Perché la Giornata Mondiale dei Quanti è il 14 aprile: cosa sono e le applicazioni della fisica quantistica

Il World Quantum Day, o Giornata Mondiale dei Quanti, cade ogni anno il 14 aprile: nella convenzione americana, questa data richiama infatti il valore della costante fondamentale della meccanica quantistica, introdotta da Max Planck. La Giornata è una ricorrenza nata nel 2021 che si celebra in tutto il mondo per sensibilizzare sull'importanza della fisica quantistica – che studia il comportamento della materia sulla scala dell'infinitamente piccolo – abbia contribuito in maniera decisiva allo sviluppo di tecnologie che usiamo tutti i giorni: pensiamo per esempio agli orologi atomici che permettono ai satelliti GPS di fornirci la nostra posizione in tempo reale, o alla risonanza magnetica, per non parlare di tutta l'elettronica, che ha le sue fondamenta nelle proprietà quantistiche dei semiconduttori.

Il World Quantum Day si festeggia il 14 aprile: la data non è causale

C'è un motivo se la Giornata dei Quanti si festeggia proprio oggi. Ma per capirlo dobbiamo guardare alla costante fondamentale della meccanica quantistica, la costante di Planck, introdotta nel 1900 da Max Planck, padre spirituale della fisica quantistica. Proprio nel primo anno del nuovo secolo il fisico tedesco si trovava alle prese con un problema apparentemente semplice, ma a cui non si riusciva a dare risposta: descrivere da un punto di vista fisico come i corpi emettono radiazione in funzione della loro temperatura. Tutti i dati sperimentali sfuggivano a ogni tentativo di descrizione teorica, finché Planck, spinto dalla disperazione, formulò un'ipotesi quanto mai azzardata: i corpi riscaldati emettono radiazione non come un flusso continuo di energia, ma in “pacchetti di luce” discreti.

Sorprendentemente, con questa ipotesi Planck riuscì a spiegare perfettamente l'emissione dei corpi, e per questo vinse pure il Nobel per la Fisica nel 1918. Ma a un prezzo: la sua ipotesi stravolgeva tutto quello che si sapeva sul comportamento della materia su scala microscopica. Il lavoro di Planck diede di fatto inizio alla fisica quantistica. Nel mondo dell'infinitamente piccolo, a quanto pareva, alcune grandezze possono variare soltanto con “balzelli” discreti invece che in modo continuo. Per descrivere questi “salti”, Planck introdusse una nuova costante fisica – la costante di Planck, appunto – che oggi è considerata una delle costanti fondamentali della natura nonché il fondamento della meccanica quantistica.

Ok, ma tutto questo cosa c'entra con la data del 14 aprile? La costante di Planck si indica con la lettera h e vale 6,626 · 10^–34 J·s, ma usando un'unità di misura tipica della fisica delle particelle abbiamo h = 4,14 · 10^–15 eV·s. Ecco, vedete quel 4,14? L'idea di celebrare la Giornata Mondiale dei Quanti il 14 aprile viene da lì, perché nella convenzione americana questa data si scrive 4/14.

Cosa sono i quanti in fisica

Immaginate di comprare una cosa al negozio e dover pagare una certa cifra, mettiamo 4,14 euro giusto per stare in tema. Allora tirate fuori un tot di monete e pagate la vostra cifra. Non c'è un flusso continuo di valuta contante, ma appunto “un tot di monete”: non potete scambiare valore monetario se non tramite “pacchetti” discreti che in questo caso sono appunto le monete. La stessa cosa succede nel mondo quantistico: in determinate situazioni, l'energia si può trasferire tramite quantità ben precise legate alla costante di Planck.

Per esempio, la luce non è come un fiume di energia continuo, ma è fatta di tanti fotoni, cioè quanti di luce, ciascuno dei quali trasporta una quantità di energia E che dipende dalla sua frequenza f secondo la seguente formula:

E = h · f

Si dice che l'energia della luce è quantizzata. Questa proprietà della luce ha permesso di spiegare fenomeni come l'effetto fotoelettrico, che attanagliavano i fisici da decenni: a farlo fu nientemeno che Albert Einstein nel 1905, con un articolo scientifico che gli valse il Nobel per la Fisica nel 1921. Ecco, la meccanica quantistica si chiama così proprio perché deriva dalla scoperta che molte grandezze nel mondo microscopico sono quantizzate: una tra tutte, l'energia degli elettroni in un orbitale atomico.

Le applicazioni della fisica quantistica nella vita quotidiana

La meccanica quantistica ha aperto la strada alla comprensione di una gigantesca mole di fenomeni e ha permesso la nascita di tecnologie che potremmo dare per scontate ma sono pervasive nella nostra quotidianità.

Pensiamo ai laser, che rendono possibili le fibre ottiche e hanno una marea di applicazioni nell'industria (taglio, saldatura ecc.) ma anche mediche (pensiamo alla chirurgia laser o alla rimozione dei tatuaggi).

Sempre in ambito medico, la fisica dei quanti ha così tante applicazioni che si parla di medicina nucleare. La macchina per la risonanza magnetica, ad esempio, sfrutta il comportamento quantistico degli spin nucleari degli atomi di idrogeno nel vostro corpo.

Quando usate il GPS per navigare state beneficiando di orologi atomici montati a bordo dei satelliti che funzionano proprio misurando con estrema precisione le oscillazioni di alcuni atomi. Senza questi orologi, il GPS ci fornirebbe la nostra posizione con un'incertezza di 11 km, rendendo di fatto quasi inutilizzabile questa tecnologia.

Anche lo dispositivo su cui state leggendo questo articolo è figlio della meccanica quantistica. I transistor di cui è composto il processore che alimenta il vostro device  funzionano proprio grazie alle proprietà quantistiche dei semiconduttori.

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