lunedì 23 maggio 2011
LA VISIONE DEL MONDO NELLA FISICA QUANTISTICA (D. BHOM)
La realtà fisica Il mondo non è completamente descrivibile in termini di eventi localizzabili nello spazio e nel tempo (David Bhom).
Questa visione della fisica quantistica prevede che la realtà sia formata dall’insieme degli atomi e dal vuoto, mentre la fisica classica prevede che la realtà sia formata solo dagli atomi.
Questa visione del mondo nasce per superare una contraddizione esistente all'interno della Fisica classica. Per comprendere questa inconsistenza logica tra la Meccanica classica e la Termodinamica occorre partire però dalla considerazione di due 'luoghi comuni' errati. Il primo è che Il mondo sia formato solo da un insieme di atomi e che tutto dipenderebbe dall’aggregarsi o disaggregarsi di questi, che sarebbero gli unici elementi costitutivi della materia e che gli atomi nella loro essenza non dipenderebbero dal grado di associazione in cui si trovano. Detto in altre parole, i protoni sono sempre uguali a se stessi, indipendentemente da come si aggregano: che siano in un elefante, in una pianta, o nell’acqua ... Un'altro luogo comune errato nasce dal far coincidere il paradigma della fisica quantistica, con la rivoluzione atomistica, cioè con la definitiva dimostrazione che gli atomi esistono, hanno delle dimensioni specifiche e sono misurabili. Si è creduto erroneamente che fossero la stessa rivoluzione e che la fisica quantistica fosse la fisica degli atomi, Questo è avvenuto perché queste due rivoluzioni sono state simultanee ed alcuni scienziati erano coinvolti in entrambe, come Einstein, invece la fisica quantistica va oltre la fisica atomistica. Si può riformulare la sua nascita da un punto di vista storico tra l’800 ed il 900. In quel periodo c’era un problema insoluto: era ‘Il problema dei calori specifici dei solidi a bassa temperatura’. Entrando nella descrizione del problema, possiamo dire il calore specifico è la quantità di calore che si deve dare ad una sostanza con entità definita: ad esempio 1 grammo, 1 chilo, oppure una mole. Cioè deve essere una quantità di materia formata da un numero ben definito di atomi,( che è il numero di Avogadro: 6 seguito da 23 zeri). Se si parla per facilità di esposizione di una mole, il numero di atomi considerato è lo stesso qualunque sia la sostanza coinvolta. Il calore specifico molare è la quantità di calore necessaria per far variare di 1 grado la temperatura di questo numero specifico di atomi. La temperatura è la media dell’energia cinetica dei componenti quindi degli atomi, che compongono questa sostanza. Quindi 1 grado è una quantità di energia ben definita. Se viene data energia ad un corpo, questa può andare in 2 direzioni: 1) Può variare la struttura del corpo oppure 2) Può cambiare la temperatura del corpo, mutando l’energia cinetica di movimento dei suoi componenti. Le modificazioni strutturali di solito non accadono con continuità, ma avvengono a temperature ben definite: ad esempio ad una temperatura definita un certo liquido diventa solido ed un dato solido ad una temperatura ben definita si trasforma da una certa forma cristallografica ad un’altra forma. Se si suppone di andare alla temperatura (bassa) a cui è accaduta l’ultima transizione strutturale, al di sotto di quella temperatura tutta l’energia scambiata dal corpo va in variazione di temperatura. Considerando questo intervallo: L’energia necessaria per variare di 1 grado la temperatura del corpo è sempre la stessa (è un salto di energia). Se immaginiamo una scala fatta di gradini di energia, quella necessaria per superare il 3° gradino è uguale a quella necessaria per superare il 5°. Da questo si deduce che i calori specifici molari dei solidi a bassa temperatura sono indipendenti dalla temperatura e costanti. Questa è la legge di Dulong e Petit e siamo alla fine dell’800. Nello stesso periodo storico nasce la Termodinamica, che definisce il concetto di Entropia (dal Greco: rivolgimento). L’Entropia è una quantità che misura la capacità del sistema di evolvere. Con alcuni calcoli matematici è possibile dimostrare che se i calori specifici molari dei solidi a bassa temperatura sono indipendenti dalla temperatura e costanti fino allo ‘0 assoluto’, (legge di Dulong e Petit) la conseguenza è che l’Entropia diventa infinita. Questo sarebbe catastrofico perché vorrebbe dire che il mondo non si evolverebbe, ma questo sarebbe contro ogni evidenza. Da questo si comprende che la fisica quantistica nasce da una inconsistenza logica tra la Meccanica classica e la Termodinamica classica e non da una mancanza di verifica sperimentale della fisica classica. Infatti la Fisica indipendentemente dai fatti sperimentali, è obbligata ad avere una consistenza logica che precede la verifica sperimentale. Da questa contraddizione si uscì grazie ad un chimico: Walter Nernst che attraverso degli esperimenti, mise in discussione la legge di Dulong e Petit. Ai suoi tempi si poteva raffreddare la materia fino a – 250° circa, lui arrivò a -266° guadagnando 16° e vide che in questo nuovo intervallo la legge di Dulong e Petit non era più vera. Il calore specifico calava al calare della temperatura, cioè per fare un salto tra 2 e 3 gradi Kelvin ci voleva meno energia che tra 12 e 13. Se questo era vero l’Entropia non era più infinita (la Termodinamica era salva). Ma se il calore specifico non è più costante con la temperatura, come si spiega che per fare un salto della stessa entità al diminuire del numero di gradini ci vuole sempre meno energia? Per fare un esempio è come dire che una persona ha mantenuto lo stesso tenore di vita negli ultimi 5 anni, ma ha emesso nel corso dello stesso tempo progressivamente meno fatture. La conclusione è che ci sono stati dei pagamenti in nero. Nernst arrivò alla stessa conclusione: c’è qualcosa che non si vede che però fornisce l’energia. Infatti se il fabbisogno di energia del sistema per salire di 1° è sempre lo stesso, ma nei vari intervalli di 1° l’afflusso di energia dall’esterno, dove l’esterno (per Nernst) è l’insieme di tutti i corpi riconoscibili in natura ( ad esempio come il Sole, la Luna, Marte…il signore del piano di fronte… ecc.ecc.) è sempre di meno vuol dire che esiste qualcosa che fornisce l’energia, che non coincide con i corpi che in natura sono riconoscibili. Per fare questa verifica si procede facendo la somma di tutti i contributi di energia data dai corpi e questa è l’energia in ingresso, poi si misura col termometro quanta ne ha ricevuta il corpo ed i 2 numeri debbono coincidere, altrimenti sono violati tutti i principi di conservazione dell’energia conosciuti. Nernst fece lo stesso e vide che il sistema riceveva sempre la stessa quantità di energia ma l’entrata, l’afflusso dall’esterno era progressivamente minore. Quindi arrivò alla conclusione, (come diceva A.C. Doyle) "che una volta eliminato l'impossibile, tutto ciò che resta, anche se improbabile è la verità", perciò esisteva qualcosa che non coincideva con i corpi riconoscibili in natura che forniva l’energia, che lui chiamò ‘vuoto’ (che si comportava similmente a come si sarebbe comportato un contrabbandiere: dava energia senza essere visto). Quindi il ‘vuoto’ non è ‘nulla’ ma è ‘qualcosa’: è un agente fisico non materiale e non localizzato. Ecco perchè la fisica inizia a questo punto a interessarsi di cose che non sono localizzabili e non sono materiali: nasce la Fisica quantistica.
Questa visione del mondo nasce per superare una contraddizione esistente all'interno della Fisica classica. Per comprendere questa inconsistenza logica tra la Meccanica classica e la Termodinamica occorre partire però dalla considerazione di due 'luoghi comuni' errati. Il primo è che Il mondo sia formato solo da un insieme di atomi e che tutto dipenderebbe dall’aggregarsi o disaggregarsi di questi, che sarebbero gli unici elementi costitutivi della materia e che gli atomi nella loro essenza non dipenderebbero dal grado di associazione in cui si trovano. Detto in altre parole, i protoni sono sempre uguali a se stessi, indipendentemente da come si aggregano: che siano in un elefante, in una pianta, o nell’acqua ... Un'altro luogo comune errato nasce dal far coincidere il paradigma della fisica quantistica, con la rivoluzione atomistica, cioè con la definitiva dimostrazione che gli atomi esistono, hanno delle dimensioni specifiche e sono misurabili. Si è creduto erroneamente che fossero la stessa rivoluzione e che la fisica quantistica fosse la fisica degli atomi, Questo è avvenuto perché queste due rivoluzioni sono state simultanee ed alcuni scienziati erano coinvolti in entrambe, come Einstein, invece la fisica quantistica va oltre la fisica atomistica. Si può riformulare la sua nascita da un punto di vista storico tra l’800 ed il 900. In quel periodo c’era un problema insoluto: era ‘Il problema dei calori specifici dei solidi a bassa temperatura’. Entrando nella descrizione del problema, possiamo dire il calore specifico è la quantità di calore che si deve dare ad una sostanza con entità definita: ad esempio 1 grammo, 1 chilo, oppure una mole. Cioè deve essere una quantità di materia formata da un numero ben definito di atomi,( che è il numero di Avogadro: 6 seguito da 23 zeri). Se si parla per facilità di esposizione di una mole, il numero di atomi considerato è lo stesso qualunque sia la sostanza coinvolta. Il calore specifico molare è la quantità di calore necessaria per far variare di 1 grado la temperatura di questo numero specifico di atomi. La temperatura è la media dell’energia cinetica dei componenti quindi degli atomi, che compongono questa sostanza. Quindi 1 grado è una quantità di energia ben definita. Se viene data energia ad un corpo, questa può andare in 2 direzioni: 1) Può variare la struttura del corpo oppure 2) Può cambiare la temperatura del corpo, mutando l’energia cinetica di movimento dei suoi componenti. Le modificazioni strutturali di solito non accadono con continuità, ma avvengono a temperature ben definite: ad esempio ad una temperatura definita un certo liquido diventa solido ed un dato solido ad una temperatura ben definita si trasforma da una certa forma cristallografica ad un’altra forma. Se si suppone di andare alla temperatura (bassa) a cui è accaduta l’ultima transizione strutturale, al di sotto di quella temperatura tutta l’energia scambiata dal corpo va in variazione di temperatura. Considerando questo intervallo: L’energia necessaria per variare di 1 grado la temperatura del corpo è sempre la stessa (è un salto di energia). Se immaginiamo una scala fatta di gradini di energia, quella necessaria per superare il 3° gradino è uguale a quella necessaria per superare il 5°. Da questo si deduce che i calori specifici molari dei solidi a bassa temperatura sono indipendenti dalla temperatura e costanti. Questa è la legge di Dulong e Petit e siamo alla fine dell’800. Nello stesso periodo storico nasce la Termodinamica, che definisce il concetto di Entropia (dal Greco: rivolgimento). L’Entropia è una quantità che misura la capacità del sistema di evolvere. Con alcuni calcoli matematici è possibile dimostrare che se i calori specifici molari dei solidi a bassa temperatura sono indipendenti dalla temperatura e costanti fino allo ‘0 assoluto’, (legge di Dulong e Petit) la conseguenza è che l’Entropia diventa infinita. Questo sarebbe catastrofico perché vorrebbe dire che il mondo non si evolverebbe, ma questo sarebbe contro ogni evidenza. Da questo si comprende che la fisica quantistica nasce da una inconsistenza logica tra la Meccanica classica e la Termodinamica classica e non da una mancanza di verifica sperimentale della fisica classica. Infatti la Fisica indipendentemente dai fatti sperimentali, è obbligata ad avere una consistenza logica che precede la verifica sperimentale. Da questa contraddizione si uscì grazie ad un chimico: Walter Nernst che attraverso degli esperimenti, mise in discussione la legge di Dulong e Petit. Ai suoi tempi si poteva raffreddare la materia fino a – 250° circa, lui arrivò a -266° guadagnando 16° e vide che in questo nuovo intervallo la legge di Dulong e Petit non era più vera. Il calore specifico calava al calare della temperatura, cioè per fare un salto tra 2 e 3 gradi Kelvin ci voleva meno energia che tra 12 e 13. Se questo era vero l’Entropia non era più infinita (la Termodinamica era salva). Ma se il calore specifico non è più costante con la temperatura, come si spiega che per fare un salto della stessa entità al diminuire del numero di gradini ci vuole sempre meno energia? Per fare un esempio è come dire che una persona ha mantenuto lo stesso tenore di vita negli ultimi 5 anni, ma ha emesso nel corso dello stesso tempo progressivamente meno fatture. La conclusione è che ci sono stati dei pagamenti in nero. Nernst arrivò alla stessa conclusione: c’è qualcosa che non si vede che però fornisce l’energia. Infatti se il fabbisogno di energia del sistema per salire di 1° è sempre lo stesso, ma nei vari intervalli di 1° l’afflusso di energia dall’esterno, dove l’esterno (per Nernst) è l’insieme di tutti i corpi riconoscibili in natura ( ad esempio come il Sole, la Luna, Marte…il signore del piano di fronte… ecc.ecc.) è sempre di meno vuol dire che esiste qualcosa che fornisce l’energia, che non coincide con i corpi che in natura sono riconoscibili. Per fare questa verifica si procede facendo la somma di tutti i contributi di energia data dai corpi e questa è l’energia in ingresso, poi si misura col termometro quanta ne ha ricevuta il corpo ed i 2 numeri debbono coincidere, altrimenti sono violati tutti i principi di conservazione dell’energia conosciuti. Nernst fece lo stesso e vide che il sistema riceveva sempre la stessa quantità di energia ma l’entrata, l’afflusso dall’esterno era progressivamente minore. Quindi arrivò alla conclusione, (come diceva A.C. Doyle) "che una volta eliminato l'impossibile, tutto ciò che resta, anche se improbabile è la verità", perciò esisteva qualcosa che non coincideva con i corpi riconoscibili in natura che forniva l’energia, che lui chiamò ‘vuoto’ (che si comportava similmente a come si sarebbe comportato un contrabbandiere: dava energia senza essere visto). Quindi il ‘vuoto’ non è ‘nulla’ ma è ‘qualcosa’: è un agente fisico non materiale e non localizzato. Ecco perchè la fisica inizia a questo punto a interessarsi di cose che non sono localizzabili e non sono materiali: nasce la Fisica quantistica.
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