Introduzione alla teoria della meccanica quantistica, idee fondamentali ed esperimenti

Questa è la lezione di introduzione alla meccanica quantistica a livello universitario.

Il paragrafo contiene una spiegazione della meccanica quantistica che parte dalle basi sperimentali fino a introdurre gli strumenti teorici fondamentali della teoria: la funzione d’onda quantistica, l’equazione di Schroedinger e alcune sue semplici soluzioni.

Una teoria rivoluzionaria

La meccanica quantistica è la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni, con particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di lunghezza o di energia atomica e subatomica, dove le precedenti teorie classiche risultano inadeguate.

Come caratteristica fondamentale, la meccanica quantistica descrive la radiazione e la materia sia come fenomeni ondulatori che come entità particellari, al contrario della meccanica classica, che descrive la luce solamente come un’onda e, ad esempio, l’elettrone solo come una particella. Questa inaspettata e controintuitiva proprietà della realtà fisica, chiamata dualismo onda-particella, è la principale ragione del fallimento delle teorie sviluppate fino al XIX secolo nella descrizione degli atomi e delle molecole. La relazione tra natura ondulatoria e corpuscolare è enunciata nel principio di complementarità e formalizzata nel principio di indeterminazione di Heisenberg.

Un nuovo insieme di strumenti matematici

Esistono numerosi formalismi matematici equivalenti della teoria, come la meccanica ondulatoria e la meccanica delle matrici; al contrario, ne esistono numerose e discordanti interpretazioni riguardo all’essenza ultima del cosmo e della natura, che hanno dato vita a un dibattito tuttora aperto nell’ambito della filosofia della scienza.

La meccanica quantistica rappresenta, assieme alla teoria della relatività, uno spartiacque rispetto alla fisica classica portando alla nascita della fisica moderna, e attraverso la teoria quantistica dei campi, generalizzazione della formulazione originale che include il principio di relatività ristretta, è a fondamento di molte altre branche della fisica, come la fisica atomica, la fisica della materia condensata, la fisica nucleare, la fisica delle particelle, la chimica quantistica.

Il principio di indeterminazione di Heisenberg

Verrà inoltre fornita una prima spiegazione del principio di indeterminazione di Heisenberg, che è alla base della comprensione dei fenomeni dominati dalla teoria della meccanica quantistica.

In questa prima spiegazione della meccanica quantistica si parlerà inoltre dell’effetto tunnel, un altro fenomeno peculiare caratteristico del mondo microscopico e non solo.

La spiegazione della teoria quantistica qui presente è alla portata di qualsiasi studente che abbia buone basi di fisica classica, di algebra lineare e di analisi matematica.