TELETRASPORTO QUANTISTICO: LA TEORIA

Il Teletrasporto Quantistico e' una tecnica di comunicazione che sfrutta alcuni aspetti peculiari della Meccanica Quantistica. Questa teoria fisica, il cui nome fu introdotto da Max Planck agli inizi del Novecento, descrive il comportamento della radiazione elettromagnetica, della materia e delle loro interazioni in particolare riguardo ai fenomeni che interessano le scale di lunghezze o di energie atomiche e subatomiche.

La Meccanica Quantistica si sviluppo' nella prima meta' del XX secolo a seguito dell'inconsistenza e dell'impossibilita' della Meccanica Classica di rappresentare la realta' sperimentale con particolare riferimento alla luce e all'elettrone. Secondo questa teoria, grandezze come energia o momento angolare, di alcuni sistemi fisici, possono variare in maniera discreta, ossia assumendo soltanto determinati valori detti “quanti”.

La Meccanica Quantistica si differenzia dalla Meccanica Classica per il fatto che in Meccanica Quantistica la radiazione elettromagnetica e la materia vengono entrambe descritte come un fenomeno ondulatorio ed allo stesso tempo come entita' particellari; mentre, in Meccanica Classica la luce e' descritta solo come un'onda e l'elettrone solo come una particella. Questa inaspettata e contro intuitiva proprieta', chiamata “dualismo onda-corpuscolo”, e' la principale ragione del fallimento di tutte le teorie classiche sviluppate fino al XIX secolo.

Vengono riportate di seguito alcune situazioni sperimentali in cui la Fisica Classica fallisce:

• Radiazione di Corpo Nero

• Effetto fotoelettrico

• Linee spettrali atomiche

• Proprieta' ondulatorie degli elettroni

A queste situazioni sperimentali le risposte fornite dalla Meccanica Quantistica sono:

• La Teoria di Planck dell'irraggiamento di un corpo nero:

  Max Planck trovo' che l'energia della radiazione emessa o assorbita da un corpo nero non fosse emessa e assorbita con continuita', ma in quantita' discrete o “quanti”. Il concetto fondamentale della sua teoria era basato sul fatto che ogni oscillatore elementare (gli elettroni all'interno dell'atomo) poteva scambiare energia con l'ambiente solo in forma di pacchetti di E = hʋ, dove h = 6,63×10^-34 J·s = 6,63x10^-27 erg·s e' la costante di Planck e ʋ e' la frequenza dell'oscillatore.

• La Spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico:

  Albert Einstein riconobbe per primo che la quantizzazione dell'energia della radiazione emessa o assorbita e' una proprieta' generale della radiazione elettromagnetica, pensando ad essa come ad un insieme di fotoni di energia E = hʋ.

• Il Modello di Bohr dell'atomo di idrogeno:

  Niels Bohr applico' le idee di Einstein, riguardanti la quantizzazione dell'energia, all'energia di un atomo e propose un modello dell'atomo di idrogeno che ebbe un successo spettacolare nei calcoli delle lunghezze d'onda della radiazione emessa dall'idrogeno.

• La Lunghezza d'onda di de Broglie:

  Louis de Broglie sostenne per primo la natura ondulatoria della materia.

DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO

NATURA ONDULATORIA e CORPUSCOLARE DELLA LUCE: la luce consiste di particelle o di onde; la sua natura dipende dal tipo di fenomeno osservato.

I piu' comuni fenomeni luminosi osservati, come: riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione, possono essere spiegati come fenomeni ondulatori. Tuttavia la luce, che di solito immaginiamo come un'onda, mostra anche proprieta' corpuscolari quando interagisce con la materia, come dimostrano l'effetto fotoelettrico e la diffusione Compton.

Schema riassuntivo

NATURA ONDULATORIA DELLA MATERIA: il dualismo onda-particella vale anche per gli elettroni e per la materia in generale. Gli elettroni, che di solito vengono considerati delle particelle, presentano anche proprieta' ondulatorie di interferenza e di diffrazione.

Fu Louis de Broglie, nel 1924, a sostenere che tutte le particelle avessero proprieta' ondulatorie. Egli affermo' che la lunghezza d'onda associata all'onda di materia fosse inversamente proporzionale alla massa “m” della particella ed alla sua velocita' “v”, sicche':

dove “h” e' la costante di Planck.

Il prodotto della massa per la velocita' prende il nome di “quantita' di moto” della particella e si indica con la lettera “p”. Dunque, la precedente equazione si puo' riformulare nel seguente modo:

questa e' la “relazione di de Broglie”.

Il carattere ondulatorio della materia fu dimostrato con la diffrazione di un fascio di elettroni. L'esperimento fu effettuato per la prima volta nel 1925 da due scienziati americani, Clinton Davisson e Lester Germer, i quali inviarono un fascio di elettroni veloci contro un cristallo isolato di nichel. La disposizione regolare degli atomi all'interno del cristallo, agendo come un reticolo in grado di diffrangere le onde, permise agli scienziati di osservare proprio un'immagine di diffrazione.

George Paget Thomson, nel 1927, operando ad Aberdeen in Scozia, dimostro' che un fascio di elettroni produceva un'immagine di diffrazione anche attraversando una lamina sottile d'oro, come mostrato in figura:

Dunque, anche l'elettrone, come il fotone, rivela una doppia faccia. Esso non e' una tranquilla particella classica, ma puo' avere comportamenti ondulatori rilevabili. La lunghezza d'onda ad esso associata e' inversamente proporzionale alla sua quantita' di moto.

La “relazione di de Broglie” e' valida anche per i fotoni:

λ = c/ʋ = hc/hʋ = hc/E = h/(E/c) = h/p

Infatti, il legame tra la quantita' di moto di un fotone e la sua energia e' dato dalla relazione: p = E/c.

In definitiva: “tutti i portatori di quantita' di moto e di energia, come gli elettroni, gli atomi, la luce, il suono, etc., hanno entrambe le caratteristiche, quella corpuscolare e quella ondulatoria”.

MECCANICA CLASSICA E MECCANICA QUANTISTICA A CONFRONTO

• La Meccanica Classica e' una teoria fisica di natura deterministica. Vige il principio di causalita': secondo la Meccanica Classica, grazie alle scoperte di Newton e di Galileo Galilei, se si conoscono le proprieta' di un corpo (massa, forma, etc.), le sue condizioni iniziali di moto (posizione, velocita', etc.) e le condizioni esterne (campi di forze, etc.), e' possibile determinare, in modo esatto, il comportamento del corpo istante per istante. Dunque, nell'ambito della Meccanica Classica vige il principio di causalita', ossia, in natura, nulla avviene per caso, ma ogni evento e' determinato da una causa ben precisa.

• La Meccanica Quantistica e' una teoria fisica di natura probabilistica. Si basa sul concetto di probabilita' ed osservazione: ad esempio, se si vuole sapere con precisione la posizione di un elettrone in un atomo, non ne potremo mai conoscere la velocita' e viceversa. Il famoso esempio del gatto di Schrödinger chiarisce il carattere della Meccanica Quantistica:

in questo esempio, un gatto e' chiuso in una scatola, nella quale vi e' un macchinario collegato ad una boccetta contenente del veleno. Il macchinario si avvia quando un elemento radioattivo decade e rompe la boccetta di veleno. Dall'esterno, il gatto, dentro la scatola, puo' essere vivo o morto, in quanto non si sa se l'elemento radioattivo sia decaduto oppure no.

Per la Meccanica Quantistica, il gatto e' sia vivo che morto, si dice che esso e' in una sovrapposizione di stati: stato “vivo” e stato “morto”. Soltanto la fase di osservazione congela lo stato del gatto, determinandone la sorte.

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