la costante di Planck

 

Cari amici di fb continuiamo con la fisica quantistica

Visto che nel prossimo futuro la fisica quantistica diventerà sempre più presente nel dominio dell’informatica e quindi nel sempre più complesso mondo dell’informazione e della tecnica, è bene conoscerne almeno i principi basilari e gli scienziati protagonisti che con le loro intuizioni hanno aperto il cammino verso questa disciplina ancora per gran parte sconosciuta ma piena di straordinarie possibilità. Questo episodio è un po’ più pesante di quello precedente. D’altra parte queste cose sono note da cento anni nel mondo accademico, è ora di fare un piccolo sforzo per capirle anche noi.

La costante di Plank

Recentemente abbiamo parlato di Heisemberg e il suo principio di indeterminazione. Oggi parliamo di Karl Max Planck.

Planck è l’inventore della fisica quantistica e la sua costante è alla base dei calcoli per conoscere l’energia delle particelle sub atomiche.

Max Planck nasce un Germania nel 1858 a Kiel (Mar Baltico) è un fisico teorico che si occupa di termo dinamica Thermos/calore - Dinamica: dynamos/movimento quindi movimento dovuto al calore. La terra è un gigantesco motore termo dinamico. Il sole scalda il mare, l’acqua evapora formando una corrente ascensionale. Evaporando si raffredda. Raffreddandosi si condensa e dopo una breve permanenza nelle nuvole cade sotto forma di pioggia e via di nuovo. Ci sarebbero tante altre cose da dire sul sistema termo dinamico terrestre e tutte le scelleratezze che stiamo compiendo contro di lui, ma adesso occupiamoci di Planck.

Planck proviene da una famiglia di religione luterana molto acculturata.  Il nonno era stato allievo di Leibniz, il padre docente di giurisprudenza, lo zio un giurista.

 Planck è uno studente modello e diventerà un professore modello quando insegnerà la termo dinamica all’università di Berlino.

Il motivo per cui in Germania all’inizio del 1900 ci sia tanto interesse per la termo dinamica è semplice. In quel periodo l’Inghilterra e l’America erano all’avanguardia nella progettazione e la costruzione di lampadine. I graziosi globi di vetro stavano soppiantando velocemente le maleodoranti lampade a petrolio. Ancora oggi nelle nostre case abbiamo ancora qualcuna di queste lampade ad incandescenza: quelle che il filamento all’interno attraversato dalla corrente diventa bianco e oltre a fare luce scaldano come stufette. Quindi ai ricercatori tedeschi viene chiesto di studiare il fenomeno della propagazione del calore e arrivare a competere con gli inglesi e gli americani sulla produzione di filamenti per lampadine. Sappiamo ma, si sapeva già all’epoca che il calore è un’onda elettromagnetica. Se avviciniamo un dito al ferro da

 

 

stiro anche senza toccarlo ne sentiamo il calore. Quindi il calore si propaga come un’onda e come tale va studiata per valutare i suoi effetti sul filamento della lampadina.  In questa ottica a Planck viene chiesto di studiare il: corpo nero. Cos’è?

Se noi mettiamo un pezzo di ferro al sole verniciato di bianco, vedremo che si scalderà però una parte delle onde elettromagnetiche (raggi) del sole verranno riflesse e si perderanno nell’ambiente. Se noi il pezzo di ferro lo verniciamo di nero il calore accumulato da esso sarà molto di più. Lo sa bene chi possiede una macchina nera. Se poi il nero invece di essere lucido sarà opaco il calore accumulato aumenterà ancora. Il corpo nero quindi è un corpo che è talmente opaco da acchiappare senza disperderne nessuna tutte le onde elettromagnetiche che gli verranno trasmesse da una sorgente di calore.  Così esso diviene il modello ideale per comparare tutte le altre distribuzioni di calore compreso quello nel filamento di una lampadina. 

Nelle equazioni che Planck sviluppa per spiegare il fenomeno della distribuzione del calore nel corpo nero, c’è qualcosa che non torna. Lo scienziato non se ne capacita. Fa più volte i calcoli ma ottiene sempre lo stesso risultato. L’energia del calore passando per esempio dal valore 1 al valore 2 dovrebbe assumere tutti gli infiniti valori decimali: 1,1/1,2/ 1,3/ 1,4/1,5/1,6/1,7/1,8/1,9/2 ecc.

 

Così dice la fisica classica. Se io metto sul gas l’acqua della pasta la sua temperatura salirà da 20 C° 30C° 40C° 50C° fino a raggiungere l’ebollizione a 100C°. Quello che però è vero nella pratica comune non è vero a livello sub atomico.

Sul suggerimento di un suo amico fisico, Planck rifà le equazioni supponendo che l’energia calorica per passare da 1 a 2 non percorra i valori decimali intermedi ma salti direttamente da 1 a 2. Eureka! Così le equazioni tornano. Non ci crede nemmeno lui ed è titubante ad informare gli altri scienziati della sua scoperta. Per capire il fenomeno si

possono fare degli esempi. Se io guardo una chiesa da lontano vedo la sua architettura e ne apprezzo grandezza. Però se mi avvicino scopro che le mura sono fatte da mattoncini. Tutti uguali, minuscoli, però aggregati ordinatamente costituiscono la chiesa.

Lo schermo del nostro televisore? Vediamo scorrere le immagini che rappresentano qualsiasi cosa che viene trasmessa però ogni immagine è fatta da migliaia di led: puntini luminosi che si illuminano dietro lo schermo e formano la figura.

La fisica quantistica dice proprio così: la materia non è solida né compatta ma a livello atomico è composta da miliardi e miliardi di quanti (componenti elementari) sempre in movimento che si aggregano prima in atomi poi in molecole e infine diventano la cosa

 

che noi vediamo e tocchiamo.  Il quanto (la parola deriva da latino quantum che significa piccolissima quantità) fu utilizzata da Planck per definire la quantità minima di energia sotto la quale è impossibile scendere. La fisica quantistica quindi non soggiace alle stesse regole della fisica classica newtoniana.

Se uno ti dà un pugno sul naso per la fisica classica il naso si rompe e sanguina. Per la fisica quantistica invece no: miliardi di cellule composte da miliardi di atomi e da miliardi di particelle sub atomiche, attraversate dall’energia del pugno, alterano lo stato di quiete dei quanti ma i quanti rimangono gli stessi come i mattoncini della chiesa. Quindi a livello quantistico il pugno è solo un tuo punto di vista. D’altra parte se tu reagisci e restituisci il pugno il tuo naso non guarisce. (Implicazione filosofica sulla quale in futuro bisognerà tornare)

Continuiamo! La fisica quantistica è già entrata pesantemente nelle applicazioni pratiche come la diagnostica, i computer quantici, la chiavette USB, pannelli fotovoltaici, intelligenza artificiale ecc. ecc. Si prevede che nel prossimo futuro essa sarà sempre più presente in tutte quelle attività che prevedono l’utilizzo delle particelle elementari. Però non siamo ancora in grado di prevederne tutte le implicazioni poiché se ne scoprono giorno dopo giorno. Volendo essere ottimisti possiamo condividere la frase che un famoso cardinale appena nominato pronunciò mentre era in attesa che la curia gli assegnasse una governante:

“Speriamo che Dio ce la mandi buona!”

Per i più esigenti ecco la formula della costante di Planck:

Energia del mattoncino =h x f (joule al secondo). E è l’energia del sistema, (h è la costante di Planck = 6,6 x 10 -34, f è la frequenza dell’oscillazione della corrente.

Gianfranco Liberati