La teoria quantistica è la base teorica della fisica moderna che spiega la natura e il comportamento della materia e dell'energia a livello atomico e subatomico. La natura e il comportamento della materia e dell'energia a quel livello vengono talvolta definiti fisica quantistica e meccanica quantistica. Organizzazioni in diversi paesi hanno dedicato risorse significative allo sviluppo del calcolo quantistico, che utilizza la teoria quantistica per migliorare drasticamente le capacità di calcolo oltre ciò che è possibile utilizzando i computer classici di oggi.
Nel 1900, il fisico Max Planck presentò la sua teoria quantistica alla German Physical Society. Planck aveva cercato di scoprire il motivo per cui la radiazione proveniente da un corpo luminoso cambia di colore da rosso, ad arancione e, infine, a blu con l'aumentare della temperatura. Ha scoperto che assumendo che l'energia esistesse nelle singole unità allo stesso modo della materia, piuttosto che come un'onda elettromagnetica costante - come era stato precedentemente ipotizzato - ed era quindi quantificabile, poteva trovare la risposta alla sua domanda. L'esistenza di queste unità divenne il primo presupposto della teoria quantistica.
Planck ha scritto un'equazione matematica che coinvolge una figura per rappresentare queste singole unità di energia, che ha chiamato Quanta. L'equazione spiegava molto bene il fenomeno; Planck ha scoperto che a determinati livelli di temperatura discreti (multipli esatti di un valore minimo di base), l'energia di un corpo luminoso occuperà aree diverse dello spettro dei colori. Planck pensava che ci fosse una teoria che doveva ancora emergere dalla scoperta dei quanti, ma, in realtà, la loro stessa esistenza implicava una comprensione completamente nuova e fondamentale delle leggi della natura. Planck vinse il Premio Nobel per la fisica per la sua teoria nel 1918, ma gli sviluppi di vari scienziati in un periodo di trent'anni contribuirono tutti alla comprensione moderna della teoria quantistica.
Lo sviluppo della teoria quantistica
- Nel 1900, Planck ipotizzò che l'energia fosse composta da singole unità, o quanti.
- Nel 1905, Albert Einstein teorizzò che non solo l'energia, ma la radiazione stessa lo era quantizzato Allo stesso modo.
- Nel 1924, Louis de Broglie propose che non vi fosse alcuna differenza fondamentale nella costituzione e nel comportamento dell'energia e della materia; a livello atomico e subatomico possono comportarsi come se fossero costituiti da particelle o onde. Questa teoria divenne nota come principio della dualità onda-particella: le particelle elementari di energia e materia si comportano, a seconda delle condizioni, come particelle o onde.
- Nel 1927, Werner Heisenberg propose che la misurazione precisa e simultanea di due valori complementari, come la posizione e la quantità di moto di una particella subatomica, fosse impossibile. Contrariamente ai principi della fisica classica, la loro misurazione simultanea è inevitabilmente imperfetta; quanto più precisamente viene misurato un valore, tanto più difettosa sarà la misurazione dell'altro valore. Questa teoria divenne nota come il principio di indeterminazione, che spinse il famoso commento di Albert Einstein, "Dio non gioca a dadi".
L'interpretazione di Copenaghen e la teoria dei molti mondi
Le due principali interpretazioni delle implicazioni della teoria quantistica per la natura della realtà sono l'interpretazione di Copenaghen e la teoria dei molti mondi. Niels Bohr ha proposto l'interpretazione di Copenhagen della teoria quantistica, che afferma che una particella è qualunque cosa sia misurata (per esempio, un'onda o una particella), ma che non si può presumere che abbia proprietà specifiche, o addirittura che esista, fino a quando è misurato. In breve, Bohr stava dicendo che la realtà oggettiva non esiste. Questo si traduce in un principio chiamato sovrapposizione che afferma che mentre non sappiamo quale sia lo stato di qualsiasi oggetto, in realtà è in tutti gli stati possibili contemporaneamente, a patto che non cerchiamo di controllare.
Per illustrare questa teoria, possiamo usare la famosa e un po 'crudele analogia del gatto di Schrödinger. Per prima cosa, abbiamo un gatto vivente e lo mettiamo in una spessa scatola di piombo. In questa fase, non c'è dubbio che il gatto sia vivo. Quindi gettiamo una fiala di cianuro e sigilliamo la scatola. Non sappiamo se il gatto è vivo o se la capsula di cianuro si è rotta e il gatto è morto. Poiché non lo sappiamo, il gatto è sia vivo che morto, secondo la legge quantistica - in una sovrapposizione di stati. È solo quando apriamo la scatola e vediamo in quale condizione è il gatto che la sovrapposizione si perde e il gatto deve essere vivo o morto.
La seconda interpretazione della teoria quantistica è la molti mondi (o multiverso teoria. Sostiene che non appena esiste un potenziale per qualsiasi oggetto di essere in qualsiasi stato, l'universo di quell'oggetto si trasmuta in una serie di universi paralleli pari al numero di stati possibili in cui l'oggetto può esistere, con ogni universo contenente un unico stato possibile singolo di quell'oggetto. Inoltre, esiste un meccanismo di interazione tra questi universi che in qualche modo consente a tutti gli stati di essere accessibili in qualche modo e di influenzare in qualche modo tutti gli stati possibili. Stephen Hawking e il compianto Richard Feynman sono tra gli scienziati che hanno espresso una preferenza per la teoria dei molti mondi.
L'influenza della teoria quantistica
Sebbene gli scienziati nel corso dell'ultimo secolo si siano opposti alle implicazioni della teoria quantistica - Planck ed Einstein tra loro - i principi della teoria sono stati ripetutamente supportati dalla sperimentazione, anche quando gli scienziati stavano cercando di confutarli. La teoria quantistica e la teoria della relatività di Einstein costituiscono la base della fisica moderna. I principi della fisica quantistica vengono applicati in un numero crescente di aree, tra cui l'ottica quantistica, la chimica quantistica, l'informatica quantistica e la crittografia quantistica.