Esperto
- Group
- Administrator
- Posts
- 5,206
- Location
- Sassari
- Status
- Offline
|
|
Un modo efficace per spiegare quanto sia stupefacente la fisica è quello di parlare della fisica quantistica, ed uno dei fenomeni quantistici più controintuitivi (quindi più intrigante ma realmente esistente) è il cosidetto effetto tunnel.
Cos’è l’effetto tunnel?
La sua fenomenologia si può racchiudere in un esempio: abbiamo di fronte a noi un muro alto diversi metri e lo dobbiamo superare. Apriamo il nostro libro di fisica classica, e dopo poco ci convinciamo che l'unico modo è arrampicarci con pazienza fino in cima, ovvero portarci a una energia potenziale gravitazionale più alta rispetto a quella del muro. L'arrampicata ci costerà un'energia pari al guadagno di energia potenziale gravitazionale. Saltando giù dalla parte opposta, riavremo indietro l'energia spesa sotto forma di energia cinetica. Se invece apriamo il libro di fisica quantistica, scopriamo che c'è un altro metodo che potrebbe funzionare: se corriamo (con fiducia...) verso il muro, c'è una certa probabilità non nulla di riuscire ad attraversarlo (senza demolirlo) e di ritrovarci a correre indisturbati dalla parte opposta. Come se avessimo attraversato un tunnel. La nostra esperienza quotidiana ci suggerisce (anche senza provare) che questo fenomeno non avviene mai per gli oggetti macroscopici; viene invece osservato sotto vari aspetti nello scenario (quantistico) delle particelle elementari.
In poche parole l’effetto tunnel è ciò che consente ad un elettrone di superare una barriera di energia anche se non possiede l’energia sufficiente per superarla. E’ come se una pallina da tennis, lanciata contro un muro, ad un certo punto passasse oltre il muro senza ovviamente averlo sfondato.
Dal momento che la probabilità che l’elettrone superi la barriera energetica senza avere l’energia sufficiente per farlo è molto bassa, la probabilità che tutte le particelle della pallina da tennis attraversino contemporaneamente il muro, pur non avendo l’energia per sfondarlo, è estremamente bassa. Diciamo che potremmo giocare a pelota per miliardi di anni senza ottenere alcun attraversamento. Ma essendo una questione puramente probabilistica, potremmo riuscirci anche al primo colpo.
Vediamo l’effetto tunnel
Alla voce effetto tunnel su Wikipedia è visualizzabile questa illuminante animazione:
Si tratta dell’evoluzione della probabilità di un elettrone di trovarsi in un dato punto quando questo incontra una barriera di energia. Questa animazione non mostra una nuvola di elettroni che viene trasmessa in piccola parte oltre la barriera, ma la probabilità di un singolo elettrone che questo venga trasmesso, pur non avendo l’energia che (secondo la fisica classica) dovrebbe avere per superare la barriera.
Questo significa che l’elettrone in questione ha molta probabilità di rimbalzare (nuvoletta più densa) ma può, in un dato istante e apparentemente in barba alla conservazione dell’energia, anche superare una barriera di energia (nuvoletta più tenue).
Per essere un po’ più precisi non si dovrebbe parlare di probabilità di trasmissione (o attraversamento) ma più semplicemente di probabilità che l’elettrone si trovi oltre la barriera, visto che, a causa del Principio di indeterminazione, non è possibile osservare l’elettrone mentre attraversa la barriera, ma solo subito prima e subito dopo averla attraversata.
Assurdo, vero?
E invece no. Potrei dirvi che sono cose che riguardano solo il mondo della fisica delle particelle ma in realtà esistono dei diodi (componenti utilizzati anche in un alcuni computer) che funzionano grazie all’effetto tunnel, come pure alcune memorie flash, e anche il Sole è una dimostrazione dell’esistenza di questo fenomeno apparentemente assurdo: se non ci fosse l’effetto tunnel la nostra amata stella non sarebbe abbastanza calda da mantenersi accesa.
Radioattivià
E non solo, il decadimento alfa, responsabile della radioattività naturale dell’uranio (ad esempio) è una conseguenza diretta dell’effetto tunnel. Le particelle nucleari (protoni e neutroni) subiscono le forze di attrazione che tengono unito il nucleo degli atomi (forze che evitano che la materia di cui è composto questo display si dissolva nell’aria). Se però un gruppetto di queste particelle nucleari, appunto una particella alfa, sfugge alle forze nucleari grazie al raro e imprevedibile effetto tunnel, ecco che l’uranio diventa piombo ed è spiegata la radioattività (grazie Gamow, ti amiamo).
Sappiamo dunque che l’istante in cui viene rilasciata una particella alfa non è prevedibile ed è anche un fenomeno raro. Per questo, in riferimento ad un elemento radioattivo, si parla di vita media: si può sapere solo per quanto tempo in media un atomo di uranio rimarrà uranio, ovvero in quanto tempo decadrà emettendo una particella alfa. Calza a pennello con ciò che sappiamo dell’effetto tunnel: è un effetto con basi probabilistiche (quindi sappiamo che può avvenire ma non sappiamo quando) ed è piuttosto raro. Possiamo però stabilire ogni quanto tempo, in media, una particella riuscirà a superare una data barriera di energia.
Gatti
L’effetto tunnel è intimamente legato ad un famoso esempio usato spesso per illustrare le meraviglie del mondo quantistico, forse il più famoso esperimento mentale della storia della fisica. Si tratta del gatto di Schroedinger.
Un piccolo passo indietro. Quando in fisica quantistica si parla di probabilità si tratta sempre di un calcolo fatto prima che venga effettuata una misura. In poche parole l’elettrone ha una certa probabilità di essere al di qua o al di la della barriera, ma solo dopo l’osservazione e il processo di misura sapremo se è qui o lì.
Ecco cosa scrisse Schroedinger qualche annetto fa:
"Si possono anche costruire casi del tutto burleschi. Si rinchiuda un gatto in una scatola d’acciaio insieme con la seguente macchina infernale (che occorre proteggere dalla possibilità d’essere afferrata direttamente dal gatto): in un contatore Geiger si trova una minuscola porzione di sostanza radioattiva, così poca che nel corso di un’ora forse uno dei suoi atomi si disintegra, ma anche in modo parimenti verosimile nessuno; se ciò succede, allora il contatore lo segnala e aziona un relais di un martelletto che rompe una fiala con del cianuro. Dopo avere lasciato indisturbato questo intero sistema per un’ora, si direbbe che il gatto è ancora vivo se nel frattempo nessun atomo si fosse disintegrato. La prima disintegrazione atomica lo avrebbe avvelenato. La funzione ψ dell’intero sistema porta ad affermare che in essa il gatto vivo e il gatto morto non sono stati puri, ma miscelati con uguale peso"
Contrariamente a come comunemente ci si riferisce a questo esperimento mentale (mentale nel senso che nessuno lo ha mai realizzato), non si tratta affatto di un paradosso ma di una semplice conseguenza dell’impossibilità di stabilire la vita o la morte di un gatto senza prima averlo osservato. La funzione ψ è quella che viene chiamata funzione d’onda e il suo quadrato è la probabilità.
Tutto questo marchingegno serve solamente a trovare le condizioni tali che, dopo un’ora, la probabilità che il gatto sia vivo è il 50%, e altrettanto che il gatto sia morto. Questo è possibile proprio grazie alla bassa probabilità che l’effetto tunnel ha di verificarsi.
La catena di eventi, nell’arco dell’ora dell’esperimento, è quindi la seguente:
1. l’effetto tunnel si verifica
2. accade il decadimento alfa
3. il contatore Geiger si attiva
4. la fiala di cianuro si rompe
5. il gatto muore
Tutto dipende se si verifica o meno l’effetto tunnel.
--------------------------------------------------------------------------------------
Abbiamo visto quindi come le probabilità che una pallina lanciata verso un muro lo possa attraversare siano non nulle.
La mia provocazione ed argomento di discussione è la seguente:
Un meteorite lanciato verso un pianeta potrebbe, allo stesso modo, avere possibilità non nulle di superare lo stesso senza conseguenze?
|
|