Meccanica quantistica

La meccanica quantistica ha risolto tutti i problemi della fisica dell’inizio del XX secolo, ha accresciuto il livello di conoscenza della struttura della materia e ha fornito una base teorica per la comprensione della struttura dell’atomo e del fenomeno delle righe spettrali: ogni riga spettrale corrisponde all’energia di un fotone emesso o assorbito quando un elettrone compie una transizione da un livello energetico a un altro; anche la conoscenza dei legami chimici è stata completamente rivoluzionata. La fisica dello stato solido, la fisica della materia condensata, la superconduttività, la fisica nucleare e la fisica delle particelle elementari sono fondate sui principi della meccanica quantistica.

Dal 1925 nessuna mancanza fondamentale ha intaccato la consistenza della meccanica quantistica, benché siano stati sollevati dubbi se possa essere effettivamente ritenuta una teoria completa. All’inizio degli anni Trenta il fisico britannico Paul Dirac, utilizzando i risultati della meccanica quantistica, formulò un’equazione per descrivere il moto dell’elettrone e la sua interazione con la radiazione elettromagnetica, tenendo conto anche degli effetti della relatività speciale: sulla base di questa equazione, che conteneva anche la variabile di spin dell’elettrone, Dirac fu in grado di prevedere l’esistenza del positrone, l’antiparticella dell’elettrone, che venne osservata sperimentalmente nel 1932 dal fisico statunitense Carl David Anderson.

L’applicazione della meccanica quantistica allo studio della radiazione elettromagnetica condusse alla formulazione dell’elettrodinamica quantistica, che ha esteso l’applicazione dell’elettromagnetismo rendendo possibile la comprensione di fenomeni fino ad allora inesplicabili in termini della teoria classica, fra i quali la radiazione di Bremsstrahlung – emessa dagli elettroni per frenamento durante la penetrazione nella materia – e la produzione di coppie – la formazione di un positrone e di un elettrone a opera di radiazione sufficientemente energetica.

La teoria però conteneva anche un serio problema, noto come “problema della divergenza”: nelle equazioni di Dirac, alcuni parametri, riferiti come la massa e la carica “nude” dell’elettrone, risultano infiniti (i termini massa nuda e carica nuda si riferiscono a elettroni che non interagiscono né con la materia né con la radiazione, anche se in realtà gli elettroni interagiscono sempre con il campo elettrico prodotto da loro stessi).

Questo problema è stato parzialmente risolto negli anni 1947-1949 con un programma chiamato di rinormalizzazione, sviluppato dal fisico giapponese Shinichiro Tomonaga, e dai fisici statunitensi Julian S. Schwinger, Richard Feynman e Freeman Dyson. La rinormalizzazione prevede di assegnare un valore infinito a massa e carica nude, di modo che le altre quantità infinite che compaiono nella soluzione dell’equazione possano essere compensate. Con la teoria della rinormalizzazione i calcoli sulla struttura atomica sono stati resi molto più accurati.

La meccanica quantistica, che ha permesso la descrizione dei processi caratteristici del mondo microscopico, impossibile per i mezzi forniti dalla meccanica classica, ancora oggi costituisce la base concettuale da cui partono gli sviluppi della fisica moderna, ad esempio la cromodinamica quantistica o la teoria dei campi unificati. Tuttavia esistono problematiche particolari, quali il problema della divergenza – solo parzialmente risolto – o gli effetti dei processi di misurazione, che hanno suscitato animate discussioni sulla completezza della teoria.

Proprio come la meccanica newtoniana venne corretta dalla meccanica quantistica e dalla relatività, molti scienziati sono convinti che anche la teoria quantistica sia destinata a subire profonde modifiche negli anni a venire. Ad esempio, sussistono gravi difficoltà per conciliare la meccanica quantistica e la teoria del caos, nata intorno agli anni Ottanta. Numerosi fisici teorici, fra i quali il britannico Stephen Hawking, stanno tuttora cercando di elaborare uno schema generale, che comprenda sia la relatività che la meccanica quantistica.