Fisica classica e fisica moderna

Con l'avvento della meccanica quantistica, e di tutte le scoperte successive, si apre l'era di quella che viene detta fisica moderna, all'incirca agli inizi del ‘900. Con la fisica classica abbiamo a che fare con fenomeni macroscopici, con la fisica moderna allarghiamo il nostro campo fino a comprendere il livello microscopico, dove le leggi classiche non funzionano più e vengono sostituite dalle leggi quantistiche. Se stiamo al livello macroscopico le leggi quantistiche non funzionano e si torna di nuovo alle leggi classiche. Per microscopici si intendono quei fenomeni che avvengono a scala molto ridotta, in cui le dimensioni sono molecolari, atomiche, fino ad arrivare agli elementi costituitivi degli atomi e delle particelle sub-atomiche. La fisica classica funziona benissimo per moltissimi fenomeni ed i risultati ottenuti con le sue leggi sono stupefacenti: siamo andati nello spazio e sulla luna, possiamo prevedere fenomeni e descriverne altri in maniera precisa, più tantissimi altri esempi. Sempre parlando di scale diverse da quelle a cui siamo abituati, oltre al'immensamente piccolo, c'è l'immensamente grande: si apre la strada a quella branca della scienza nota come cosmologia, dove si studiano fenomeni che coinvolgono la nascita e l'evoluzione dell'universo e degli oggetti cosmici come le galassie, le stelle, i pianeti, più oggetti nuovi come i quasar, i buchi neri, le stelle di neutroni. Ma come enunciato da Ermete Trismegisto con la sua famosa "come in basso così in alto", sembra che ci sia una forte dipendenza delle sorti dell'universo dalle caratteristiche di una delle particelle più elusive, più difficili da rivelare proprio perché neutra, con massa nulla o molto piccola, che vedremo più avanti.

Max Planck

Agli inizi del ‘900 per spiegare alcuni fenomeni che con le leggi della fisica classica davano risultati errati, un geniale fisico, Max Planck, ricorse ad un artificio per giustificare il comportamento della radiazione del corpo nero. Se prendiamo un'ipotetica scatola nera, nera in modo che tutta la radiazione incidente, ovvero che la colpisce, viene assorbita, al contrario del bianco che riflette quasi tutta la radiazione (pensate alle case dei luoghi più caldi sono in genere bianche, d'estate ci vestiamo di colori chiari per stare più freschi, mentre i colori scuri si usano per stare più caldi), e da un lato pratichiamo una fenditura e mandiamo sempre radiazione verso la fenditura, tutta la radiazione che entra verrà assorbita dalle pareti del "corpo nero" che man mano si scalderà sempre di più, alzerà la sua temperatura e comincerà ad emettere a sua volta radiazione con una frequenza direttamente proporzionale[1] alla temperatura stessa, a cui corrisponde la frequenza della radiazione. Secondo le leggi della fisica classica (legge di Rayleigh-Jeans sulla radiazione) ad un certo punto si arriverebbe ad una divergenza[2], ed a valori molto bassi avremmo che la nostra scatola dovrebbe emettere comunque radiazione. La verifica sperimentale ci mostra invece un valore che dipende dalla temperatura: se è zero gradi Kelvin 0°K (in fisica in genere si usa indicare la temperatura in gradi Kelvin (K), dove lo zero è lo zero assoluto, che in gradi Celsius (C) corrisponde a -273,14ºC, mentre il nostro zero Celsius, temperatura di congelamento dell'acqua, diventa +273,14ºK) non si ha radiazione, ed al crescere della temperatura si ha una radiazione che dipende dalla frequenza.

Quanti

Come dicevo prima per spiegare questo Max Planck formulò una legge che introduceva l'idea che l'energia fosse quantizzata, ovvero che non si possono avere valori continui di energia, ma che questi valori corrispondono ad intervalli definiti e precisi. Ad esempio immaginiamo di ruotare la manopola del volume di uno stereo, man mano che la ruotiamo il volume di ascolto aumenta (è direttamente proporzionale alla rotazione) e possiamo regolarlo come più ci piace. Se invece il volume di ascolto fosse quantizzato avremo che mentre ruotiamo la manopola il volume aumenta a scatti, prima zero, poi molto basso, poi basso, medio, alto, senza valori intermedi. Planck inoltre, per sua stessa ammissione, disse che aveva introdotto dei valori quantizzati per l'energia come artificio per far tornare i conti. Con questa legge infatti i conti tornano con i risultati sperimentali. In seguito con la meccanica quantistica si fornirà l'apparato matematico ed anche la teoria per descrivere questo comportamento. Capita spesso in fisica e nelle scienze in generale di fare ipotesi per "far tornare i conti", e poi scoprire in seguito che l'ipotesi è veritiera. Da questo momento si apre il capitolo della fisica moderna.

Radiazione

Per radiazione molto in generale si intende il diffondere nello spazio intorno a sé qualcosa, che sia una campo (vedi Campo) o degli oggetti. Qui si parla di radiazione e per essere più precisi di radiazione elettromagnetica. Fino alla prima metà del 1800 si riteneva che elettricità e magnetismo fossero fenomeni separati. Con Oersted si ebbero le prime verifiche che invece sono strettamente uniti. Dovremo aspettare Maxwell per la formulazione delle leggi dell'elettromagnetismo, che, anche se non quantistiche, funzionano perfettamente. Maxwell fa un primo processo di unificazione in cui elettricità e magnetismo vengono uniti, e descrive tutto ciò con le quattro leggi. Quindi quando si parla di radiazione si parla degli effetti del campo elettromagnetico. Cosa si intende per campo lo spiegheremo più avanti. La cosa importante è imparare come descrivere le onde.

[1]Dire che qualcosa è direttamente proporzionale a qualcos'altro significa dire che se aumenta o questo provoca anche l'aumento corrispondente di ciò che è in relazione. Di quanto aumenta viene espresso dalla formula derivata dalla legge utilizzata: ovvero è "in proporzione". Se viceversa diminuisce allora si avrà la corrispondente diminuzione delle grandezze in relazione. Quando invece abbiamo qualcosa che è inversamente proporzionale allora abbiamo che ad un aumento corrisponde una diminuzione, e ovviamente ad una diminuzione otteniamo un aumento.

[2] Divergenza: quando una grandezza o il risultato di una formula o di una equazione tende all'infinito, ovvero vediamo che tende a valori sempre più elevati, si dice che la grandezza o la formula diverge. Se al contrario tende ad un valore finito si dice che converge.