Heisenberg: appare l'incertezza

Heisenberg: appare l'incertezza

Nel 1927 il fisico tedesco Werner Heisenberg formulò uno dei principi fondamentali della fisica quantistica. Tale principio è una diretta conseguenza della definizione stessa di fisica, in quanto scienza che studia tutto ciò che può essere misurato.

In fisica classica si è sempre pensato che la precisione dei dati fisici dipendesse esclusivamente dalla precisione degli strumenti di misura e dai metodi di misurazione; ma a differenza di quanto accade su scala umana, se si cerca di misurare con precisione le grandezze necessarie alla descrizione del moto di un corpo a livello microscopico esiste un margine di imprecisione dovuto alla perturbazione che il sistema subisce a causa dell'atto stesso della misurazione. Infatti per misurare una quantità fisica è necessario renderla percepibile allo strumento di misura, ma per far ciò è indispensabile investirla con un qualche tipo di radiazione.

Per capire si immagini di voler determinare la posizione di un elettrone mediante irraggiamento con fotoni: per essere individuato l'elettrone deve essere colpito da un fotone che venga deviato verso l'osservatore; tuttavia il fotone interagendo con l'elettrone gli trasmette dell'energia, modificandone direzione e velocità: la quantità di moto dell'elettrone diventa così indeterminata.

Per ovviare a questo inconveniente si può utilizzare un fotone a bassa energia; tuttavia esso possiede una l così grande da rendere impossibile la determinazione della posizione.

Non è quindi possibile conoscere con precisione dove si trova l'elettrone senza impartirgli una quantità di moto indeterminata.

Questa situazione è descritta dalla prima forma del principio di indeterminazione:

La costante di Dirac, o costante ridotta di Planck, è ћ = h/2π, dove h indica la costante di Planck.

Il valore di ћ è 1,054 x.

Pertanto tanto più è accurata la misura di x, tanto più grande è l'imprecisione di p.

Esiste dunque un limite legato ad h al di sotto del quale non possiamo osservare la realtà, non per incapacità nostra, bensì per la stessa proprietà ondulatoria della materia.

Esiste un espediente a noi molto familiare che può far ben comprendere cosa significhi tale principio: quando si scatta una foto di un oggetto in movimento si deve effettuare una scelta

 

La prima foto ritrae le palle da biliardo in un istante, esse sono ben definite, ma ferme: è infatti persa ogni informazione riguardo al loro stato di moto.

Nella seconda immagine invece si vede benissimo il moto delle sfere, ma ciò comporta la perdita dei dettagli e non vi è pertanto una fedele rappresentazione degli oggetti.

Anche una pallina da biliardo, illuminata per essere osservata, riceve una quantità di moto p dal fascio di luce che è però irrilevante: essendo h molto piccola, per oggetti macroscopici la fisica quantistica dà risultati in perfetto accordo con la fisica classica.

Esiste poi una seconda forma del principio di indeterminazione che riguarda l'incertezza sul tempo Dt e quella sulla misura dell'energia DE :

ossia più breve è la misura, maggiore è l'imprecisione del valore di E; viceversa per conoscere in un istante t molto piccolo il comportamento del sistema fisico vi si devono impartire grandi quantità di energia, cosicché alla fine l'energia del sistema stesso è indeterminata.