Quando e a quale scala dimensionale smettono di valere le leggi quantistiche nel mondo macroscopico?

 

L'universo quantistico, governato dalle leggi della meccanica quantistica, è fondamentalmente diverso da quello macroscopico che percepiamo nella vita quotidiana. Le leggi quantistiche descrivono fenomeni su scale estremamente piccole, come quella degli atomi e delle particelle subatomiche, ma una delle questioni più dibattute nella fisica moderna è a quale scala dimensionale smettono di valere queste leggi nel mondo macroscopico e in che modo avviene la transizione tra il mondo quantistico e quello classico.

Le leggi quantistiche e il mondo macroscopico

La meccanica quantistica si applica a particelle come elettroni, fotoni e altri oggetti di scala atomica o subatomica. Tra i principi fondamentali della meccanica quantistica troviamo la sovrapposizione (dove un oggetto può trovarsi in più stati contemporaneamente) e l'entanglement (dove due o più particelle possono essere istantaneamente collegate tra loro indipendentemente dalla loro distanza).

Questi fenomeni, tuttavia, non sembrano avere una controparte osservabile nel mondo macroscopico. Per esempio, non osserviamo oggetti di grandi dimensioni, come un gatto o una palla da calcio, trovarsi in stati di sovrapposizione come accade per gli elettroni. Un classico esempio di questa discrepanza è il paradosso del gatto di Schrödinger, in cui un gatto in una scatola potrebbe essere, secondo la meccanica quantistica, sia vivo che morto contemporaneamente fino a quando non si osserva la situazione.

Ma perché non vediamo questi effetti quantistici nel mondo macroscopico?

Il concetto di decoerenza

La spiegazione principale di questa apparente transizione dal mondo quantistico a quello classico è fornita dalla decoerenza quantistica. Questo fenomeno si verifica quando un sistema quantistico interagisce con l'ambiente circostante, perdendo le sue proprietà quantistiche come la sovrapposizione e l'entanglement.

In un ambiente macroscopico, ci sono molte più interazioni rispetto a quelle che accadono su scala microscopica. Ogni piccola interazione (per esempio, con altre particelle o radiazioni nell'ambiente) "disturba" il sistema quantistico e fa sì che esso si comporti in modo classico. Questa è una delle ragioni per cui le proprietà quantistiche non si manifestano a livello macroscopico.

La scala di transizione

Non esiste una scala rigida o un confine preciso in cui le leggi quantistiche cessano di funzionare. In realtà, le leggi quantistiche valgono sempre, ma ciò che cambia è la loro rilevanza man mano che aumenta la dimensione del sistema.

Si ritiene generalmente che la transizione dal comportamento quantistico a quello classico avvenga quando un sistema si avvicina alla scala di Planck, una scala di lunghezze estremamente piccola (~$1.616 \times 10^{-35}$ metri). Tuttavia, nel contesto di sistemi macroscopici, tale transizione può verificarsi già su scale molto più grandi, anche se comunque piccole rispetto alle dimensioni osservabili nella vita quotidiana. Ad esempio:

• Per sistemi di grandezza atomica o subatomica, come singoli atomi, molecole o elettroni, gli effetti quantistici sono dominanti.
• Man mano che si passa a sistemi più grandi, come nanoparticelle o molecole complesse, gli effetti quantistici diventano meno evidenti a causa della decoerenza.
• Su scale macroscopiche, come quella degli esseri umani o degli oggetti di uso quotidiano, la decoerenza avviene così rapidamente che gli effetti quantistici diventano praticamente inosservabili.

Alcuni esperimenti hanno cercato di spingere oltre questo confine. Ad esempio, esperimenti con buckyball (molecole di fullerene contenenti 60 atomi di carbonio) hanno mostrato fenomeni di interferenza quantistica, suggerendo che anche oggetti relativamente grandi possano manifestare proprietà quantistiche, ma solo in condizioni estremamente controllate.

La meccanica quantistica su scala macroscopica: casi speciali

Anche se la decoerenza rende il comportamento quantistico difficile da osservare nel mondo macroscopico, ci sono alcuni casi speciali in cui si osservano fenomeni quantistici su scala macroscopica. Un esempio è il superconduttore e il superfluido, entrambi stati della materia che emergono quando un numero enorme di particelle quantistiche agiscono all'unisono.

1. Superconduttori: In questi materiali, gli elettroni formano coppie (note come coppie di Cooper) che si comportano in modo quantistico su scala macroscopica, consentendo la conduzione di elettricità senza resistenza.

2. Superfluidi: Un liquido che, a temperature prossime allo zero assoluto, manifesta proprietà quantistiche su larga scala, come la capacità di fluire senza attrito.

Questi fenomeni dimostrano che, in determinate condizioni, gli effetti quantistici possono essere osservati anche su scala macroscopica. Tuttavia, tali condizioni sono eccezionali e difficili da replicare nella vita quotidiana.

Interpretazioni filosofiche e confini della teoria quantistica

Il punto in cui le leggi quantistiche si "interrompono" è anche una questione filosofica. Alcuni fisici ritengono che la meccanica quantistica sia una teoria completa, che descrive sia il mondo microscopico che quello macroscopico, e che la transizione tra i due sia semplicemente una questione di probabilità e statistica. Altri ritengono che ci sia un vero e proprio confine tra il mondo quantistico e quello classico, e che la meccanica quantistica debba essere integrata o sostituita da una teoria più ampia che includa entrambe le scale.

Le leggi quantistiche non smettono dunque di valere in modo netto nel mondo macroscopico, ma diventano meno rilevanti a causa della decoerenza. Non esiste una scala precisa in cui queste leggi cessano di applicarsi, ma gli effetti quantistici sono osservabili principalmente a livello microscopico, mentre su scale più grandi vengono mascherati dalle interazioni con l'ambiente.

La transizione tra il comportamento quantistico e quello classico è un fenomeno complesso, influenzato da variabili come la dimensione del sistema e le condizioni ambientali. Esperimenti su scala molecolare e su stati quantistici speciali come i superconduttori e i superfluidi mostrano che, in determinate condizioni, gli effetti quantistici possono essere osservati anche su scale macroscopiche.

Fonti:

1. Joos, E., et al. (2003). Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory. Springer.
2. Zeh, H. D. (1999). The Physical Basis of the Direction of Time. Springer.
3. Zurek, W. H. (2003). Decoherence, Einselection, and the Quantum Origins of the Classical. Reviews of Modern Physics, 75(3), 715.
4. Wikipedia: Decoherence
5. La Meccanica Quantistica è presente nelle Tecnologie che usiamo ogni giorno

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