Teoria dei quanti Archivi - cinturadiorione

Sì ma, alla fine, cosa sono ‘sti numeri quantici?

16 Ottobre 202216 Ottobre 2022by matteoparri3 Comments

*Giusto per ricordare che i gatti sono riusciti a conquistarsi pure la meccanica quantistica, nell’immaginario popolare.*

Ciò che frullava nella mia testa quando ho sentito la parola “numeri quantici” per la prima volta, durante una lezione di chimica in terza liceo, era qualcosa tipo:

“Tutto interessante e sembra anche molto logico. Giusto una cosa però: ma alla fine cosa sono 'sti numeri quantici? Proprio terra-terra, in meno parole possibili!"

Dopo aver studiato meccanica quantistica alla triennale credevo di essere praticamente pronto per dare una risposta terra-terra, a una persona non addetta ai lavori come il me stesso della terza liceo, ma poi mi sono accorto che non è tutto così “rapido”.

Non c’è NIENTE di intuitivo nel concetto di “numero quantico”.

Quando mi è stata posta la stessa domanda qualche tempo fa, nel bel mezzo dei miei studi alla magistrale, ho sputato fuori questa risposta un po’ frettolosa:

“Sono dei numeri che usiamo per catalogare delle soluzioni particolarmente semplici per risolvere problemi molto complessi. Sono utili anche perché nei processi "si conservano“, un po' come l'energia di un sistema, e semplificano quindi un po' di calcoli e previsioni."

Non è che fossi tanto convinto di questa risposta, e ancora meno lo era la persona di fronte a me. Mi sono accorto che probabilmente non sapevo dare una risposta più rapida senza coinvolgere dei semestri di algebra lineare, spazi di funzioni e fenomenologia delle interazioni fondamentali.
Se a te questa risposta soddisfa: nessun problema, è comprensibile. Rende comunque l’idea da un punto di vista pragmatico.

Se invece senti ci sia un gap nella divulgazione di questi concetti e provi curiosità, allora questo articolo vuole provare a rimediare.
Per raggiungere più persone possibili sarò molto conciso con ragionamenti “a grandi linee”, con varie licenze tecniche necessarie per un’esposizione di taglio divulgativo. Inoltre, per ragioni logistiche (e per non affaticare il lettore), l’articolo è suddiviso in due parti, questa è la prima parte!

Una tazza di caffè e possiamo iniziare!

Gli operatori della meccanica quantistica

Alla fine tutto l’ambaradan nasce dal fatto che la meccanica quantistica, a differenza della fisica classica, si basa su degli oggetti chiamati operatori. Come suggerisce il nome, questi oggetti operano sugli stati della teoria: prendono in input uno stato e ne restituiscono un altro come output, generalmente diverso dal primo:

Tutte le quantità che in meccanica classica erano dei semplici numeri reali (posizione, quantità di moto, energia, e così via) diventano, in meccanica quantistica, degli operatori: operatore posizione, operatore quantità di moto , operatore dell’energia (altrimenti detto “hamiltoniano”) etc.

Perché sono così necessari gli operatori? (qualsiasi cosa significhi per te in questo momento la parola “operatore”).
In breve, serviva un formalismo matematico capace di spiegare un fatto sperimentale: lo stato di un sistema poteva essere completamente determinato dalla posizione di una particella, ma al contempo la misura della quantità di moto della stessa particella non restituiva un valore ben preciso. È il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Un modo per esprimere questo fatto dal punto di vista matematico era quello di trasformare posizione e quantità di moto in degli operatori lineari e scrivere che:

$\hbar$ è la costante di Planck divisa per $2\pi$ .

Questa relazione racchiude, in un formalismo compatto (e criptico per i non addetti) la chiave per il principio di Heisenberg su posizione e quantità di moto. La compattezza del formalismo e la facilità del calcolo sono due condizioni che spinsero i fisici ad adottare l’approccio operatoriale nella meccanica quantistica, ed è il motivo per cui la matematica di questa teoria è ritenuta essere “più complicata” di quella della fisica classica.

L’operatore più importante

Ciò che nella fisica classica rappresentava un modo alternativo di risolvere i problemi, nella meccanica quantistica diventa l’unico modo matematicamente conveniente di descrivere l’evoluzione di un sistema. Si tratta dell’energia, la quale nel formalismo quantistico diventa l’operatore hamiltoniano.

*Nella fisica classica l’energia di un sistema era un semplice numero indicato con la lettera “E”. In meccanica quantistica diventa un operatore chiamato “**Hamiltoniano**“.*

L’energia di un sistema è definita come la somma tra energia cinetica ( $p^2/2m$ ) ed energia potenziale $V$ . Coloro che prima erano semplici numeri ora diventano due operatori che, come dice il nome, “operano” sugli stati di una particella, comandandone l’evoluzione dinamica.

Ecco come si procede di solito: immagina una particella immersa in un certo spazio e sensibile a certe interazioni fisiche (elettromagnetiche ad esempio, come un elettrone in un campo magnetico, o in prossimità del nucleo di un atomo).

La seguente frase “questa particella si muoverà in questo spazio con una certa velocità e occuperà maggiormente alcune posizioni invece di altre, sulla base delle interazioni che percepisce” viene tradotta quantisticamente nella seguente:

Lo stato di una particella evolve da un valore iniziale a un valore finale grazie all’azione dell’operatore Hamiltoniano, il quale rappresenta le interazioni e il contenuto cinetico che caratterizzano il moto della particella.

Come forse avrai sentito da qualche parte, lo stato di una particella è indicato da una funzione a più valori, nel tempo e nello spazio: $\Psi(\vec{x},t)$ . Il fatto che questo stato venga trasformato nel tempo per via delle interazioni è riassunto dalla seguente scrittura molto compatta:

L’esponenziale di un operatore è lo sviluppo in potenze dell’operatore stesso, secondo la regola degli sviluppi di Taylor. Non preoccuparti di questo dettaglio matematico, l’ho messo solo per completezza.

L’operatore hamiltoniano agisce sullo stato iniziale della particella, e per ogni tempo $t$ successivo restituisce un certo stato finale.

Questa è la ricetta prescritta dalla celebre equazione di Schrödinger, la quale governa la dinamica degli stati quantistici di un sistema. Quella che ti ho mostrato è proprio la soluzione dell’equazione: Schrödinger scrisse che, una volta noto l’operatore hamiltoniano, la dinamica del sistema è nota..

Più facile a dirsi che a farsi: è difficile trovare il corretto operatore che riesca a riprodurre gli stati in cui evolvono i sistemi quantistici negli esperimenti. Trovare l’hamiltoniano giusto equivale a trovare la teoria giusta per descrivere il sistema, ed è esattamente il mestiere del fisico.

Se un fisico ha fatto bene il suo mestiere, otterrà una predizione sull’evoluzione temporale dello stato del sistema, e potrà fare previsioni probabilistiche su quale sarà lo stato in cui verrà misurata la particella a un dato istante di tempo dell’esperimento.

Gli autostati di un operatore

*A differenza di uno stato normale, l’**autostato** di un operatore mantiene la sua direzione dopo la trasformazione, e al massimo si allunga o si accorcia.*

Possiamo architettare un esperimento con lo scopo di misurare una certa proprietà della particella quantistica di cui abbiamo parlato prima. L’atto della “misurazione” consiste inevitabilmente in una “riorganizzazione” delle informazioni quantistiche dello stato della particella e anche dello stato del rivelatore che stiamo utilizzando per misurare quella proprietà.

Per via di uno dei postulati della meccanica quantistica (i quali fanno sì che la teoria riproduca quanto si osserva negli esperimenti) a ogni osservabile (sono chiamate così le uniche quantità misurabili negli esperimenti) è associato un operatore, e gli stati possibili in cui la particella può essere rivelata nell’esperimento vanno ricercati in alcuni stati molto speciali che hanno la particolarità di rimanere “quasi inalterati” sotto l’azione dell’operatore.

Per spiegarlo in termini semplici, immagina che lo stato sia una freccia nello spazio: l’operatore in generale può far compiere alla freccia una certa rotazione (il che corrisponde al trasformare lo stato in un altro stato diverso dal primo). Tuttavia alcune frecce speciali vengono trasformate dall’operatore in modo che al massimo si allungano o si accorciano, ma senza ruotare:: la direzione rimane la stessa. Questi stati speciali sono chiamati autostati.

In generale ogni operatore ha il suo set di autostati “personale”.

In sostanza gli autostati di un operatore ci semplificano la vita perché trasformano in maniera molto semplice: significa meno calcoli da fare!

Un esempio preso in prestito dalla geometria: in alcuni casi gli operatori della meccanica quantistica e le matrici sono praticamente la stessa cosa (se non sai come funziona una matrice, vai a questo articolo). Una matrice come quella di rotazione attorno all’asse z sul piano $x-y$ ha il compito di ruotare un vettore di un certo angolo. Siccome la rotazione si svolge attorno all’asse $z$ , la componente $z$ del vettore rimane inalterata. Il vettore di componenti $(0,0,1)$ viene quindi mandato in se stesso, cioè è un autovettore di questa particolare matrice di rotazione.

*Il vettore $(0,0,1)$ viene trasformato in se stesso dalla rotazione attorno all’asse $z$ .*

La scrittura che ci semplifica tanto la vita, e che ricerchiamo continuamente in meccanica quantistica, è

La costante $\lambda$ è chiamata, in gergo, “autovalore” dell’autostato. A ogni autostato viene associato il suo “autovalore”, il suo numerino personale da utilizzare come etichetta. Possono esserci anche più autostati aventi lo stesso autovalore, ma non vedrai due autovalori diversi associati allo stesso autostato.

Questa scrittura è un vero sospiro di sollievo: l’esistenza di stati che rimangono praticamente invariati sotto l’azione degli operatori rappresenta una semplificazione incredibile per i calcoli della teoria. Invece di chiederci come trasforma qualsiasi stato dell’universo sotto l’operatore (una pretesa diabolicamente assurda), ci interessiamo solo a quegli stati che invece “cambiano molto poco”.

Il motivo di ciò va ricercato in uno dei postulati fondamentali della meccanica quantistica, già accennato sopra:

Le quantità che misuriamo sperimentalmente corrispondono agli autostati della particolare osservabile a cui siamo interessati. Lo so che suona strano e inutilmente astratto, ma è grazie a questo postulato che vengono riprodotti i risultati sperimentali.

La cattiva notizia: non tutti gli stati della teoria sono autostati dell’operatore che ci interessa.

La buona notizia: gli autostati dell’operatore che ci interessa possono essere usati come blocchetti elementari per costruire gli stati più generici della particella.

*Se ti interessa la Fisica, iscriviti alla newsletter mensile! Ho pensato di scrivere una guida-concettuale di orientamento per aiutarti a capire da dove studiare.*

Questo è il principio di sovrapposizione degli stati: ogni stato può essere costruito sovrapponendo tra loro tanti altri stati.

In generale conviene, anzi è proprio mandatorio, utilizzare come blocchetti elementari gli autostati dell’operatore che ci interessa. Ti conviene pensare agli autostati proprio come a dei “Lego” con cui costruire uno stato più generico possibile (la struttura fatta coi Lego è lo stato generico).

Questi autostati andranno a comporre lo stato della particella, ciascuno con un proprio peso statistico, come specificato dalle regole della meccanica quantistica (la quantistica è praticamente una teoria della probabilità, camuffata)

La tipica struttura di uno stato generico, sviluppato come somma di autostati di un certo operatore di nostro interesse. I numeri $a_i$ sono i pesi statistici, cioè il loro modulo al quadrato, ad esempio $|a_2|^2$ , rappresenta la probabilità che la particella, inizialmente nello stato generico “ $\ket{\Psi}$ “, venga misurata in un ‘autostato $\ket{p_2}$ .

Il risultato della misurazione (misurazione dell’osservabile, associata a sua volta a un certo operatore della teoria) è il famigerato, e ancora dinamicamente poco compreso, “collasso della funzione d’onda”, il quale seleziona uno degli autostati dell’operatore associato all’osservabile coinvolta:

La particella viene rivelata in UNO solo degli autostati possibili dell’operatore associato all’osservabile.
Prima aveva una probabilità ben precisa di trovarsi in ciascuno degli autostati possibili, mentre DOPO la misura la probabilità di ritrovarla nello stesso autostato sarà il 100%.

ed è proprio questo a cui ci si riferisce quando si parla di “collasso della $\Psi$ “.

*Il numero che si misura nell’esperimento coincide con la costante $\lambda$ , cioè l’autovalore dell’autostato in cui è stata rivelata la particella.*

Un esempio rapido di quanto detto: un’osservabile di una particella può essere il suo spin (che sperimentalmente si misura grazie all’effetto di un campo magnetico sulla traiettoria della particella). A questo effetto osservabile è associato un operatore di spin.
Se ad esempio sperimentalmente si osserva che alcune particelle possono avere solo due tipi di deflessioni in un campo magnetico allora all’operatore di spin della teoria verranno associati due autostati.

Un tipico esperimento in cui è possibile misurare lo spin di una particella: Stern-Gerlach.

Prima di misurare la deflessione tramite l’accensione del campo magnetico, dal punto di vista della nostra interpretazione la particella si trova in una sovrapposizione di autostati di spin, e con la misurazione (l’accensione del campo magnetico) viene “selezionato un autostato” con una certa probabilità calcolabile quantisticamente.

Tutto questo discorso è importante per capire il seguito, e cioè capire perché ci interessiamo a specifici numeri quantici associati ad operatori accuratamente selezionati della teoria.

I numeri quantici non sono altro che gli autovalori di specifici operatori della teoria, accuratamente selezionati affinché soddisfino delle proprietà che ci permettono di semplificare il modo in cui possiamo fare previsioni verificabili con l’esperimento.

In ogni caso, non basta essere un autovalore di un’osservabile per essere un buon numero quantico!

Un buon numero quantico ci semplifica la vita negli esperimenti, e nella parte II di questa serie vedremo perché!
(Per chi si incuriosice: ha a che fare con il teorema di una famosa matematica tedesca…)

PS. ho scritto un libro di testo che rappresenta proprio ciò che avrei desiderato leggere all’inizio dei miei studi di Fisica teorica, per renderla accessibile agli amatori e insegnare le tecniche matematiche necessarie a una sua comprensione universitaria. Si chiama “L’apprendista teorico” , dai un’occhiata per vedere di cosa si tratta. Il libro è acquistabile su Amazon.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è cover_view_2.png

Matteo Parriciatu

Dopo aver conseguito la laurea in Fisica nel 2020, studia Fisica Teorica all’Università di Pisa specializzandosi in simmetrie di sapore dei neutrini, teorie oltre il Modello Standard e interessandosi di Relatività Generale.
È autore del libro “L’apprendista teorico” (2021).

Demistificando il Principio di Heisenberg

14 Aprile 202222 Gennaio 2023by matteoparri3 Comments

Il principio di indeterminazione di Heisenberg è considerato l’essenza della meccanica quantistica. Per questo motivo è uno degli argomenti più chiacchierati a livello divulgativo. Persino l’enunciato è celebre:

È impossibile misurare con precisione arbitraria la quantità di moto e al contempo la posizione di una particella
Enunciato del principio di Heisenberg

Anche la versione matematica dell’enunciato è piuttosto celebre: se indichiamo con “∆x” e “∆p” le incertezze sulla posizione e sulla quantità di moto, vale la disuguaglianza

Se rendiamo piccolo “∆p“, cioè se riduciamo l’incertezza sulla quantità di moto, per far valere ancora la disuguaglianza dobbiamo aumentare “∆x“.
*ℏ è la costante di Planck divisa per 2π.*

Negli anni ho notato alcune imprecisioni concettuali nelle analisi di questo principio, per cui ho deciso di rifletterci un po’ e dare il mio contributo. Ho trovato che il modo migliore per demistificarlo è il seguente:

Il principio di indeterminazione può essere compreso matematicamente una volta accettati i postulati della meccanica quantistica, tramite l’analisi di Fourier.

Lo scopo di questo articolo è quello di aiutarti ad apprezzare come la matematica della meccanica quantistica ci faccia comprendere meglio il principio di indeterminazione.

Non preoccuparti, non è una matematica di alto livello, useremo al massimo le funzioni trigonometriche (seni e coseni), e magari qualche integrale. È davvero tutto ciò che serve per apprezzare il discorso.

Teoria ed esperimento

Quando si costruisce una teoria fisica si cercano delle strutture concettuali che siano in grado di produrre dei risultati misurabili e in grado di giustificare i dati sperimentali. La meccanica quantistica è l’unica teoria in grado di spiegare accuratamente i risultati sperimentali dei fenomeni atomici, e ogni struttura concettuale della teoria ci aiuta a comprendere anche i risultati stessi, grazie alla matematica.

Ogni teoria presuppone dei postulati fondamentali (essenzialmente delle proposizioni che vengono assunte vere, senza necessità di dimostrazione). Ciò che ci servirà oggi è il postulato di De Broglie della meccanica quantistica. Infatti, una volta accettato questo postulato, la matematica parlerà da sola e ci aiuterà a capire il principio di Heisenberg.

“Scusa, ma non è un ragionamento circolare? Se devo accettare acriticamente un postulato, allora è possibile dimostrare tutto e il contrario di tutto. Io mi aspettavo che mi illustrassi il motivo metafisico per il quale non posso misurare contemporaneamente impulso e posizione di una particella!"

Il punto è che la Scienza funziona proprio così, dobbiamo accettare dei postulati se vogliamo fare delle previsioni verificabili. Se le previsioni sono verificate, allora la teoria può essere utilizzata anche come guida matematica alla comprensione dei risultati stessi. Funziona così da sempre. Senza la matematica saremmo scientificamente analfabeti.

*Lo schema gerarchico per teoria ed esperimenti.*

Uno dei postulati fondamentali della meccanica quantistica è quello di De Broglie: “le particelle sono descritte da funzioni d’onda ψ(x,t) dipendenti da tempo e spazio“, il cui modulo al quadrato rappresenta la densità di probabilità di trovare la particella in un certo punto dello spazio.

La teoria delle onde

La parola fondamentale su cui devi concentrarti è “funzione d’onda“. L’utilizzo di questa parola ha delle conseguenze molto pesanti, perché le onde hanno un comportamento speciale.
Nei prossimi paragrafi ti aspetta una carrellata di nozioni matematiche, ma ti assicuro che sono tutte essenziali per apprezzare meglio il principio di Heisenberg. Dagli una chance, ripaga bene!

Le onde sono perturbazioni nello spazio e nel tempo che possono essere più o meno regolari nella loro forma. Le “onde semplici” sono caratterizzate da una certa ampiezza e una frequenza di oscillazione costanti nel tempo, e ci piace chiamarle onde sinusoidali. Non tutte le onde sono semplici! Le sinusoidi sono matematicamente semplici da descrivere (probabilmente hai già incontrato seni e coseni da qualche parte), ma il mondo reale ha ben poco a che fare con le onde semplici. Purtroppo, la maggior parte dei segnali oscillanti nel tempo sono molto complessi:

**Un’onda sinusoidale è caratterizzata dal fatto che la sua ampiezza e la sua frequenza non cambiano nel tempo, restano inalterate, preservando la forma ondulatoria.**

Quindi non abbiamo speranza di descrivere matematicamente delle funzioni d’onda molto complesse? Fortunatamente entra in gioco uno dei risultati che a me piace definire come una delle pietre miliari nella storia della Scienza:

Qualsiasi segnale nel tempo può essere costruito sovrapponendo delle onde sinusoidali

È un po’ come se le onde sinusoidali fossero gli atomi elementari della teoria dei segnali: così come i corpi complessi sono composti da più atomi, i segnali complessi sono composti da onde sinusoidali.

In una notazione abbastanza simbolica e approssimativa, l’idea è la seguente: per ottenere il segnale desiderato basta sommare tante onde sinusoidali, pesate ciascuna con un certo coefficiente detto “di Fourier” (il quale dipenderà dal particolare segnale):

Cosa significa “sovrapporre onde sinusoidali”?

Qui entra in gioco la cara vecchia trigonometria. Un “atomo di segnale”, cioè un’onda sinusoidale, ha la seguente struttura:

Un’oscillazione dipendente dal tempo, *y(t)*, è caratterizzata da una certa ampiezza “A” e da una certa frequenza “f“.

La magia si manifesta quando sommiamo due onde sinusoidali di ampiezze e frequenze diverse. Consideriamo ad esempio la somma delle seguenti onde:

Due sinusoidi, la prima di frequenza f=1 Hz, e la seconda di frequenza f=3/2 Hz. La seconda ha anche un’ampiezza doppia della prima.

Il risultato è il seguente: l’onda risultante dalla somma non è più un’onda semplice!

*La somma di due onde semplici non è più un’onda semplice.*

La spiegazione è puramente geometrica, ed è riassunta nelle formule di prostaferesi che si imparano a scuola. Infatti in generale:

L’applicazione delle formule di composizione di seni e coseni ci fa capire cosa succede quando sommiamo delle sinusoidi.

Lo so, non è molto carina da vedere, infatti non preoccuparti di leggerla tutta, è solo una giustificazione del perché la somma di due sinusoidi non è sempre una sinusoide: quei prodotti di seni modificano l’ampiezza dell’onda risultante nel tempo!

Alla fine questo è un concetto che caratterizza la vita di tutti giorni: anche una nota di un violino è una sovrapposizione di armoniche (onde sinusoidali di diverse frequenze), delle quali sentiamo maggiormente la dominante.

L’analisi di Fourier

Quel segnale complicato che abbiamo ottenuto sopra potrebbe sembrare irrilevante per il nostro discorso: sapendo quali sono gli atomi di partenza, è piuttosto facile costruire il segnale più complicato.
Il divertimento inizia quando decidiamo di invertire il problema di prima:

Dato un segnale complicato, è possibile capire la sua composizione in onde sinusoidali?

Questa è la domanda a cui vuole rispondere l’analisi di Fourier.

L’analisi di Fourier ci dice che esiste un altro modo di osservare un segnale. Quello che abbiamo illustrato prima è l’analisi temporale: cioè osserviamo il profilo dell’onda in funzione del tempo.

Ma l’analisi nel tempo è solo uno dei due modi. Possiamo anche studiare il segnale risultante andando a cercare le frequenze principali che lo costituiscono: stiamo facendo una radiografia del segnale per capire di quali atomi elementari è composto!

La descrizione temporale e la descrizione in frequenza sono due modi diversi di osservare lo stesso segnale, e il passaggio da una descrizione all’altra è garantito da un’operazione chiamata trasformata di Fourier.
Come illustrato nella figura, la trasformata di Fourier prende in pasto una funzione nel tempo e restituisce una nuova funzione, stavolta nella frequenza:

L’espressione matematica è la seguente:

*L’integrale contiene l’unità immaginaria “i” nell’esponenziale.*

Se non hai mai visto un integrale non lasciarti intimorire: questi simboli sono solo un modo intimidatorio per esprimere che stiamo sommando infiniti prodotti tra sinusoidi e il segnale in input “h(t)”. Le sinusoidi sono nascoste nell’esponenziale tramite la relazione di Eulero

La relazione di Eulero che lega l’esponenziale complesso con le funzioni trigonometriche.

Se questa relazione ti crea disagio fai finta che non ci sia. L’ho tirata fuori solo per dimostrarti che sono coinvolti, come promesso, dei seni e dei coseni. Queste sinusoidi vanno a moltiplicare il segnale in input “h(t)” in ogni istante di tempo, e la somma infinita produce una distribuzione del segnale nella frequenza “f“.
Ovviamente se partiamo dalla distribuzione in frequenza, esiste anche un’anti-trasformata di Fourier che ci riporta alla funzione nel tempo. Il cerchio si chiude.

Un esempio

Per dimostrarti che la trasformata di Fourier fa quanto promesso, consideriamo la somma delle sinusoidi che ti ho proposto prima.

Il segnale risultante, come abbiamo visto graficamente, non è una sinusoide semplice:

*In blu e rosso le sinusoidi costituenti, in verde il segnale risultante.*

Tiriamo fuori il problema inverso:
Supponiamo ora che qualcuno ci dia solo il segnale risultante come input e ci chieda di capire di quali “atomi sinusoidali” è composto. Questo è un lavoro per la trasformata di Fourier!

Il risultato è il seguente grafico nelle frequenze:

Cosa sono questi due picchi intimidatori? È il risultato di quell’integrale altrettanto intimidatorio. Osserva dove sono collocati i picchi: il primo picco è a “f=1” e il secondo picco a “f=3/2“. Quali erano le frequenze delle due sinusoidi iniziali? Esattamente “f₁=1 Hz” e “f₂=3/2 Hz”.

Questi due “picchi” ci stanno dicendo:
“Ehi, con la trasformata ho individuato due grosse frequenze costituenti, cioè il segnale che mi hai dato in pasto era costituito da due sinusoidi elementari di frequenze “f₁=1 Hz” e “f₂=3/2 Hz”.

Ovviamente noi sapevamo già che il segnale era composto da queste due sinusoidi, quindi il risultato non ci sorprende. Semmai ci rassicura su una cosa: la trasformata di Fourier funziona, ed è un ottimo modo per analizzare le componenti delle onde che usiamo nella Fisica.

Il cuore del principio di indeterminazione: gli spazi duali

Veniamo ora alla questione centrale. Voglio che noti una particolarità interessante della trasformata di Fourier. Supponiamo di dilatare la variabile temporale del segnale in input, cioè

*Se b>1, è una dilatazione del tempo, se b<1 è una contrazione.*

Questa è un’operazione matematica che ho scelto di fare: voglio modificare temporalmente il segnale in ingresso tramite una certa costante “b”. Che succede al segnale in frequenza? Per saperlo dobbiamo fare la trasformata di Fourier e fare un cambio di variabile:

Che è successo? Tra il passaggio (1) e il passaggio (2) ho cambiato variabile per ricondurmi alla forma standard della trasformata di Fourier. Questo passaggio ha generato il termine 1/b moltiplicativo, e mi ha portato a definire una nuova frequenza “f’=f/b” nel passaggio (3). Nel passaggio (3) abbiamo tra le mani la definizione di trasformata di Fourier del segnale con il tempo dilatato. Rispetto alla funzione in frequenza di prima, ora si ha:

Il risultato della dilatazione temporale sulla controparte in frequenza.

Quel “f/b” è davvero il succo del discorso, perché stiamo dividendo la variabile frequenza per un numero “b“. Se b>1, cioè se dilatiamo il tempo, otteniamo un restringimento delle frequenze. Viceversa, se b<1 cioè se contraiamo il tempo, otteniamo una dilatazione delle frequenze.
Il dominio temporale e il dominio delle frequenze si chiamano in gergo “spazi duali” , proprio perché hanno questo comportamento. Tempo e frequenza sono “variabili duali”.
A livello intuitivo potevamo aspettarcelo anche senza fare macello, basta ricordarsi che per definizione

cioè la frequenza è l’inverso del periodo di oscillazione, per cui se dilatiamo una delle due, l’altra si restringe.

Se restringiamo la durata del segnale, aumentiamo il suo contenuto in frequenza. Viceversa se estendiamo la durata del segnale, diminuiamo il suo contenuto in frequenza.

Possiamo spiegare questo comportamento intuitivamente:

Per creare un segnale corto nel tempo sono necessarie tantissime onde elementari per cancellare l’ampiezza di oscillazione al di fuori dell’intervallo di durata del segnale. Maggiore è il numero di onde elementari di varie frequenze che costituiscono il segnale, maggiore sarà il contenuto in frequenza del grafico della trasformata.

Per fare un esempio concreto, consideriamo il segnale in figura, che è quanto di meno sinusoidale si possa chiedere: un gradino di segnale tra i tempi t=-T e t=+T e zero altrove

La sua trasformata di Fourier nel dominio delle frequenze è illustrata sotto.
Ho assemblato diversi casi di durata del segnale da T=0.1 s a T=5 s per evidenziare l’effetto della dilatazione della durata temporale sul dominio delle frequenze. Per un segnale molto corto vengono coinvolte tantissime frequenze (quindi il grafico della trasformata è praticamente quasi piatto, vedi il caso T = 0.1 s).

*La trasformata di Fourier di un segnale di durata 2T. Al crescere della durata del segnale, la controparte in frequenza si comprime.*

L’analisi di Fourier sugli spazi duali apre le porte a una miriade di teoremi che portano a dimostrare le cosiddette “relazioni di incertezza“. In particolare ogni coppia di variabili duali è caratterizzata da una relazione di incertezza. Nel caso di tempo e frequenza abbiamo:

Questa è esattamente la forma matematica assunta dal principio di Heisenberg! Il prossimo passo sarà quindi tradurre quanto abbiamo appena detto nel regime di posizione “x” e quantità di moto “p“.

Posizione e impulso: altre variabili duali

Una volta accettato il postulato che le particelle sono descritte da una funzione d’onda spaziale, non è difficile accettare che la quantità di moto di una particella abbia qualcosa a che fare con la frequenza. Ce lo disse De Broglie! Ad esempio anche la luce (che è un’onda elettromagnetica) trasporta una quantità di moto, e per De Broglie questa quantità è data da:

*“c” è la velocità della luce.* La quantità di moto dell’onda è proporzionale alla frequenza dell’onda.

In generale a una particella non è assegnata una quantità di moto precisa, ma una distribuzione di quantità di moto, che vanno a comporre un certo “pacchetto d’onda”. Anche questa è una conseguenza del postulato fondamentale: la posizione della particella non è assegnata in ogni momento, ma è distribuita tramite la funzione d’onda della posizione. I picchi della funzione d’onda corrispondono ai punti dello spazio in cui è più probabile rivelare la particella:

Una generica funzione d’onda quantistica. **I “picchi” sono punti in cui è più probabile trovare la particella.** I punti in cui *Ψ(x)*=0 sono punti in cui la probabilità di trovare la particella è nulla.

Per rafforzare l’analogia con quanto discusso all’inizio ti basta realizzare che, come ogni onda, anche la funzione d’onda Ψ(x) è costituita da numerosi “atomi elementari” sinusoidali.

Siccome ora parliamo di particelle massive cambierà solo il linguaggio: ciò che prima era frequenza ora diventa quantità di moto, e ciò che prima era il tempo ora diventa lo spazio:

Il passaggio dalle onde sinusoidali nel tempo alle sinusoidi della meccanica quantistica.

È proprio ora che tutto inizia a fare “clic”. Basta tenere a mente questi due passaggi fondamentali:

1) I picchi della funzione d’onda corrispondono ai punti dello spazio in cui è più probabile rivelare la particella.
2) Per ottenere un picco della funzione d’onda è necessario sommare tante sinusoidi di “frequenze” diverse (cioè tante quantità di moto “p” diverse), come illustrato nell’animazione seguente:

**Aggiungiamo tante sinusoidi di quantità di moto diverse per ottenere una funzione d’onda sempre più “piccata” in un certo punto dello spazio.**

Questa animazione sta esattamente alla base del principio di indeterminazione: per ottenere la massima probabilità di trovare la particella in un punto (quindi rivelarla con precisione) è necessario che la sua quantità di moto diventi una sovrapposizione di numerosissime quantità di moto (che quindi si misurerà meno precisamente). È poco intuitivo? Le onde funzionano proprio così, non sono nate per soddisfare la nostra intuizione!

Analogamente a quanto discusso per i segnali nel tempo, la funzione d’onda della posizione può essere analizzata sia nel dominio dello spazio (dandoci informazioni sulla probabilità di trovare la particella nello spazio), sia nel dominio delle quantità di moto (dandoci informazioni su quale sia la probabilità di trovare la particella in un certo stato dinamico).

Il messaggio da portare a casa è questo:

La quantità di moto gioca lo stesso ruolo della frequenza, e la posizione gioca lo stesso ruolo del tempo: sono anche loro variabili duali.

La trasformata di Fourier della funzione d’onda Ψ(x) è una funzione dell’impulso ed è data da:

A parte l’integrale intimidatorio, la relazione che devi tenere a mente è la seguente:

Il principio di indeterminazione di Heisenberg è racchiuso nella definizione di trasformata di Fourier: se estendiamo la funzione d’onda nello spazio, stiamo restringendo la funzione d’onda nella quantità di moto: per descrivere una particella la cui funzione d’onda ha un’estensione infinita è sufficiente una sola quantità di moto, mentre per descrivere una particella la cui funzione d’onda ha un’estensione limitata, sono necessarie più sinusoidi diverse per cancellare i contributi nella regione in cui la funzione d’onda non esiste.
Se dilatiamo la variabile spaziale, l’effetto sulla trasformata nello spazio degli impulsi è:

Come ti accorgerai facendo avanti e indietro su questa pagina, il discorso è esattamente analogo al caso della frequenza-tempo. Anche qui i teoremi sull’analisi di Fourier determineranno quindi la famosa relazione:

**Il principio di indeterminazione di Heisenberg**

Intuizione fisica

Il fatto che le variabili posizione e quantità di moto siano duali e rispettino un principio di indeterminazione è un limite invalicabile della natura. Non dipende dal fatto che la nostra strumentazione non è adeguatamente precisa.

Di certo è vero il fatto che se vogliamo seguire la traiettoria di una particella quantistica è necessario perturbare il suo moto (se voglio tracciare un elettrone devo ad esempio illuminarlo, ma nel fare ciò trasferisco quantità di moto sotto forma di radiazione luminosa, perturbando la misura), ma il motivo del principio di indeterminazione rimane insito nella natura degli oggetti quantistici, e il postulato sulla funzione d’onda di De Broglie ci aiuta a capirlo matematicamente.

PS. ho scritto un libro di testo che rappresenta proprio ciò che avrei desiderato leggere all’inizio dei miei studi di Fisica teorica, per renderla accessibile agli amatori e insegnare le tecniche matematiche necessarie a una sua comprensione universitaria. Si chiama “L’apprendista teorico” , dai un’occhiata per vedere di cosa si tratta. Il libro è acquistabile su Amazon.

Le radici quantistiche della Fisica classica: da dove arriva il principio di minima azione?

27 Settembre 20212 Dicembre 2021by matteoparriLeave a comment

Probabilmente avrai sentito parlare delle proprietà degli oggetti quantistici, in particolare della doppia natura ondulatoria-corpuscolare delle particelle. Avrai anche sentito da qualche parte che il mondo macroscopico è solo un’approssimazione di quello quantistico, ma forse non ti è mai stato detto in che senso.

Anche il mondo macroscopico è misterioso!

La fisica macroscopica è dominata dal misteriosissimo principio dell’azione stazionaria, il cui enunciato è:

La traiettoria seguita da un corpo è tale da estremizzare il prodotto fra la differenza di energia cinetica e potenziale e il tempo impiegato a percorrere la traiettoria.

Una traiettoria che unisce i punti A e B per un corpo in caduta libera. La suddividiamo in varie porzioni e per ciascuna calcoliamo la differenza tra energia cinetica T e potenziale U, moltiplicando poi per il tempo impiegato ∆t.

In soldoni: una massa in caduta libera (e quindi sottoposta al potenziale gravitazionale) segue, come sappiamo, una traiettoria rettilinea dall’alto verso il basso.

Fin qui nulla di speciale, non può mica fare le piroette per aria un grave, giusto? Sì, però perché? Andiamo a vedere cosa ha di speciale questa traiettoria.

Se per ogni porzione piccolissima di questa traiettoria calcoliamo la differenza tra energia cinetica ed energia potenziale del grave, e poi moltiplichiamo tale differenza per il tempo impiegato a percorrere tale porzione, e poi sommiamo tutti i risultati delle singole porzioni, otteniamo un certo numero che chiamiamo “S”.

Tieni bene a mente questo numerino “S” dato che è molto speciale, calcolabile per qualsiasi traiettoria e sistema fisico. In sostanza è un’indicazione di quanto eccesso di energia cinetica rispetto all’energia potenziale abbiamo avuto nella traiettoria, e per quanto tempo lo abbiamo avuto.

Se ora immaginiamo di avere poteri soprannaturali per modificare la traiettoria del grave in qualsiasi modo preferiamo, e rifacciamo lo stesso calcolo, scopriamo che è letteralmente impossibile ottenere un valore più basso di quello ottenuto prima, che era “S”. La traiettoria naturale del grave è tale da rendere minimo il numero “S”.

Tradotto: puoi immaginare di far compiere al grave qualche piroetta in aria, prima di farlo cadere dal punto più alto al punto più basso, e il numerino ”S” che provi a calcolare risulterà sempre maggiore di quello ottenuto con la traiettoria rettilinea naturale.
Se invece fai compiere al corpo traiettorie molto vicine a quella naturale, il numero ”S” si discosterà pochissimo da quello originale, cioè ∆S=0.

I punti A e B possono essere uniti da tante traiettorie immaginarie. Il principio dell’azione stazionaria ci dice che la traiettoria effettivamente seguita in natura è quella che estremizza il numero “S”.

I fisici calcolano in questo modo le traiettorie dei corpi nella meccanica classica, cercando cioè quella che minimizza il numero “S”.

Il mistero:

Il motivo per cui ciò debba essere così è letteralmente un mistero: perché la natura fa seguire delle traiettorie che estremizzano o minimizzano quella quantità, e scarta tutte le altre traiettorie?

In che modo il principio più importante della fisica teorica ci è suggerito dalle leggi quantistiche?

La soluzione:

Procediamo per piccoli step. Forse avrai già visto da qualche parte questa immagine, riguardo il comportamento degli oggetti quantistici

Se pratichiamo due fori su una parete S2 e vi facciamo passare un fascio di oggetti quantistici, le loro posizioni di arrivo sullo schermo F si dispongono a strisce, con un pattern ben determinato di **interferenza**. Se la natura di tali oggetti fosse **solo** corpuscolare ci aspetteremmo invece, come suggeritoci dall’intuito, solo due strisce, in corrispondenza dei fori.

Questa figura di interferenza è dovuta al fatto che gli oggetti quantistici si comportano come onde, e le onde hanno un modo molto speciale di interagire con l’ambiente: in corrispondenza dei due fori vengono a crearsi due nuove versioni dell’onda incidente, che finiscono poi per interferire tra loro: dove l’interferenza è costruttiva sullo schermo F, osserviamo un massimo (striscia chiara), mentre dove l’interferenza è distruttiva osserviamo un minimo (striscia scura).

I fisici quantistici interpretano il comportamento ondulatorio dicendo “Ok, alla particella è associata una certa ampiezza di probabilità (l’ampiezza dell’onda), e l’ampiezza totale di probabilità di trovare la particella su F deve essere data dalla somma delle ampiezze dei due fori”. La probabilità si trova poi facendo il quadrato dell’ampiezza totale, per cui la probabilità di arrivo in F è

Il quadrato della somma è diverso dalla somma di quadrati. **Il termine misto è responsabile dell’interferenza**.

Che succede se pratichiamo tre fori invece che due? Indovinato, dobbiamo sommare anche la terza ampiezza e fare il quadrato della somma delle tre. Se invece usiamo quattro fori? La stessa cosa. Ormai dovrebbe essere chiaro.
E se volessimo essere malefici e usare due pareti invece che una sola?

La probabilità di arrivare in O si ottiene facendo il quadrato della somma delle ampiezze B1,B2,B3, ma la probabilità che la particella arrivi in B1,B2 o B3 è data anch’essa dal quadrato della somma delle probabilità di A1,A2,A3. Si può ripetere il ragionamento ricorsivamente aggiungendo altre pareti.

Il fascio di oggetti quantistici parte dalla sorgente S e deve attraversare ora ben due pareti: si “propaga” in maniera probabilistica da ciascun foro A1,A2,A3 verso ciascuno dei fori B1,B2,B3,B4, dai quali, nuovamente, si propagherà per essere raccolto dallo schermo nel punto O con una certa probabilità che dipende da tutte le combinazioni possibili delle probabilità precedenti.

Che succede se al posto di praticare solo tre o quattro fori, usiamo una parete con centinaia, migliaia di fori? Esattamente la stessa cosa: la particella arriverà in O con una probabilità data dalla combinazione di tutte le ampiezze e i modi possibili di arrivare a destinazione.
Concorderai con me che se pratichiamo migliaia e migliaia di fori, è come se stessimo facendo scomparire la parete, ed infatti è proprio qui che sorge l’intuizione di Richard Feynman:

Un oggetto quantistico può propagarsi da S ad O seguendo tutte le traiettorie immaginabili, cioè ciascuna traiettoria, nessuna esclusa, contribuisce alla probabilità che l’oggetto possa essere osservato in O.

Una particella quantistica può arrivare in O seguendo qualsiasi traiettoria immaginabile. Naturalmente certe traiettorie sono semplicemente più probabili di altre, in base al valore del numero ”S”, che assume un ruolo importante anche nella teoria quantistica.

Questa è una proprietà speciale del comportamento ondulatorio degli oggetti quantistici, ma in che modo si ripercuote sul mondo degli oggetti macroscopici?

Il punto cruciale è l’interferenza distruttiva: nel limite macroscopico in cui la scala di energia quantistica diventa molto piccola, sopravvivono solo quelle traiettorie che fanno variare poco il numerino “S” che abbiamo definito in precedenza, dato che l’interferenza distruttiva è tanto maggiore quanto più varia “S”.

Siccome la traiettoria naturale (macroscopica) coincide con il limite estremo del valore di ”S”, abbiamo che ”S” varia molto poco in corrispondenza di traiettorie vicine a quella naturale, che quindi sopravvivono nell’interferenza.
Le altre traiettorie hanno semplicemente una probabilità minuscola di compiersi in natura, per questioni essenzialmente probabilistiche-ondulatorie.

Da qualche parte nel tempo, presente o futuro, potrai osservare un sasso che, nell’atto di cadere da un punto più alto a un punto più basso, compie una traiettoria circolare, poi fa zig zag avanti e indietro, ed infine cade nel punto più basso.

Non hai mai visto una cosa simile accadere? Ti credo bene!
La probabilità che segua questa traiettoria al posto di quella naturale è, quantisticamente parlando, così minuscola che non basterebbe l’età dell’universo per osservarla.

PS. ho scritto un libro di testo che rappresenta proprio ciò che avrei desiderato leggere all’inizio dei miei studi di Fisica teorica, per renderla accessibile a tutti e insegnare le tecniche matematiche necessarie a una sua comprensione. Si chiama “L’apprendista teorico” , dai un’occhiata per vedere di cosa si tratta. Il libro è acquistabile su Amazon.

La misurazione in meccanica quantistica

28 Dicembre 201910 Febbraio 2020by matteoparriLeave a comment

Il link del documento in PDF ——–> La misurazione in meccanica quantistica_Parriciatu

ABSTRACT

[Questa nota è da intendersi come una riflessione a livello molto elementare sul concetto di misura dal punto di vista della meccanica quantistica. La struttura logica e matematica della meccanica quantistica è nata per interpretare e predire i risultati degli esperimenti a livello atomico-molecolare. Il mondo microscopico è così energeticamente distante dal nostro che numerosi concetti classici hanno perso efficacia nella descrizione dei fenomeni: alcuni sono stati abbandonati , altri sono stati ridefiniti. Uno di questi è il concetto di misura. Per effettuare una misura su un sistema fisico servono due cose: una quantità da misurare, e un apparato per misurarla. Il punto di partenza per comprendere la teoria della misura è quindi quello di indagare cosa succeda tra apparato e sistema durante l’atto della misura stessa. A tal fine verranno discussi l’approccio di Von Neumann e una sua possibile giustificazione: la decoerenza quantistica.]

Matteo Parriciatu

Sulla teoria dell’emissione elettronica a freddo

5 Gennaio 20175 Gennaio 2017by matteoparriLeave a comment

A seguire il documento in PDF –> sulla-teoria-dellemissione-elettronica-a-freddo

L’emissione degli elettroni dai metalli per effetto di campo fu studiata agli inizi del secolo scorso, e trovò giustificazione teorica solo con la venuta della meccanica ondulatoria. Nell’articolo si accenna ad una elementare applicazione delle meccanica ondulatoria a questo problema.

Matteo Parriciatu

Un gentile approccio alla meccanica ondulatoria

18 Dicembre 201624 Dicembre 2016by matteoparriLeave a comment

A seguire il documento in PDF–> un-gentile-approccio-alla-meccanica-ondulatoria

Introduzione basilare ai concetti della teoria quantistica. Sono illustrati brevi esempi di applicazione della meccanica ondulatoria al moto degli elettroni liberi e sono studiate le probabilità per una particella vincolata in una buca di potenziale.

Matteo Parriciatu

Sopra gli spettri di emissione del corpo nero

28 Aprile 201628 Aprile 2016by matteoparriLeave a comment

A seguire il documento in formato pdf –>Sopra gli spettri di emissione del corpo nero

Viene trattato il problema del corpo nero dal punto di vista della statistica classica di Boltzmann per poi arrivare alla teoria dei quanti di Planck, analizzando le caratteristiche degli spettri di emissione dal punto di vista analitico.

Matteo Parriciatu

Cenni di relatività ristretta e urti tra particelle

5 Ottobre 20156 Ottobre 2015by matteoparri1 Comment

A seguire il documento in formato pdf –> Cenni di relatività ristretta e urti tra particelle

In questo trattato è proposto lo studio degli aspetti fondamentali inerenti alla teoria della relatività ristretta, dalla derivazione delle trasformazioni di Lorentz alla dilatazione dei tempi e alla contrazione delle lunghezze, accenni sul concetto di simultaneità e discussione sull’energia relativistica, fino alle trasformazioni di Lorentz per la quantità di moto e l’energia. Ivi sono discusse inoltre le analogie tra gli urti tra corpi in meccanica classica e gli urti tra particelle in meccanica relativistica, con studio sugli urti completamente anelastici, elastici ed anelastici. In particolare sono stati trattati l’effetto Compton e l’effetto Doppler e le loro connessioni relativistiche e inerenti alla meccanica quantistica.

Matteo Parriciatu