Che cos'è il Principio di Indeterminazione di Heisenberg? - Chad Orzel

Guarda la lezione completa: http://ed.ted.com/lessons/what-is-the-heisenberg-uncertainty-principle-chad-orzel

Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg afferma che non si possono mai conoscere simultaneamente l'esatta posizione e l'esatta velocità di un oggetto. Perché no? Perché tutto nell'universo si comporta sia come una particella sia come un'onda contemporaneamente. Chad Orzel ci guida attraverso questo complesso concetto della fisica quantistica.

Lezione di Chad Orzel, animazione di Henrik Malmgren.

Il Principio di Indeterminazione di
Heisenberg è uno trai concetti

della fisica quantistica ad espandersi
nella generica cultura popolare

Dice che non si possono mai conoscere
simultaneamente la posizione esatta

e la velocità esatta di un oggetto
ed appare come una metafora per tutto,

dalla critica letteraria
ai commenti sportivi.

L'indeterminazione è spesso spiegata
come risultato di una misurazione

in cui l'atto di misurazione
della posizione di un oggetto

cambia la sua velocità,
o viceversa.

La vera origine è più profonda
e più strabiliante.

Il Principio di Indeterminazione esiste
perché tutto nell'universo

si comporta come una particella
e come un'onda contemporaneamente.

Nella meccanica quantistica,
la posizione esatta e la velocità esatta

di un oggetto non hanno senso.

Per capire ciò,

dobbiamo pensare a cosa significa agire
come una particella o come un'onda.

Le particelle, per definizione,
esistono in un unico puntto

in ogni istante nel tempo.

Possiamo rappresentare ciò
in un grafico

che mostra la probabilità di trovare
l'oggetto in un dato luogo

il che appare come un un picco,

al 100% in una posizione specifica
e zero da ogni altra parte.

Invece le onde sono perturbazioni
che si diffondono nello spazio

come le increspature sulla
superficie di un laghetto.

Identifichiamo chiaramente elementi
dello schema dell'onda
nella sua interezza,

soprattutto la sua lunghezza d'onda,

che è la distanza tra due
picchi adiacenti,

o due valli adiacenti.

Ma non possiamo assegnargli
una sola posizione.

Ha una buona probabilità di
trovarsi in molti punti diversi.

La lunghezza d'onda è essenziale
per la fisica quantistica:

la lunghezza d'onda di un oggetto
è collegata alla sua quantità di moto,

massa per velocità.

Un oggetto che si muove veloce ha
una grande quantità di moto,

il che corrisponde
a una lunghezza d'onda molto breve.

Un oggetto pesante ha
una grande quantità di moto

anche quando non si muove
molto velocemente,

il che implica, di nuovo, una
lunghezza d'onda molto breve

Ecco perché non notiamo la natura
ondulatoria degli oggetti quotidiani.

Se lanci una palla da baseball in aria,

la sua lunghezza d'onda
è un miliardesimo

di trilionesimo di trilionesimo
di metro,

decisamente troppo breve
per essere mai rilevato.

Invece le piccole cose, come gli atomi
o gli elettroni

possono avere lunghezze d'onda
grandi abbastanza

da essere misurate in
esperimenti di fisica.

Quindi, se abbiamo un'onda pura,
misuriamo la sua lunghezza d'onda,

e dunque la sua quantità di moto,
ma senza la sua posizione.

Possiamo conoscere esattamente
la posizione di una particella,

ma essa non ha una lunghezza d'onda,

quindi non possiamo conoscere
la sua quantità di moto.

Per avere sia la posizione sia la
quantità di moto di una particella

dobbiamo fondere le due immagini

per creare un grafico che ha le onde,
ma solo in una piccola area.

Come possiamo realizzarlo?

Combinando le onde
con le diverse lunghezze d'onda,

il che vuol dire
dare al nostro oggetto quantistico

la possibilità di avere
diverse quantità di moto.

Quando sommiamo due onde,
scopriamo che ci sono dei luoghi

dove i picchi si allineano,
creando un'onda più grande,

e altri luoghi dove i picchi di una
riempiono le le valli di un'altra.

Il risultato ha aree dove
vediamo delle onde

separate da aeree di vuoto assoluto.

Se aggiungiamo una terza onda,

le aree dove le onde si annullano
diventano più grandi,

con una quarta aumentano ancora,
e le aree con le onde si fanno più strette.

Se continuiamo ad aggiungere onde,
possiamo creare un pacchetto di onde

con una ben distinta lunghezza
d'onda in una piccola area

Questo è un oggetto quantistico con
una natura sia di onda sia di particella,

ma per ottenere ciò,
dobbiamo perdere la certezza

sia della posizione
sia della quantità di moto.

Le posizioni non sono riconducibili
ad un singolo punto.

C'è una buona probabilità di trovarle
all'interno di un qualche intervallo

dal centro del pacchetto d'onda

ed otteniamo il pacchetto d'onda
sommando molte onde,

il che vuol dire
che c'è la probabilità di trovarla

con la quantità di moto corrispondente
ad una di queste.

Sia la posizione sia la quantità di moto
sono ora indeterminate,

e le indeterminazioni
sono connesse

Se si vuole ridurre
l'indeterminazione della posizione

creando un pacchetto
d'onda più piccolo

bisogna aggiungere più onde,
il che vuol dire ingrandire

l'indeterminazione della quantità di moto.

Se si vuole conoscere meglio
la quantità di moto

si necessita di un
pacchetto d'onda più grande

che vuol dire aumentare
l'indeterminazione della posizione

Questo è il Principio di
Indeterminazione di Heisenberg

formulato per la prima volta dal fisico
tedesco Werner Heisenberg nel 1927.

Tale indeterminazione non dipende da una buona o da una cattiva misurazione,

ma è il risultato inevitabile
derivante dalla combinazione

della natura di
particella e di onda.

Il Principio di Indeterminazione non è
solo un limite pratico in misurazione.

E' un limite sulle proprietà
che un oggetto può avere,

insito nella struttura fondamentale
dell'universo stesso.