C [Musica] buon pomeriggio a tutte e tutti benvenuti al quarto seminario nazionale del progetto and science across Italy intitolato elementi di meccanica quantistica quest'anno è anche l'anno internazionale della Scienza e della tecnologia quantistica e per questo abbiamo deciso di esplorare insieme a voi alcuni dei concetti che sono alla base di scoperte scientifiche sorprendenti degli ultimi decenni e per questa esplorazione abbiamo con noi un ospite d'eccezione il professor Marco Pallavicini docente all'Università di Genova e vicepresidente dell'Istituto nazionale di fisica nucleare che è uno dei massimi esperti a livello internazionale nella fisica delle interazioni fondamentali oggi ci guiderà Alla scoperta di questo misterioso e affascinante mondo della meccanica quantistica Grazie mille Marco per aver accettato l'invito che cosa dire di del professor Pallavicini negli anni 90 ha lavorato presso il fermilab es slac che sono due importanti laboratori negli Stati Uniti lì si è occupato di fisica delle particelle elementari con lo studio dei Quark charm e beauty ha partecipato a missioni dell'agenzia spaziale Europea per studiare i raggi cosmici nell'atmosfera e vincitore di un premio delle European Research Council e Cop portavoce dell'esperimento borexino ai Laboratori del Gran Sasso negli ultimi anni si è occupato principalmente di fisica del neutrino fisica solare ricerche sulla materia oscura Inoltre è stato e anche presidente del Festival della Scienza di Genova Quindi è sicuramente un portavoce della divulgazione scientifica Vi ricordo che durante il seminario avrete la possibilità di porgli domande approfondire gli argomenti che più vi incuriosiscono scansionando il QR code che a un certo punto apparirà non esitate a fare domande Grazie mille e lascio la parola al professor pavicini eh Grazie Gabriella Spero che le trasparenze siano visibili Buon pomeriggio a tutti dedichiamo una mezz'ora e poi un po' di tempo alle domande se se ci saranno per a un tema che naturalmente è di primaria importanza nella fisica di oggi già da molto tempo sono passati 100 anni circa dalla nascita della meccanica quantistica che è la quella parte della fisica che regola il funzionamento del mondo microscopico di ciò che riguarda gli atomi e tutto ciò che è più piccolo di un atomo soprattutto Ma come Vedremo nella chiacchierata di oggi è un argomento di ricerca Oggi molto importante quello di cercare di portare alcuni effetti quantistici a livello più macroscopico in modo da essere utilizzabili anche per dei dispositivi e per delle applicazioni in particolare Il Calcolatore quantistico di cui dirò qualcosa alla fine Intanto andiamo ad analizzare queste due parole l'abbiamo chiamata meccanica quantistica perché la chiamiamo meccanica e perché è quantistica È meccanica perché la base della teoria ha a che fare con il moto concetti come posizione velocità accelerazione forza Massa energia Sono a voi familiari o quantomeno ne avete sentito parlare anche in corsi elementari di fisica classica della fisica che normalmente regola il mondo macroscopico il mondo in cui viviamo la itivo quantistico invece è un neologismo o per essere più precisi lo era 100 anni fa ormai è una parola comune nel linguaggio scientifico ma 100 anni fa è stata inventata in realtà la parola che è stata inventata è la parola quanto che è l'oggetto di cui parleremo in questa mezz'ora e che non possiamo definire propriamente proprio perché è una cosa nuova è una parola nuova che identifica un concetto nuovo è un concetto molto controintuitivo come vedremo ma è l'entità fond tale del mondo microscopico si chiama meccanica quantistica perché ha a che fare con il moto con lo spostamento con il comportamento fisico di oggetti che non sono oggetti intuitivi voi non potete avere un'immagine intuitiva del concetto di quanto in realtà è molto difficile averla la si può elaborare con molto lavoro e con molto tempo perché profondamente controintuitiva è lontana dalla nostra intuizione quotidiana ma è l'elemento fondamentale quindi si Chiama meccanica quantistica perché ha a che fare con i quanti adesso poi vedremo di capire qualcosina di che cosa sono questi quanti Ma parliamo di qualche cosa di nuovo quindi non ci dobbiamo stupire se non sappiamo Cos'è un Quanto bisogna bisogna andarci dentro per poter dare un significato a questa parola eh richiamo qualcosa della fisica classica per poi esibire le differenze Qui c'è un esempio e questo filmato è stato messo eh a disposizione dalla NASA rappresenta l'orbita di una sonda che è partita nel 2007 e che ha fatto un po' di zigzag nel sistema solare per raggiungere un certo numero di di asteroidi Eh è stata lanciata è stato possibile calcolare con grande precisione che strada avrebbe fatto la sonda ha lasciato la Terra ha cominciato a girare in tondo al sole lentamente la sonda Grazie all'azione dei raggi è stata razzi è stata deviata ha raggiunto prima Vesta e poi ha raggiunto Ceres Ora qui non è molto importante che andiamo nel dettaglio Ma questo per dire perché questo è possibile perché in fisica classica che è la fisica che regola i corpi macroscopici i corpi hanno una posizione una velocità ben definite e se io sono capace di calcolare l'evoluzione di questo movimento sia dei pianeti sia dei satelliti sia della Sonda posso calcolare con grande precisione in modo deterministico rivedremo questa parola dove andrà la sonda Questa è la fisica classica la fisica classica di Galileo del basata sulle leggi della dinamica che avete probabilmente visto o ne avete sentito parlare la legge della gravitazione universale un insieme di leggi che noi oggi chiamiamo fisica classica e che regola il comportamento dei corpi macroscopici insieme ai corpi macroscopici ci sono le onde le onde sono un concetto familiare eh Per esempio le onde sul mare sono diversi dai corpi Anche se l'acqua del mare poi di fatto è un corpo anch'essa Ma come Vedremo ci sono anche onde che non sono corpi materiali il concetto di Onda è un po' diverso dal concetto di corpo perché ha una proprietà fondamentale che è quella dell'interferenza interferenza vuol dire che la somma di due onde non è sempre ovunque la somma delle due onde In certi punti è una somma in certi punti è una sottrazione Cosa vuol dire vuol dire che in certi punti l'onda si somma e fa quella che si chiama interferenza costruttiva in altri punti l'onda si sottrae e forma la cosiddetta interferenza distruttiva Chi di voi ha un paio di cuffie a cancellazione di rumore come quelle che io sto usando adesso le cuffie a cancellazione di rumore si basano sul fatto che si può generare un suono opportuno che Cancella il suono che viene da fuori sfruttando il fenomeno dell'interferenza quindi le onde sono hanno un comportamento diverso da dai corpi materiali la sonda che è andata su Ceres non è un'onda è un corpo materiale io le onde hanno una natura intrinsecamente diversa per molto tempo come immagino sapete ci si è domandati lo ha fatto Newton per primo ma lo lo hanno fatto anche tanti altri se la luce fosse un fenomeno corpuscolare Quindi se si potesse immaginare che la luce sia fatta da tanti piccoli corpi oppure se la luce sia anch'essa un'onda questo dibattito è rimasto acceso per molto tempo fino fino al 1801 quando è stato da grazie a un esperimento dovuto a you che poi rivediamo dopo perché ci interesserà dimostrabile dimostrato che l'onda la luce è un'onda come lo ha fatto you Beh sostanzialmente ha dimostrato che la luce se passa attraverso due piccole fenditure come quelle sulla In basso sulla sinistra fa fenomeni di interferenza se Guardate a destra in basso vedete delle frange colorate in rosso su quello stero delle bande verticali quelle Bande di verticali sono l'effetto dell'interferenza della luce attraverso due fenditure in quel caso attraverso un laser quindi è molto la qualità dell'immagine è molto migliore perché il laser è una sorgente più adatta a fare questa misura ma fondamentalmente io dimostro che la luce Come del resto i raggi le segnali radio la luce infrarossa ultravioletta i raggi x i raggi gamma sono tutte forme di onde elettromagnetiche che onde sono Sono onde fatte di campi elettrici e di magnetici che si propagano nel vuoto ma che oscillano come nella figura in alto a sinistra in cui il campo magnetico va su e giù in una direzione il campo elettrico va in una direzione ortogonale ad essa anch'esso oscillante e questo questo oggetto si propaga nella direzione ortogonale entrambi quindi diciamo e la il raggio luminoso ha una direzione e questi campi elettrici oscillanti se lo portano dietro quindi la fisica classica ho fatto questa questa introduzione per dire che la fisica classica divite la realtà in due oggetti abbastanza diversi i corpi che hanno la posizione la velocità l'energia la massa e le onde che hanno una natura tutto sommato abbastanza diversa perché un'onda elettromag etica classicamente non è un corpo è qualche cosa di abbastanza diverso questo paradigma questa descrizione del mondo alla fine dell'800 è andata in crisi ed è andata in crisi non è un caso Ora qui faccio una lista che vi rimarrà un po' come guida ma non parlerò di Tutti questi elementi perché in mezz'ora non sarebbe possibile ma quando i fisici hanno cominciato a studiare l'interazione della luce che è un'onda con la materia hanno cominciato a vedere che il paradigma scricchiolava cioè il comportamento della luce quando interagisce con la materia non è completamente in accordo con quello che la teoria dell'elettromagnetismo che aveva sviluppato Maxwell direbbe in particolare e della ragione per cui ve l'ho detto cioè questa dicotomia fra cor e onde in fisica classica nel mondo microscopico quando la luce interagisce con con il materiale in particolare quando interagisce con gli atomi che stanno dentro i materiali in qualche modo qualche volta sembra una un corpo qualche volta sembra un'onda cioè questa distinzione di si sfuma in alcuni casi la luce sembra essere fatta da granuli che appunto ad un certo punto vengono chiamati quanti quanti perché è una parola che veniva usata per indicare una struttura discreta una quantizzazione questi granuli che poi verranno chiamati fotoni alcuni anni dopo sono degli strani oggetti e adesso vedremo perché sono degli strani oggetti perché non è che semplicemente si torna indietro a Newton e si comincia a dire che la luce è fatta da piccole particelle come lui pensava No perché la natura ondulatoria resta in qualche modo la struttura granulare fatta di corpi e la struttura ondulatoria fatta di oggetti che possono fare interferenza coesiste e coesiste in un modo molto strano che richiederà alcuni decenni per essere digerito e per essere spiegato a questo si aggiunge il fatto che i fisici Avevano cominciato a studiare i colori degli atomi i colori della degli oggetti han avevano scoperto che quando il materiale assorbe o emette radiazione lo fa solo per frequenze molto particolare ogni singolo atomo ha una serie di colori caratteristici come Vedremo che lo che lo caratterizzano Appunto e infine la scoperta poi fondamentale è che gli atomi sono fatti da elettroni che orbitano attorno a un piccolo nucleo Atomico il che ci Porrà di fronte a dei grandi misteri che poi la meccanica quantistica ha spiegato ora sarebbe assolutamente impossibile in una mezz'oretta andare Attraverso tutte queste cose farò accenno ad alcune di esse poi vi mi limiterò a darvi quelle che sono le idee la soluzione del problema che cosa dice la meccanica quantistica E che cosa ci possiamo fare e intanto definiamo Cos'è un quanto questi granoli di luce esistono non sono semplici corpuscoli perché si portano come onde ma non sono pure onde perché ogni tanto si comportano come dei corpuscoli sono delle cose nuove sono delle cose strane che però esistono Sono una realtà della natura vengono chiamati quanti di luce e poi verranno chiamati fotoni ma sono sinonime le due parole ma poi questa natura duale un po' onda un po' particella In realtà nessuno dei due bisogna stare attenti Non è che un è un'onda e una è una particella e la finiamo lì no perché poi queste due cose sono sempre mescolate È una realtà veramente nuova è un concetto nuovo che obbedisce a leggi nuove e che i fisici negli anni fra il 1900 e il 1930 sostanzialmente svilupperanno ora perché di questa strana natura non ce ne accorgiamo Beh perché perché la la meccanica quantistica in tranne in casi particolari è confinata dentro il mondo microscopico perché è stato prima Planck e poi Einstein ad associare a ogni onda un'energia proporzionale all'onda quindi scrive Einstein questa famosissima formula e = hn e è l'energia del fotone o del quanto di luce nu è la sua frequenza nel caso della luce visibile per esempio è circa 05 in 10 all 15 Hz Ebbene H è un numero straordinariamente piccolo h si chiama istante di Plank lo vedete 10 ^ - 34 J per secondo ora questo numero fa sì che per esempio una lampadina da 30 W facile a fare il calcolo mette 10 ^ 20 fotoni al secondo numero immenso quindi non me ne accorgerò mai che la luce è fatta da granoli sono talmente tanti che quando osservo la luce in modo macroscopico la sua natura quantistica sparisce e funziona la luce funziona come funziona Secondo la teoria di maxw Ma quando comincio a guardare i fotoni uno alla volta la natura quantistica granulare della luce emerge l'altra grande scoperta che nasce analizzando la struttura degli atomi è che la natura quantistica della luce non è specifica della luce i fisici si accorgono che tutte le particelle elementari sono un po' onde e un po' particelle nel caso della luce pensavamo che fosse un'onda e abbiamo scoperto che ogni tanto è una particella nel caso dell'elettrone viene il percorso opposto Ma la la conclusione è la stessa gli elettroni erano pensati come particelle ci si accorge lentamente che sono anche onde sono onde però di lunghezza d'onda molto più piccole della luce per cui la natura ondulatoria dell'elettrone è più nascosta è più difficile da vedere e ce ne accorgiamo quando è legato a un nucleo perché quando Rutherford scopre che gli elettroni sono legati ai nuclei scopre anche che non possono essere legati Come direbbe la fisica classica perché è impossibile per la fisica classica tenere un elettrone dentro a un atomo l'elettrone dentro a un atomo ci sta perché la sua natura è ondulatoria è quantistica e questo lo dimostreranno Heisenberg Schrodinger e tanti altri mostrando che questa natura del quanto molto molto intima ma molto poco intuitiva È una realtà di tutta la materia a livello microscopico tutte le particelle conosciute hanno una intima natura quantistica queste figure mostrano il concetto classicamente uno penserebbe che l'atomo potrebbe essere un piccolo sistema solare con gli elettroni che orbitano attorno ai nuclei questa cosa però non funziona perché Maxwell dice che se una carica gira intorno a un'altra carica ed è accelerata dovrebbe emettere radiazione emettendo radiazione cadrebbe immediatamente dentro al nucleo quindi l'atomo fatto come nella figura sinistra non può es es ISE questo i fisici lo capiscono subito per questo la scoperta degli atomi mette tutto in crisi perché tutti si rendono conto che L'atomo è fatto in un modo impossibile per la fisica classica però invece L'atomo è fatto così perché in realtà gli elettroni non sono particelle gli elettroni sono Quanti sono delle oggetti che formano delle onde queste onde sferiche attorno al nucleo si sparpagliano l'elettrone è un po' qui un po' là ma in realtà non è da nessuna parte perché per la meccanica quantistica come Vedremo Non tutte le grandezze sono definite Noi siamo abituati che la i corpi hanno una posizione e una velocità ben precisa in meccanica quantistica non è così posizione e velocità non possono essere mai precise entrambe e a volte non sono precise nessuna delle due come il caso degli elettroni nell'atomo in cui sia la posizione non è definita perché c'è una nuvoletta attorno al nucleo che viene chiamata orbitale dai funzione d'onda dai fisici ma il concetto è lo stesso cioè l'elettrone È sparpagliato attorno al nucleo ma nessuno può dire dove sta la sua posizione non esiste non è definita e non è neanche definita la sua velocità perché varia continuamente come varia continuamente la posizione Quindi questa Questa nuvola attorno al nucleo è la natura profonda quantistica dell'elettrone vi ho detto che l'elettrone è un qu Come mi accorgo di questa stranissima natura Beh questo è uno degli esperimenti più importanti è l'unico che vi mostro Intanto è possibile mostrare che le frange di interferenza esistono anche per gli elettroni Cioè se io sparo degli elettroni su una doppia fenditura come aveva fatto Yang con il suo esperimento con la luce vedo le frange di interferenza esattamente come le vedo con il laser ma è più interessante di così perché se io gli elettroni li sparo uno alla volta succede una cosa stranissima succede che apparentemente gli elettroni ne ho sparato uno poi ne sparo due Poi ne sparo tre poi ne sparo quattro uno se facesse si fermasse così Non capirebbe nulla vede che ha sparato degli elettroni i quali hanno colpito un punto dello schermo sembra una cosa completamente casuale Se però ne sparo tanti succede questo che il valore medio di tanti elettroni sparati nello schermo ridanno le frange di interferenza che si mostrano classicamente E allora questo cosa vuol dire vuol dire che la natura profonda è quella quantistica casuale aleatoria vedremo che la probabilità ha un ruolo molto importante in meccanica quantistica Ma che quando gli oggetti sono tanti la probabilità di enta la legge Classica cioè le frange di interferenza che si mostrano con la luce non sono nient'altro che l'effetto complessivo di un comportamento probabilistico dei quanti quando sono tanti la probabilità diventa certezza perché quando io sparo tante volte il risultato medio si avvicina sempre di più a quanto dice la probabilità Quindi se io ho tanti elettroni vedo le frange e nel limite di tantissimi elettroni le vedo perfettamente come in questa figura Ma se sono pochi questo fenomeno sparisce Questa è proprio la natura del quanto il quanto apparentemente si muove a caso ma in realtà segue delle leggi probabilistiche ben definite che sono le leggi della meccanica quantistica tutto ciò è il frutto di lavoro di molti ma è soprattutto il frutto di Erwin Schrodinger che ha trovato l'equazione matematica che fa questo gioco Cioè ogni oggetto elettrone fotone particella elementare nucleo atomico ha Associata a quella che si chiama una funzione d'onda una un oggetto matematico che obbedisce a un'equazione ben precisa Ma questa equazione ben precisa non dice dove sarà l'elettrone o che velocità avrà l'elettrone fra un secondo mi dice solo quale probabilità c'è che possa avere una certa posizione Una certa velocità Questo è un cambiamento radicale concettuale profondissimo che peraltro Erwin Schrodinger rifiuterà per tutta la vita è interessante l'uomo che ha inventato e ha risolto il problema lo rifiuta perché l'interpretazione probabilistica della sua equazione non gli piace e la contrasterà un po' per tutta la vita però in realtà oggi sappiamo che che su questo Aveva torto aveva inventato l'equazione giusta aveva rifiutato la sua interpretazione Ma la su interpretazione è questo la meccanica quantistica non è deterministica io non posso dire qual è l'esito di una misura in meccanica quantistica posso dire qual è la probabilità di avere un valore ma normalmente c'è un' indeterminazione il Principio di indeterminazione di heinzenberg dice che le grandezze fisiche non hanno valore definito quando le misuro trovo un valore Ma questo valore ha una natura probabilistica o stocastica Come si dice Cioè dal punto di di vista della misura io non posso con certezza sapere quale sarà il risultato ma posso avere una distribuzione di probabilità vi ho detto degli atomi L'altro elemento che Schrodinger con la sua equazione risolve e capisce come spiegare un fatto che era noto da tempo già kirkov e balmer e altri avevano bunsen Avevano studiato i colori degli atomi se io prendo un un'ampolla ci metto un gas lo scalto e vado ad analizzare la luce che emette quel gas scopro che ogni gas emette dei colori molto particolari nel nell'immagine che vedete in alto a destra quello che che si mostra è lo spettro dell'idrogeno più semplice degli oggetti matematici degli oggetti fisici de degli oggetti delle sostanze conosciute spettro l'idrogeno ha quella serie di righe molto strana che peraltro obbedisce a quella stranissima formula che sta sulla destra c'è una costante che si chiama costante di redberg che normalmente viene indicata con RH e la frequenza la la la frequenza delle righe è sempre la differenza con due numeri interi m ed n che possono essere 1 2 3 4 5 e variando m n si trovano tutte le righe che sono mostrate colorate quella formula viene scoperta da balmer che però era solo diciamo la scopre soltanto facendo un un gioco matematico senza minimamente avere idea dell'origine fisica verrà perfezionata da redberg Ma poi viene spiegata prima da bor Ma poi soprattutto da Schrodinger che dimostra che la sua equazione consente di calcolare quella formula lì perché c'è quella formula perché tornando alla figura dell'atomo quelle onde che vi ho mostrato quelle onde arancioni che stanno a destra sembrano casuali viste nella figura ma in realtà sono delle funzioni matematiche ben precise e un elettrone può spostarsi da un'onda all'altra cioè da un orbitale all'altro quando lo fa quando lo fa Eh perde energia e allora emette un fotone oppure deve guadagnare energia e quindi assorbe un fotone ma nel passaggio da un'orbita all'altra Sono un po' come delle corde di violino ogni corda di violino suona a una frequenza ben precisa l'elettrone dentro l'atomo ha un'onda associata che ha una frequenza ben precisa quindi un'energia ben precisa e se io voglio cambiare la frequenza devo passare da una frequenza valida a un'altra frequenza valida questi salti che hanno fatto disperare Schrodinger perché sono proprio la dimostrazione della natura probabilistica della sua equazione dice che sì Io calcolo questi questi orbitali queste strutture ma poi non sono in grado di predire se un elettrone salterà oppure no Questo è un fatto casuale di cui posso calcolare di nuovo la probabilità ma senza sapere se un elettrone salterà oppure no Ma quando lo fa emette quei colori particolari e quindi Questo spiega quantitativamente molto bene la natura quantistica degli atomi l'esistenza di quelle righe è una prova straordinariamente convincente perché poi non ve lo posso mostrare Ma ognuna di quelle righe è calcolabile con precisione con l'equazione di Schrodinger e e con straordinaria precisione quindi la meccanica quantistica funziona in modo meraviglioso e spiega quella struttura tutt'altro che banale che gli esperimenti mostrano per convincervi questo è lo spettro del sole ognuna di quelle righe nere è l'assorbimento di un particolare atomo o di una particolare molecola del Nel sole di elementi Ce ne sono tantissimi quindi ci sono righe di assorbimento in tutto lo spettro visibile dal rosso al blu e beh ognuna di quelle righe identifica un elemento anche per parlare di applicazioni della meccanica quantistica ognuna di quelle righe consente di stabilire se nell'atmosfera del sole c'è un elemento oppure no consente di misurare il valore del campo magnetico nel sole consente di misurare la velocità di rotazione del Sole consente di misurare la temperatura dell'atmosfera solare tutte queste informazioni sono deducibili con calcoli molto complicati che ovviamente non posso neanche tentare di mostrarvi Ma ognuna di quelle righe è calcolabile con grande precisione e quindi dalla misura di quelle righe si estraggono grandissime quantità di informazioni Ora vorrei passare adesso all'ultimo punto dedicando ancora 5 minuti al perché il mondo macroscopico non è quantistico cioè perché questo strano mondo quantistico è di solito limitato al mondo microscopico Beh il gioco è semplice è la costante di Plan la costante di Plan è un numero piccolo 10 ^ - 34 vi ha già un secondo ora Quella costante ha le dimensioni di un'energia per un tempo i fisici la quantità che è energia per tempo La chiamano azione una parola quando un oggetto ha un'azione comparabile con h è quantistico quando l'oggetto ha un'azione molto grande rispetto ad H normalmente non è quantistico ora per convincervi che il monto macroscopico palesemente non è non è quantistico pensate a una mela che cade la mela che cade da qualche metro di altezza cade in circa un secondo se vi fate il calcoletti di Qual è l'energia cinetica che la mela acquisisce cadendo lì c'ho messo un circa un secondo di caduta con un secondo di caduta la mele acquista circa 3 J e me a 3 J e me per 1 secondo vuol dire che l'azione della mela è circa 3,5 da confrontare con que 10 ^ - 34 Il che vuol dire che una mela è quel numero lì che neanche si può leggere 10 ^ 34 quindi cos'è 10 ^ 34 è un milione di miliardi di miliardi di miliardi di volte più grande di H più grande della costante di placche quindi palesemente della mela non è quantistica gli effetti quantistici nella mela sono inosservabile sono così ridicol m piccoli da essere completamente inesistenti per cui di solito i corpi macroscopici la natura quantistica la la la nascondono uso il verbo nascondere perché Attenzione Non sto dicendo che la mela non obbedisce alle leggi della meccanica quantistica Certo che lo fa Ma quando il corpo è macroscopico le leggi della meccanica quantistica sono indistinguibili dalle leggi della meccanica classica quindi possiamo usare la la legi classiche senza problemi ma la vera natura del mondo è quantistica e questo si vede quando andiamo a osservare sistemi come gli atomi che hanno un'azione comparabile con h quindi solo nel microscopico tranne eccezioni gli effetti quantistici sono visibili ora Un due parole sulle potenziali applicazioni di tutto ovviamente non vi ho insegnato la meccanica quantistica vi ho solo dato qualche idea qualche spunto per cominciare a ragionarci Eh ma Vi riassumo eh tre elementi La strana natura dei quanti è legata ad alcune proprietà primo in un quanto le grandezze non sono sempre definite per esempio la posizione e la velocità di un quanto non possono essere note entrambe Esiste il Principio di indeterminazione di Heisenberg anche dice che se conosco bene una delle due L'altra la conosco molto male ma c'è un limite invalicabile Inoltre una grandezza può essere la sovrapposizione di tanti valori un oggetto può essere un po' qui un po' là Può Può anche essere dislocato in in punti molto lontani in linea di principio ed è possibile costruire degli stati in cui la posizione di un oggetto è o da una parte o dall'altra e le due parti essere anche piuttosto lontan uno dall'altra con fenomeni molto molto controintuitivo stati profondamente analizzati dal punto di vista sperimentale e dimostrati e addirittura il numero dei valori possibili di una grandezza può essere infinito quindi la grandezza può essere veramente totalmente indeterminata Questo si chiama principio di sovrapposizione ed è una delle caratteristiche fondamentali dei quanti ora perché lo dico perché oggi e la vostra generazione Chi di voi vorrà occuparsene avrà un formidabile problema da affrontare perché non lo abbiamo ancora risolto ed è un momento di ricerca molto intensa Ma io penso richiederà ancora molto tempo è quello di usare questi concetti per costruire quello che oggi si chiama il Quantum computer o il computer quantistico perché il computer quantistico è qualcosa di diverso Beh Chi di voi ha un minimo di familiarità coi computer sa che qualunque computer il vostro telefono o il pc che state usando per guardare questo streaming è una macchina che fondamentalmente manipola dei bit che sono a due valori 0 o 1 il bit classico o il byte classico è un insieme di bit con 0 E con 1 e anche se è molto nascosto in realtà tutto quello che l'immagine che voi state vedendo sullo schermo è la manipolazione di un numero sterminato di bit fatta molto velocemente da un processore che li utilizza li li Moltiplica li somma li cambia ma sempre ogni bit o Vale ad ogni istante o Vale zero o vale 1 l'idea di fondo che stiamo lo chiamo sogno anche se è un sogno che si sta lentamente concretizzando perché ci sono dei risultati diciamo incoraggianti in questa direzione è che uno possa inventare dei dispositivi quantistici in cui il bit non è un bit che vale 0 o vale 1 proprio grazie al principio di sovrapposizione a cui vi ho fatto accenno Potremmo avere il cubit Cos'è un cubit è un oggetto in cui il valore non è o 0 1 potrebbe essere 0 1 o una grande quantità di valori intermedi sovrapposti uno all'altro cioè il qubit non ha un valore definito ma in linea di principio anche un'infinità di valori possibili tutti insieme allora qual è il vantaggio se ci riuscite Beh Google ha realizzato un oggetto con qualche decina e poi qualche centinaio di cubit sono ancora macchine prototipali che non sono usabili funzionano per poch tempo sono ancora dei prototipi molto molto Rozzi però ci sono degli oggetti su cui la industria sia pubblica che privata sta invendo investendo molto perché perché ci c'è la dimostrazione che alcuni calcoli che richiederebbero miliardi di anni per essere fatti con un calcolatore normale e quindi saranno impossibili da risolvere con un calcolatore normale Beh in linea di principio ci sono dei problemi che invece con un computer quantistico potrebbe essere calcolabili Quindi ci sono delle delle potenzialità di fare veramente una un'altra rivoluzione molto grande sulle capacità di analisi e di calcolo dei dati passando da una macchina che fatta da bit deterministici 01 tradizionali a a Quantum Bits Cioè A bit che obbediscono con la meccanica quantistica ovviamente qual è il problema che vi ho detto che la meccanica quantistica è principalmente confinata nel microscopico è molto difficile costruire oggetti macroscopici utilizzabili Eh quantistic perché esiste un fenomeno che è ben noto che si chiama decoerenza per cui più che Fatemelo dire un po' male un po' rozzamente ma un oggetto più è grande più più è significativamente più grande di un atomo più la sua natura quantistica tende a essere nascosta abamo fatto il calcolo della mela a livello della mela l'effetto quantistico scompare del tutto ma già bastano 100 atomi per rendere l'effetto quantistico spesso piuttosto piccolo quindi non è facile costruire dei cubit però ci sono delle idee per farlo ci sono dei prototipi molto interessanti e molto incoraggianti e senz'altro ne vale la pena è un grande sforzo è un problema difficilissimo ma nello stesso tempo ha delle potenzialità straordinariamente interessanti e quindi diciamo ci sta lavorando davvero tutto il mondo è una tecnologia assolutamente strategica fornirebbe mezzi di crittografia molto sicuri ma fornirebbe tecnologie di calcolo o anche tecnologie di sensoristica adesso qui non ho elaborato Ma i cubit possono anche diventare dei sensori sensibilissimi per cui probabilmente potrebbero essere utilizzati per fare strumenti con una capacità di misura e una sensibilità di misura enormemente superiore agli strumenti di cui disponiamo oggi e quindi concludo eh lasciando poi spazio a chi di voi vorrà fare qualche domanda intanto la meccanica quantistica compie 100 anni quindi non è una novità È una cosa solida ben verificata ben conosciuta che spiega tutti i fenomeni conosciuti del mondo microscopico oggi noi non conosciamo alcun fenomeno fisico che non sia in perfetto accordo con le predizioni della meccanica quantistica e alla base già di fondamentali applicazioni oggetti come il transistor come la superconduttività il laser sono oggetti ormai di di uso comune che si fondano su Principi quantistici ben noti e ben e ben conosciuti l'attuale frontiera da un punto di vista delle applicazioni come vi ho detto è il Quantum computing è il computer quantistico quindi il calcolo le telecomunicazioni la sensoristica l'applicazione della meccanica quantistica alla tecnologia Ma poi da fisico dico c'è un'altra frontiera di cui non ho parlato perché Eh ci vorrebbe troppo tempo e poi forse sarebbe anche un po' difficile ma c'è una parte della fisica che non è quantistica che è la gravitazione oggi la la la nostra conoscenza della gravitazione è ancora di natura classica è la è la teoria di Einstein dell'inizio del 900 ma è una teoria incompatibile con la meccanica quantistica E questo vuol dire che abbiamo ancora molto da imparare anche sulla fisica fondamentale in particolare probabilmente alcune frontiere della cosmologia ci richiederanno di fare un passo oltre nella nella conoscenza quantistica della gravità che oggi non Comprendiamo affatto e quindi diciamo c'è molto da fare sia sul piano delle applicazioni e degli sviluppi tecnologici sia sul piano della conoscenza fondamentale della natura e con questo vi ringrazio Grazie mille per questo interessantissimo seminario Adesso aspettiamo vediamo se ci sono domande ci sono ci sono ci sono domande Gabriella Ok bene bene bene allora Ma i computer quantistici potrebbero essere usati per l'intelligenza artificiale Immagino di sì ora l'intelligenza artificiale è una cosa diciamo nuova anche per i computer tradizionali come diciamo si sta sviluppando adesso più che altro come Forse i ragazzi sanno o comunque è un Panto importante oggi la principale limitazione allo sviluppo dell'intelligenza artificiale è nel costo energetico gli algoritmi di intelligenza artificiale che oggi esistono ognuno di voi senz'altro Avrà giocato con chat GPT o con altri o con altri siti che forniscono giocattoli di quel tipo Beh chat GPT ha richiesto immense quantità di computing cioè l'utilizzo di computer molto grandi e molto costosi e per un tempo molto lungo Quindi oggi non è pensabile di fare un grande passo avanti sull'intelligenza artificiale facilmente perché ci sono dei limiti al consumo di energia e proprio alla disponibilità dell'energia addirittura so che la ho sentito che la Microsoft vorrebbe forse costruirsi una centrale nucleare propria per alimentare il centro di intelligenza artificiale che vogliono costruire questo vuol dire che i consumi sono veramente spaventosi e questo Porrà dei limiti perché va bene tutto però poi è chiaro che questo vuol dire anche che sviluppare l'intelligenza artificiale poi può avere dei costi assolutamente insostenibili quindi sì non domani eh attenzione Il computer quantistico non è di domani è una cosa molto difficile che richiederà molto lavoro e magari qualcuno dei ragazzi che ascoltano avrà qualche brillante idea perché serviranno anche delle brillanti idee perché il problema è davvero difficilissimo vediamo un'altra domanda c'è diciamo questa è stata triggerata appunto dal dal parallelismo tra come ci approccia La chimica è come la fisica ci chiedono di spiegare un po' come la meccanica quantistica intende il concetto di orbitale Sì sì l'orbitale è un concetto quantistico qui è solo una questione di lingua storicamente i fisici tendono a chiamare funzione d'onda la distribuzione di probabilità della posizione degli elettroni in un atomo è una funzione in realtà è una funzione complessa ma diciamo il suo modulo al quadrato Adesso non voglio essere troppo tecnico è la probabilità che l'elettrone sia in una certa posizione Beh l'insieme delle posizioni di un elettrone in un atomo forma l'orbitale chimico Quindi è una solo una questione linguistica ma è la stessa cosa l'orbitale della chimica è la probabilità di avere l'elettrone in una certa posizione nell'atomo poi ogni comunità scientifica ha un po' il suo linguaggio i chimici preferiscono la parola orbitale di solito i fisici di funzione d'onda ma è esattamente la stessa cosa Quindi non possiamo dire che studiano la stessa cosa però gli danno solo nomi di studiano la stessa cosa da un punto di vista un po' diverso e quindi poi ogni comunità c'ha un po' il suo linguaggio è normale è normale allora un'altra domanda ma la meccanica quantistica è importante solo per capire come funzionano gli atomi o serve anche per capire come funzionano le grandi strutture dell'universo Ah questa è una domanda da 100 milioni di dollari perché allora le grandi strutture dell'universo Non sono oggi quantistiche quindi se uno mi dice mi serve la meccanica quantistica per sapere come si evolvono le stelle le galassie nell'universo la risposta è no una stella è un oggetto macroscopico Come vi ho detto è è classica una mela figuriamoci una stella quindi non c'è bisogno della meccanica quantistica per studiare l'universo oggi ma e questo il perché che la domanda è molto interessante è molto probabile anche se nessuno lo può dimostrare perché stiamo parlando di teoria ma l'attuale teoria del Big Bang prevede che le strutture dell'universo siano l'evoluzione di quelle che all'inizio molto all'inizio del Big Bang frazioni infinitesime di secondo dopo il big bang erano fluttuazioni quantistiche Quindi la risposta è probabilmente sì ma c'abbiamo molto da capire ma è molto molto probabile o perlomeno l'attuale paradigma della teoria del Big Bang prevede che quelle che si chiamavano le fluttuazioni primordiali cioè ciò che era la fluttuazione quantistica l'indeterminazione quantistica del Big Bang al suo vero inizio quindi un tempo infinitesimo dopo l'inizio dell'espansione Beh in quel momento la meccanica quantistica era importante è come e forse ma qui il forse è d'obbligo perché stiamo parlando di teoria nessuno oggi è in grado di dimostrare che sia vero È possibile che le attuali strutture dell'universo siano l'evoluzione in 13 miliardi di anni di quelle microscopiche evoluzioni quantistiche Ma qui siamo a livello di teoria Quindi potrebbe essere così ma nessuno può affermarlo con certezza c'è ancora molto lavoro da fare Passiamo un'altra domanda che in fondo è un po' un grande classico della curiosità dei ragazzi riguarda appunto l'effetto tunnel assolutamente Ecco questo Allora adesso vi ho dato gli elementi per avere un'idea che cos'è l'effetto tunnel l'effetto tunnel è un effetto quantistico molto controintuitivo che dice che c'è una certa probabilità che un oggetto compaia dalla parte opposta di una barriera ora uno natural pensa Beh una barriera un muro Io cammino Qual è la mia probabilità di passare dall'altra parte del muro in denne non provateci perché la probabilità è un numero ridicol piccolo Attenzione Non vi ho detto zero perché in realtà tecnicamente non è zero ma è un numero straordinariamente piccolo così immensamente piccolo che è impossibile che una persona non si faccia male cercando di attraversare un muro Quindi ripeto non provateci perché la meccanica quantistica non vi aiuterà ma eh se l'oggetto non è un oggetto macroscopico come una persona ma è un elettrone e se la barriera non è un muro ma è un un potenziale a livello subatomico Allora la funzione d'onda può materializzarsi dall'altra parte della barriera l'effetto tunnel è l'effetto per cui la funzione d'onda di un oggetto di un quanto si separa in due parti un pezzettino va dall'altra parte della barriera un pezzettino rimane da questa e questo vuol dire che c'è una certa probabilità calcolabile che può anche essere alta 50% 60% anche di più in certi casi che l'oggetto Superi la barriera vi viene chiamato effetto tunnel ma non c'è nessun tunnel è proprio la funzione d'onda che si divide in due parti quantistic questo fenomeno è perfettamente possibile È molto importante a livello atomico e subatomico via via come vi ho detto le cose più sono grosse meno la meccanica quantistica conta quindi a livello macroscopico l'effetto tunnel non esiste totalmente inesistente ma a livello microscopico questo fenomeno è assolutamente assolutamente Noto e anzi è usato anche per delle applicazioni Perché esiste uno strumento che si chiama microscopio ad effetto tunnel che utilizza gli elettroni che fanno tunnel fra una punta e il mezzo Materiale che si vuole osservare e con con questo con questo strumento si possono fare delle osservazioni su scala atomica di enorme precisione quindi l'effetto tunnel è un altro effetto assolutamente reale concreto perfettamente conosciuto e perfettamente compreso Ma che esiste solo su scala atomica quindi attenzione una volta ho insistito molto sul fatto che la meccanica quantistica tranne casi particolari è limitata al mondo microscopico quindi quello strano mondo esiste solo alla scala degli atomi quando andiamo su cose grandi come noi la meccanica quantistica di solito sparisce ho letto che nella meccanica quantistica una particella può essere in più stati fino a quando non viene misurata Ma come fa la misurazione a scegliere uno stato invece di un altro ottima domanda e la misurazione non fa nessuna scelta e la natura probabilistica intrinseca della meccanica quantistica che dice che c'è una certa probabilità di beccarne uno o una certa probabilità di beccarne un altro non c'è nessun modo di predire quale degli Stati possibili sarà trovato si può calcolare la probabilità di osservarli ognuno quindi non c'è nessuna scelta da parte di nessuno è la natura quantistica che fa sì che nel momento in cui io vado a osservare il quanto la grandezza che vado a osservare viene fissata e viene fissata a uno dei valori possibili ma nessuno può dire quali Allora leggiamo un'altra domanda c'è scritto cosa vedremmo se il nostro mondo macroscopico fosse regolato dalla meccanica quantistica diciamo Forse andrebbe riformulata la domanda Però è una domanda troppo filosofica credo che noi non potremmo esistere In un mondo che non è classico Nel senso che al alcuni dei fenomeni che chiamiamo classici sono essenziali per la nostra vita cioè non l'effetto tunnel se il sangue potesse fare tunnel attraverso la pelle uscire dalla pelle non sarebbe una bella cosa e così via cioè noi siamo oggetti macroscopici e l'evoluzione darwiniana ha sfruttato la fisica anche classica per arrivare a far evolvere diciamo macchine complesse come un essere umano quindi non so rispondere a questa domanda ma la cosa più naturale che mi viene da dire è che non potremmo esistere A livello di atomico Noi siamo oggetti macr scopici e il nostro il nostro funzionamento interno si fonda anche sul comportamento della materia macroscopica non solo della meccanica quantistica c'è un cartone animato che cerca di applicare la meccanica quantistica il famoso road runner in cui diciamo si vendono gli effetti tunnel sotto forma di adesivo Forse quello è un po' un modo un tentativo di di immaginare cosa possa accadere Ecco un altro Oh è arrivato il gatto bene lo aspettavo il gatto perché purtroppo il gatto di schreder Fatemi non posso usare le parole che vorrei usare Perché senò mi dicono e sono maleducato ma è una enorme sciocchezza nel senso che è proprio legato a quello che vi ho detto Erwin Schrodinger ha inventato l'equazione che porta il suo nome quando però la sua equazione è stata interpretata in termini probabilistici e non lo ha fatto lui l'ha fatto Max Born non l'ha presa bene perché rudinger era un fisico di straordinario valore Ma era un un tradizionalista era un classicista la natura probabilistica della della meccanica quantistica gli faceva letteralmente schifo e e non l'ha mai accettata il cosiddetto paradosso del gatto è stato un suo tentativo di dimostrare che questa interpretazione non sta in piedi e allora lui cosa ha detto io prendo un gatto lo metto nella scatola ci metto la boccetta di veleno poi collego il veleno a un dispositivo quantistico se nessuno va a osservare il gatto vuol dire che il gatto è in uno stato misto vivo o morto cosa che ovviamente è considerata una una cosa inaccettabile dal punto di vista concettuale l'errore di Schrodinger perché questo argomento è sbagliato Oggi possiamo dirlo è che il gatto non è un oggetto quantistico cioè il mondo macroscopico non segue le leggi della meccanica quantistica in quel senso per no Se io facessi quell'esercizio avrei una certa probabilità di ammazzare il gatto se la fialetta si rompe o oppure di non ammazzarlo se non si rompe ma non ci sarebbe sovrapposizione degli Stati Perché la sovrapposizione degli Stati per il gatto non non c'è quindi questa storia del gatto è sbagliata Bisognerebbe smettere di parlarne ma non ho speranze perché tutti parlano del gatto e pazienza Lasciate stare il gatto poveretto Peraltro non è il caso di fare l'esperimento Perché i gatti sono belli quindi non ma non non c'è nulla di è stato un paradosso storico che oggi è utilizzato molto male da Da cattiva divulgazione le onde di particelle le onde luce che rapporto hanno con le onde sonore e quindi con la musica no poco perché le onde sonore sono onde meccaniche cioè no io ho usato le onde del mare per spiegarvi il concetto di onda Però Uno potrebbe dire che le onde meccaniche sono comunque dei corpi che si muovono È vero Le onde del mare se io vado a vedere i singoli atomi gli atomi le molecole d'acqua che formano che stanno in mare si muovono quando passa un'onda quindi di per sé le onde luminose le onde quantistiche e le onde del mare non non hanno molto in se non se non il fatto che sono onde il legame fra onde in generale quindi tutte le onde e la musica esiste per perché naturalmente le note musicali sono particolari frequenze di vibrazione di un oggetto meccanico una una corda nel caso degli strumenti a corda l'aria dentro uno strumento a fiato che vibra uscendo da certi tubi fatti in un certo modo e o o la membrana di un tamburo e così via cioè viene nella musica lo strumento è un oggetto fisico che vibra a certe frequenze precise e produce dei suoni che se ehm in opportune condizioni sono sono gradevoli e formano quella che chiamiamo la musica quindi il legame c'è fra onde e musica Perché la musica è è profondamente un fenomeno ondulatorio cioè la nota è un fenomeno E peraltro diciamo gli accordi musicali hanno a che fare con l'interferenza perché ci sono corde a frequenza diversa che interferiscono uno con l'altra perché hanno delle armoniche in comune Chi conosce la musica queste cose le però diciamo non c'è una specificità delle onde quantistiche da questo punto di vista le onde sono tutte uguali Ecco non Ok un'altra domanda ci chiedono cosa ne pensava Einstein della meccanico quantistico e Einstein è un altro Einstein è stato probabilmente il più grande fisico della storia uno dei più grandi è stato da tanti punti di vista un rivoluzionario Però anche lui aveva un po' diciamo di di ritrosia e in particolare non ha mai accettato l'interpretazione probabilistica come Schrodinger non ha mai ingoiato la mancanza di determinismo a lui l'idea che la natura non una grandezza non abbia valore determinato ma possa avere valori diciamo probabilisticamente intrinsecamente non determinati non gli è mai piaciuta devo dire che pur essendo stato probabilmente il più grande fisico della storia oggi si può dire che che si è sbagliato perché ehm la natura probabilistica della luce e del e della meccanica quantistica è stata indagata come nient'altro perché proprio perché è un'idea controintuitiva più diciamo non c'è niente che è stato verificato così tanto sono state fatte letteralmente migliaia di esperienze le più disparate per cercare di dimostrare che Einstein avesse ragione quando dice che la natura deterministica non è corretta ma ma sono andate tutte male la meccanica quantistica finora ha vinto sempre Quindi ad oggi dobbiamo prendere atto che che gli esseri umani hanno dei limiti E che in quel caso Einstein si sia sbagliato poi magari un giorno questa visione verrà rivoltata però oggi oggi nessuno dubita della natura probabilistica della meccanica quantistica poi ci sono alcuni aspetti ma un po' diversi da quelli che ha sollevato Einstein anche se collegati in particolare per esempio il meccanismo preciso con cui si fa il passaggio dal microscopico al macroscopico quella che io ho chiamato la decoerenza è un fenomeno ancora un po' da capire sappiamo che avviene sperimentalmente Abbiamo ben chiaro che avviene una descrizione teorica precisa della decoerenza ancora adesso c'è solo in parte diciamo ci sono delle idee ci sono dei suggerimenti però è ancora un tema di ricerca però quasi nessuno direi dubita della natura probabilistica della meccanic quantistica Come si legano le frequenze delle onde con i colori Beh questo non è quantistico questo è classico il nostro occhio percepisce fotoni di frequenza diversa e la frequenza diversa è quello che chiamiamo colore ora poi c'è una certa differenza fra il colore intrinseco del fotone e il colore che vede l'occhio perché l'occhio Ha ha un funzionamento che diciamo è suo quindi il concetto di colore nel senso percettivo è un po' diverso dal concetto di colore nel senso fisico per esempio il marrone non esiste come colore fisico non esistono fotoni marroni il marrone è una risposta congiunta dell'occhio umano ha una Mistura di rosso e in bassa luminosità quindi un misto di rosso e nero gener al marrone e anche ins certi colori che sono mescolanza di altri colori non corrispondono a colori puri i colori puri sono il rosso il giallo l'arancione Il il il rosso l'arancione il giallo il verde l'azzurro il blu e e il viola gli altri colori sono mescolanze di questi F valori fondamentali e che l'occhio associa con un fenomeno che però è di natura biologica e neurop percettiva non fisica quindi ci vorrebbe un seminario Dedicato ai colori va bene direi chiudiamo la regia di mandare più domande e grazie mille per questo interessantissimo seminario AG giudicare dalla quantità delle domande sicuramente ha interessato molto anche dall'altro lato dello schermo e per gli altri vi ricordiamo che il prossimo seminario si terrà il 27 febbraio e sarà la musica un regalo Pitagorico del professor Francesco Scagliola del conservatorio di musica Nicolò Piccini di Bari grazie mille a tutti Grazie ancora Marco grazie Marco Arrivederci Grazie a tutti [Musica] Buongiorno buonasera a tutti Vi raccontiamo Com'è nato questo [Musica] progetto principalmente Abbiamo sicuramente la realizzazione dell non è facile per iniz del periodo che era essenziale mia [Musica] Eccoli Ce l'avete fatta a [Applauso] [Musica] [Applauso] [Musica] [Applauso] [Musica]