Introduzione alla Fisica Quantistica

I fenomeni quantistici sono parte fondamentale della Fisica e, perciò stesso, della cultura del XX secolo e le implicazioni concettuali e le applicazioni concrete della fisica moderna sono di importanza così grande per la società[1] che ormai sono in molti a sostenere la necessità di una adeguata presentazione della Fisica Moderna nella Scuola Superiore. Inoltre analisi recenti mostrano che gli studenti sono affascinati da argomenti di relatività o di fisica delle particelle o di astrofisica, più di quanto non lo siano, in generale, dalla fisica classica.

Le proposte sviluppate nell'ambito del progetto SeCiF sulla fisica quantistica sono rivolte principalmente alla formazione di insegnanti di Fisica della Scuola Secondaria Superiore, in particolare nei corsi dell'indirizzo Fisico-Informatico-Matematico delle Scuole di Specializzazione per l'Insegnamento Secondario (SSIS), ma possono essere vantaggiosamente utilizzate anche da studenti particolarmente interessati di Scuola Secondaria, e da tutti quei fisici che vogliono ripensare in modo diverso ai concetti fondamentali della Fisica Quantistica.

Tali proposte sono strutturate in tre percorsi didattici dedicati alla Meccanica Quantistica e un percorso sul tema delle Radiazioni Ionizzanti.

I tre percorsi proposti in SeciF differiscono per impostazione concettuale ma sono simili per la metodologia adottata. Tutti partono infatti dall’analisi di un determinato contesto fenomenologico per approdare alla sua spiegazione attraverso attività di laboratorio di vario tipo e attività di modellizzazione a diversi livelli di formalizzazione. Contengono indicazioni particolareggiate per le attività didattiche a diversi livelli e forniscono materiali relativi alle sperimentazioni delle proposte. Particolarmente significativo nelle tre proposte è il ricorso e l’integrazione di tecnologie informatiche. E’ noto infatti che la meccanica quantistica è profondamente diversa dalla meccanica classica per l’impostazione concettuale di fondo: non è semplicemente l’estrapolazione della meccanica classica a oggetti estremamente piccoli e non si può arrivare a comprenderne il significato con un semplice aggiustamento dei concetti di base della meccanica classica, ma occorre un cambiamento radicale nel modo di vedere, descrivere, calcolare, misurare, ecc. Nelle tre proposte di SeCiF questo cambiamento radicale si appoggia anche su uno specifico uso del computer.

La prima proposta, del gruppo dell’università di Milano, privilegia il concetto di “campo quantizzato”, come evoluzione naturale del concetto di campo della meccanica classica e quindi mira soprattutto a comprendere la quantizzazione dell’energia e della quantità di moto.

La seconda proposta, del gruppo dell’Università di Torino, si ispira al metodo della “somma sui molti cammini di Feynman” e quindi mira soprattutto all’analisi critica del concetto di traiettoria classico per farlo evolvere verso i concetti tipicamente quantistici di indeterminazione e di sovrapposizione.

La terza proposta, del gruppo dell’università di Udine, privilegia il concetto di “stato quantistico” e di sovrapposizione dei possibili vettori di stato per costruire l'idea di operatori con un graduale processo di formalizzazione, che esplora le caratteristiche e il significato del formalismo della meccanica quantistica, con prerequisiti minimi. Accanto alla proposta di percorsi concettuali, è stato sviluppato dall'Università di Udine un pacchetto di esperimenti, che vengono suggeriti in versione didattica per una esecuzione d'aula, eventualmente con l'elaboratore in linea per le misure. La loro discussione dal punto di vista concettuale evidenzia alcuni dei principali elementi di crisi della fisica classica e dei cambiamenti necessari per una teoria interpretativa della fenomenologia.

Nell’ambito della preparazione ed aggiornamento sull’insegnamento della fisica moderna è stato sviluppato un ipertesto per Personal Computer che ha come filo conduttore le Radiazioni Ionizzanti, dove la ionizzazione è il fenomeno dominante attraverso il quale sono osservate e misurate tutte le proprietà delle particelle subnucleari. Questo ipertesto permette una prima familiarizzazione con alcune pietre miliari delle osservazioni sperimentali, e con i metodi e gli strumenti utilizzati, ai fini di arrivare ad introdurre in modo fenomenologico alcune delle principali proprietà delle forze fondamentali della natura e delle particelle tra cui si esercitano queste forze.

[1] Basti solo pensare alle applicazioni mediche delle radiazioni ionizzanti o agli importanti problemi energetici o, anche, allo sviluppo dell’elettronica.