Max Planck e la Teoria dei Quanti: la rivoluzione scientifica nata per caso

Alla fine del 1800, la fisica sembrava una disciplina quasi completa. Gli scienziati erano convinti che le leggi di Newton per la meccanica e le equazioni di Maxwell per l’elettromagnetismo fossero ormai in grado di spiegare ogni fenomeno dell'universo.

Eppure rimanevano aperti ancora alcuni problemi irrisolti che venivano considerati semplici dettagli da limare. Uno di questi misteri era legato al modo in cui gli oggetti emettono calore e luce. Questo enigma avrebbe finito per scardinare l'intera impalcatura della conoscenza umana, dividendo la fisica in due: Fisica Classica e Meccanica Quantistica.

Due mondi, entrambi validi e comprovati, che ancora oggi non riescono a fondersi in una unica scienza, con una "Teoria del Tutto" che ancora fatica a concretizzarsi.

L’uomo della "costante", tra musica e vette alpine

Max Planck era lo scienziato prussiano modello, caratterizzato da un approccio metodico, conservatore e profondamente devoto alla ricerca della verità assoluta che, paradossalmente, non amava i cambiamenti radicali. Oltre alla fisica, la sua vita era dedicata alla musica, infatti era un pianista di eccezionale talento.

Oltre al pianoforte, Planck coltivava una vera e propria passione per la montagna, portandolo a scalare vette alpine fino e oltre l'età di 80 anni.

L'ossessione del corpo nero e l’atto di disperazione

La radiazione di corpo nero per l'epoca era un vero e proprio mistero senza apparente soluzione. Per molti scienziati questo problema era diventata un'ossessione. Chiunque l'avesse risolto, avrebbe finalmente chiuso il cerchio trovando l'anello mancante della fisica.

Un corpo nero è un oggetto ideale, teorico, una sorta di cavità che assorbe tutta la radiazione che lo colpisce e che, quando viene riscaldato, emette energia sotto forma di luce (radiazione). Secondo le leggi della fisica classica il risultato teorico sarebbe stato assurdo, generando la cosiddetta "catastrofe ultravioletta", secondo cui un oggetto riscaldato avrebbe dovuto emettere una quantità infinita di energia alle alte frequenze.

Ma questo non accadeva nella realtà, era evidente che nella fisica di allora mancasse un tassello fondamentale. Un oggetto riscaldato, come ad esempio un pezzo di ferro, finiva per emettere calore e poi luce rossa, via via più intensa e chiara fino ad una intensa luce bianca, senza nulla di catastrofico.

Per avvicinare la teoria ai dati sperimentali, introdusse un’ipotesi che scardinava secoli di certezze: l’energia non viene emessa in modo continuo, come un flusso costante, ma in pacchetti separati e indivisibili.

Un'ipotesi bizzarra, assurda, "un abile trucco senza futuro"

L'idea di Planck fu inizialmente accolta dalla comunità scientifica con molta freddezza, dovuta anche al fatto che lo stesso Planck non ne era convinto. All'epoca c'era il dogma della continuità, riassunto nel celebre detto latino Natura non facit saltus (la natura non fa salti).

Per anni gli scienziati non ne capirono il potenziale, piuttosto la considerarono un abile espediente matematico, un "trucco" contabile per far quadrare i calcoli sulla radiazione, piuttosto che una possibile descrizione della natura.

Finché, nel 1905, un giovane e quasi sconosciuto Albert Einstein decise di prendere sul serio la bizzarra idea di Planck.

L’equazione che Einstein prese sul serio

Planck chiamò questi pacchetti "quanti" e propose che l’energia di ogni quanto fosse legata alla sua frequenza, attraverso una costante di proporzionalità che oggi porta il suo nome. L’equazione, E = hf, stabilisce che l’energia viene emessa ed assorbita in pacchetti precisi, quantizzata. La realtà dell'infinitesamente piccolo è simile a una scala dove ci si può fermare solo su scalini separati e mai nello spazio intermedio.

Einstein intuì che i quanti non erano solo un modo in cui la materia scambiava energia, ma che la luce stessa era composta da questi pacchetti: i fotoni. Fu l'applicazione pratica all'effetto fotoelettrico (alla base della tecnologia del fotovoltaico), che gli valse il Premio Nobel, a dimostrare che la teoria di Planck non era un semplice artificio matematico, ma una descrizione della struttura fondamentale della realtà, di energia e materia.

Nel 1913, Niels Bohr utilizzò l'idea dei pacchetti di energia per spiegare la struttura dell'atomo e i livelli orbitali degli elettroni, segnando definitivamente il passaggio da ipotesi disperata a pietra angolare di una nuova scienza, sancendo il passaggio dal mondo del continuo a quello del quantizzato.

Lo stato attuale e il futuro della ricerca: le frontiere irrisolte

Oggi la meccanica quantistica costituisce la base tecnologica della nostra civiltà: dai transistor dei computer ai laser, dalle memorie flash alle macchine per la risonanza magnetica. La teniamo ogni giorno nelle nostre tasche, attraverso gli smartphone. Attualmente si studiano fenomeni come l’entanglement e la sovrapposizione, da applicare nei computer quantistici, capaci di risolvere calcoli altrimenti impossibili.

Tuttavia uno dei problemi da superare è l'incompatibilità con l'altrettanto provata e utilizzata "Teoria della Relatività Generale" di Einstein. Mentre la prima spiega perfettamente il mondo del piccolissimo, la seconda domina il mondo delle galassie e della gravità.

La ricerca si concentrerà ulteriormente sulla scoperta di una teoria della gravità quantistica che possa finalmente unificare tutte le forze della natura, cercando anche di svelare dove, quando e come avvenga il passaggio dal mondo probabilistico dei quanti, al mondo concreto e continuo reale, quello macroscopico.

E' probabile che la meccanica quantistica sarà fondamentale anche per spiegare la materia oscura e l'energia oscura, che compongono il 95% dell’universo, ma di cui ignoriamo ancora la natura.