La fisica della vita: La nuova scienza della biologia quantistica by Jim Al-Khalili

autore:Jim Al-Khalili [Al-Khalili, Jim]
La lingua: ita
Format: epub
Tags: Science & Math, Foreign Languages, Italian, Sciences & Technology, Scienza
Amazon: B00ZPCM4HK
editore: Bollati Boringhieri
pubblicato: 2015-08-26T22:00:00+00:00

Spin quantistico e azioni misteriose

Molti testi sulla meccanica quantistica usano il concetto di spin per mettere in luce la stranezza del mondo subatomico. Noi abbiamo scelto di non farlo finora, semplicemente perché probabilmente si tratta del concetto più difficile da descrivere usando solo il linguaggio di tutti i giorni. Ma ora non possiamo più procrastinare, e quindi eccolo qui.

Così come la Terra gira sul suo asse e orbita attorno al Sole, gli elettroni hanno una proprietà chiamata spin,19 che è diversa dal loro moto normale. Come abbiamo suggerito nel capitolo 1, lo spin quantistico non si può visualizzare basandosi sull’esperienza quotidiana degli oggetti in rotazione, come possono essere le palle da tennis o i pianeti. Tanto per cominciare, non ha molto senso parlare della velocità di rotazione di un elettrone, perché lo spin può avere solo uno di due possibili valori: è quantizzato, proprio come l’energia a livello subatomico. Gli elettroni possono solo (in qualche senso) girare in direzione oraria o antioraria, corrispondenti a ciò che solitamente si chiamano gli stati di «spin su» o «spin giù». E siccome questo è il mondo quantistico, un elettrone può anche, quando non lo guardiamo, girare in entrambe le direzioni contemporaneamente. Diciamo che il suo stato di spin è in sovrapposizione (cioè in combinazione) di su e giù. In un certo senso questo è ancora più strano che dire che un elettrone può stare in due luoghi contemporaneamente: come può un solo elettrone girare sia in senso orario sia antiorario, e nello stesso momento?

Tanto per sottolineare quanto sia controintuitivo il concetto di spin quantistico, aggiungiamo che una rotazione di 360° non riporta un elettrone nel suo stato originale: per farlo, ci vogliono due intere rotazioni. Sembra molto bizzarro, perché tendiamo a visualizzare un elettrone come una minuscola sfera, magari una piccolissima palla da tennis. Ma le palle da tennis vivono nel mondo macroscopico, mentre gli elettroni vivono nel mondo subatomico quantistico, dove le regole sono diverse. Di fatto gli elettroni non solo non sono minuscole sfere, ma non si può nemmeno dire che abbiano una dimensione. Quindi, mentre lo spin quantistico è tanto reale quanto la rotazione di una palla da tennis, non ha però alcuna controparte nel mondo familiare di tutti i giorni, e non si può visualizzare.

Tuttavia non si deve pensare che sia solo un concetto matematico astratto, presente solo nei libri di testo e in incomprensibili lezioni di fisica. Ogni elettrone del nostro corpo, e in qualunque altro posto dell’universo, possiede la peculiare caratteristica dello spin. Senza lo spin il mondo come lo conosciamo, inclusi noi stessi, semplicemente non esisterebbe, perché lo spin quantistico gioca un ruolo chiave in una delle leggi più importanti della scienza, cioè il principio di esclusione di Pauli, sul quale si basa tutta la chimica conosciuta.

Una delle conseguenze del principio di esclusione di Pauli è che due elettroni accoppiati in un atomo, o in una molecola, con la stessa energia (ricorderete dal capitolo 3 come i legami chimici che tengono insieme le molecole sono fatti di elettroni in comune tra gli atomi), devono avere spin opposto.

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