OKPEDIA MECCANICA QUANTISTICA

Principio di indeterminatezza

Secondo il principio di indeterminatezza ( o indeterminazione ) di Werner Karl Heisenberg, il comportamento della particella atomica è influenzato dall'osservazione della stessa, e viceversa.

L'osservazione e il comportamento della particella sono aspetti strettamente correlati tra loro.

E' quindi impossibile misurare ( determinare ) contemporaneamente due grandezze di una particella. Si verifica pertanto una situazione di indeterminatezza.

Il moto e la posizione di una particella non possono più essere rilevati in modo certo, senza considerare un margine di incertezza sulla misurazione.

Anche il comportamento di una particella atomica ( es. la sua traiettoria ) non può più essere determinato con certezza, bensì soltanto calcolato in termini probabilistici.

Un esempio pratico

Per predire la posizione e la velocità di una particella in un istante futuro (t1), è necessario conoscere la posizione e la velocità della particella nel presente (t0).

la posizione della particella nello spazio in due istanti temporali successivi

Per misurare la posizione e la velocità, nell'istante t0 si proietta un raggio di luce sulla particella. Una parte delle onde elettromagnetiche della luce viene riflessa dalla particella e questo ci consente di trovare la sua posizione.

la particella viene irraggiata da un fascio di luce ( onde elettromagnetiche ) per individuare la sua posizione

La luce è un'onda elettromagnetica con creste successive. Rilevando la posizione della particella su due creste successive ( t0 e t0+1) è possibile calcolare la velocità della particella.

un esempio di onda elettromagnetica

Quanto più piccola è la lunghezza dell'onda, tanto più la misurazione della posizione è precisa, in quanto la cresta dell'onda si prolunga per un meno tempo, rilevando con più precisione la posizione della particella in due istanti successivi.

Di conseguenza anche il calcolo della velocità della particella è più preciso.

onda elettromagnetica con frequenza maggiore ( larghezza d'onda inferiore )

Secondo la teoria dei quanti di Planck, l'onda elettromagnetica è composta da particelle di energia elementari, dette quanti.

Quando i quanti di energia della luce colpiscono la particella per misurarla, influiscono sulla velocità e sulla traiettoria della particella stessa.

Di conseguenza, il moto della particella viene perturbato a causa della misurazione.

la perturbazione del moto della particella dopo la misurazione

Inoltre, quanto più è piccola la lunghezza d'onda ( frequenza maggiore ), tanto più il quanto è dotato di energia ed è in grado di influenzare sul moto della particella.

Quanto più la misura è precisa, tanto più il moto della particella viene perturbato

Come abbiamo già visto nel paragrafo precedente, per misurare la posizione della particella con precisione occorre usare una radiazione elettromagnetica (luce) ad alta frequenza (v).

Secondo la teoria di Planck, l'energia (E) di un quanto è in funzione della frequenza dell'onda (v). Nella formula di Planck l'energia del quanto è determinato dalla frequenza (v) moltiplicata per una costante (h) detta costante di Planck.

E = h v

Quindi nelle onde ad alta frequenza il quanto è molto carico di energia (E) e può perturbare in modo considerevole il moto della particella che colpisce.

nelle onde ad alta frequenza ( v1 ) il quanto ha maggiore energia ( E1 )

In conclusione, secondo Heisenberg quanto più la misurazione è precisa, tanto più il moto della particella viene influenzato, poiché il quanto dispone di maggiore energia (E).

L'impatto sul paradigma scientifico

L'incertezza nella misurazione della posizione e della velocità della particella è un aspetto ineliminabile della realtà. Secondo Heisenberg, l'incertezza non può essere inferiore alla costante di Planck (h).

Il principio di indeterminatezza di Heisenberg si pone in antitesi rispetto al determinismo scientifico del XIX secolo.

Secondo il determinismo ogni fenomeno scientifico può essere spiegato con una legge matematica ( certezza scientifica ) tramite relazioni di causa-effetto.

Con il principio di indeterminatezza, invece, si introduce nella scienza il concetto dell'incertezza. Pur conoscendo lo stato iniziale di tutte le variabili di un sistema, non è sempre possibile conoscere con certezza l'evoluzione futura del sistema.

L'incertezza viene gestita in ambito scientifico tramite la teoria della probabilità.

Ad esempio, quando si misura la posizione e la velocità di una particella in un istante t0, si influisce sul moto della particella stessa.

esempio di applicazione del calcolo probabilistico

Non è possibile affermare con certezza quale sarà la posizione della particella nell'istante successivo (t1). È però possibile stimare con quale probabilità si troverà nella posizione A, B o C.

La nascita della meccanica quantistica

Una delle conseguenze logiche del principio di indeterminatezza è l'imprevedicibilità degli eventi ( casualità della scienza ). Uno degli aspetti su cui viene costruita la meccanica quantistica negli anni '30, da parte dello stesso Heisenberg, Erwin Schrodinger e Paul Dirac.

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faq

  1. Cosa afferma il principio di indeterminazione? Non esiste nulla che possiamo conoscere con assoluta certezza, nell'universo micro delle particelle subatomiche nulla è prevedibile.


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