica catturata dal nucleo. L’approccio ondulatorio descrive l’atomo in maniera esaustiva, funziona magnificamente quando si descriva un elettrone legato attorno ad un nucleo, tuttavia presenta dei limiti quando si intenda descrivere una particella libera, (per esempio un elettrone che viaggia nello spazio lungo una certa traiettoria) in tale caso è meglio la descrizione corpuscolare.

Bohr considerò le due immagini, quella corpuscolare e quella ondulatoria, come due descrizioni complementari della stessa realtà. E’ come se un elettrone che viaggia nello spazio libero, una volta catturato da un nucleo, si spogli del suo aspetto corpuscolare a noi più familiare, per manifestarsi dentro l’atomo come un onda stazionaria. Ognuna delle due descrizioni è solo parzialmente vera e sono necessarie delle limitazioni all’uso della teoria corpuscolare (dentro l’atomo per esempio non funziona bene) così come di quella ondulatoria (per particelle libere non funziona bene), in quanto nè l’una nè l’altra possono evitare delle contraddizioni. Se si tiene conto di questi limiti che possono essere espressi e quantificati dal Principio di Indeterminazione enunciato da Heisenberg le contraddizioni tra le due descrizioni scompaiono.