Re: [lunghissimo] Applicazione pratica della fisica

From: Elio Fabri <mc8827_at_mclink.it>
Date: Thu, 21 Aug 2003 19:52:45 +0200

"Luca Andreoli ha scritto:
> ...
> Mentre seguivo queste interessanti cose mi chiedevo : a parte la
> innegabile soddisfazione teorica di sapere a che distanza si trova
> l'elettrone nella sua orbita,ma poi messa in pratica c'e' un ritorno
> pratico (e questo e' quello che mi sfugge)nel sapere se l'elettrone
> nella sua orbita piu' vicina si trova a 53pm oppure a 90 pm ? C'e'
> voglio dire una applicazione pratica nell'indusria ?
Ora ti spiego: leggi piu' avanti.

valentino ha scritto:
> Alla base? Chiedo scusa, ma l'elettronica non � una tecnologia nata e
> sviluppata "prima" della MQ? Magari quest'ultima si sar�
> sovrapposta...
>
> A meno di non essermi accorto di possedere un computer quantistico,
> credevo che i pc "li avesse fatti" l'elettronica.
>
> Che cosa mi sfugge?
Molte cose...

Diocleziano ha scritto:
> Si potrebbe entrare un po' pi� in dettaglio e spiegare, sia pure per
> sommi capi, la relazione tra meccanica quantistica e transistor?

A rigore, questo mio post dovrebbe avere come sottotitolo:
"Breve storia della m.q., dell'elettronica, un po' di tutta la fisica
del 20-mo secolo, nonche' della chimica, della biologia, ecc. ecc."
Col che avete gia' capito...

Premessa 1: Ovviamente non e' il raggio di Bohr in se' che e'
importante, ma il fatto che quello sia stato il primo passo della
meccanica quantistica; quindi e' di questa che dobbiamo parlare.
Avverto che mi limitero' a parlare solo della m.q. in vista delle
applicazioni pratiche, trascurando quegli aspetti puramente
conoscitivi (per es. in astrofisica) che per ora :) non hanno ricadute
applicative.

Premessa 2: Anche con questi limiti, l'argomento di cui sto per
scrivere e' cosi' ampio che difficilmente riusciro' a non commettere
errori di qualche genere. Chiunque possa correggermi o comunque possa
integrare o precisare quanche punto, mi fara' solo un piacere...

A. Come ho gia' accennato in altro post, la vera m.q. nasce nel
1925-26, grazie prima di tutto a Heisenberg-Schroedinger.
Negli anni successivi, col lavoro di molti altri fisici, di cui debbo
tacere i nomi per brevita', la m.q. ha una quantita' di sviluppi:

1) la spiegazione della struttura atomica (dimensioni, livelli
energetici, spettri) e del sistema periodico degli elementi; poi la
struttura delle molecole, con l'interpretazione dei vari legami
chimici, della valenza, ecc.
Gia' questo rivoluziona la chimica, che puo' essere fondata su basi
solide. Ne segue ad es. la comprensione dei polimeri, che a sua volta
ha profonde conseguenze:

a) Dal punto di vista direttamente pratico, da qui nascono le materie
plastiche, che grosso modo a partire dagli anni '40 acquistano
l'importanza che oggi tutti sappiamo.
E' possibile che chi ha sempre vissuto in un mondo "fatto" di
plastica, non si renda conto di quanto poteva essere diverso il mondo
prima, e di quanto tutto cio' sia recente.
A titolo di esempio, vi cito un fatto personale.

Ho conservato (dopo faticosa battaglia con mia moglie...) un vecchio
radiogrammofono, che mio padre compro' nel 1939. A parte il suo
interesse per altri aspetti (anche per l'elettronica di cui diro'
dopo) e' utile guardare di che materiali e' fatto.
Ci troveremo legno, metalli vari (ferro, alluminio, rame...) gomma,
feltro...
Ma niente plastica!
Per l'esattezza, ci sono solo le 4 manopole che sono di un materiale,
forse bachelite, di cui non so l'esatta composizione ma che in qualche
modo ricorda la plastica successiva.

Ora mi guardo intorno, e non c'e' quasi niente che non sia di plastica:
il telefono, il modem, la stampante, lo schermo del computer, gram
parte del computer stesso, il piano del tavolo...
E ripeto: la varieta' e universalita' delle materie plastiche oggi e'
dovuta alla comprensione del legame chimico, che ha permesso di
"progettare" i polimeri in base alle proprieta' desiderate.

b) La nuova svolta nella chimica ha pure grande impatto sulla
biologia: proteine, acidi nucleici, reazioni enzimatiche ... si apre
la strada all'esplosione della biologia molecolare.
Ricordate che sono giusto 50 anni dalla scoperta della struttura a
doppia elica del DNA, che non sarebbe stata possibile senza sapere che
cos'e' un legame a idrogeno, solo per fare un esempio...
E se vogliamo vedere la biologia solo dal punto di vista industriale,
basti pensare a cosa e' diventata l'industria farmaceutica.

2) Altra conseguenza della m.q. e' la comprensione della struttura dei
solidi.

a) Che cos'e' un metallo? Perche' conduce bene l'elettricita'? Perche'
altri solidi sono isolanti? Perche' si formano le leghe?
E' ovvio che la risposta a tutte queste domande (che viene dalla
fisica dei solidi, basata sulla m.q., e sviluppatasi gradatamente nei
decenni successivi) ha ricadute in molte direzioni: basti pensare alla
metallurgia.

b) Ma la fisica dei solidi spiega anche in dettaglio l'effetto
fotoelettrico (con applicazione ai rivelatori di luce) la
termoelettricita' (termocoppie, pirometri).

c) C'e' poi il magnetismo, che era noto da tempo, nelle sue diverse
varieta' (dia-, para-, ferro-magnetismo). Ma solo la m.q. applicata ai
solidi ha permesso di capire il perche' di queste varieta', e quindi
anche di progettare materiali con proprieta' magnetiche controllate, e
progressivamente migliori.
Per fare un unico esempio, le ferriti sono materiali non esistenti in
natura, progetati e sintetizzati grazie alle conoscenze teoriche.
Anche di ferriti ne abbiamo dovunque, di regola senza saperlo...

d) Qualcosa debbo dire sulla superconduttivita'. Il fenomeno era noto
piu' o meno dai tempi di Bohr, ma rimase un mistero per circa 40 anni.
La spiegazione? Di nuovo nella m.q. applicata ai solidi.
Oggi i magneti superconuttori hanno applicazioni pratiche, come per
es. i treni a levitazione magnetica.
(Per inciso: che io sappia la superconduttivita' ad alta temperatura,
scoperta circa 20 anni fa, non ha ancora una spiegazione teorica...)

e) Ho lasciato quasi per ultimo il campo dei semiconduttori, che e' il
piu' ovvio, e di cui altri hanno gia' parlato. Ma spieghiamolo un po'
di piu'.
Anche i semiconduttori erano gia' noti, come materiali con proprieta'
strane e senza spiegazione. La fisica dei solidi ha permesso di capire
i semiconduttori "intrinseci" (bismuto, germanio...) e il ruolo delle
impurita' nel controllare le proprieta' elettriche di altri materiali.
Da qui e' nata (su base teorica) l'idea delle giunzioni n-p, che hanno
prodotto i diodi e poi i transistor. La miniaturizzazione ha fatto il
resto, portandoci alla microelettronica di oggi.

Ci sono poi stati altri sviluppi: altri materiali di base oltre il
germanio iniziale e l'onnipresente silicio, per es. composti come
GaAs, che permette di lavorare a frequenze piu' alte.
Sono stati inventati i transistor MOS, diversi da quelli "biplari" a
giunzione, che hanno ridotto di molto i consumi.
Sono nati dispositivi speciali, come i diodi tunnel, che ... piu'
quantistici di cosi' non si puo', visto che si basano sull'effetto
tunnel.

Di nuovo, senza m.q. tutto cio' non esisterebbe.

f) Proprio per ultimo metto il campo dei laser. Non credo di dover
spendere molte parole sulle applicazioni, che vanno da oggetti di uso
comune come i lettori di CD e DVD, a strumenti chirurgici, e ad
impieghi industriali (taglio di metalli).

C'entra la m.q.? Altro che, se c'entra! Almeno in due sensi.
Primo: Il principio di base di ogni laser e' la cosiddetta "emiossine
stimolata di radiazione" ("s-e-r" significano proprio questo). E
questo e' un effetto quantistico, anticipato da Einstein nel 1917, ma
inquadrato in una vera teoria solo con lo sviluppo
dell'elettrodinamica quantistica del 1928 in poi.
Secondo: ogni laser richiede di sfruttare particolari proprieta' dei
livelli energetici di un materiale, e la struttura di questi livelli,
come ho gia' detto, puo' essere capita solo con la m.q.

3) Non posso tralasciare il rapporto tra la m.q. e la fisica nucleare,
anche se a prima vista sembra un campo puramente conoscitivo. Infatti
le applicazioni ci sono, comunque le si vogliano valutare.
Senza una comprensione della struttura dei nuclei e delle reazioni
nucleari, non sarebbe stato possibile progettare e realizzare ne' le
reazioni a catena in forma esplosiva (bombe) ne' quelle in forma
controllata (reattori).
E questa comprensione si basa in modo assoluto sulla m.q.
Non dimentichiamo poi che la fisica nucleare trova applicazione in
molti modi in campo medico: radioterapie, risonanza magnetica
nucleare, tomografia a emissione di positroni...

B. E ora tocca all'elettronica. Qui c'e' prima di tutto una questione
terminologica: da quando si comincia a parlare di elettronica? A mio
parere non sono piu' di 50 anni.
Pero' non e' un punto molto importante: a posteriori possiamo
includere nell'elettronica anche teorie e tecniche nate prima di
quell'epoca, se rientrano nell'attuale accezione del termine.
In questo senso, possiamo datare la nascita dell'elettronica al 1906:
anno in cui cui De Forest inventa lo "audion", che poi sarebbe stato
chimato "triodo". La prima "valvola", o "tubo elettronico".

I primi sviluppi sono lenti, e sicuramente indipendenti dalla m.q.
Quel radiogrammofono che ho citato sopra ha 8 valvole, ben piu'
complesse del vecchio audion, ma era gia' un apparato alquanto
raffinato. A quel tempo il ricevitore standard era la "supereterodina"
a 5 valvole. Le trasmissioni radio erano a uno stadio ancora poco
evoluto, la modulazione di frequenza non esisteva o faceva i primi
passi...

Pero' e' vero che i primi calcolatori elettronici furono realizzati a
valvole: migliaia di valvole, potenza assorbita misurata in kW,
prestazioni forse 10000 volte inferiori a quelle di un normale PC di
oggi...
Si vede bene che anche se l'idea base, le strutture, i concetti erano
gia' nati, lo sviluppo dei calcolatori per quella strada non aveva
futuro: senza la microelettronica a stato solido ci si sarebbe dovuti
fermare a pochi apparati giganteschi, ingombranti, poco affidabili e
costosissimi.
Niente grafica, giochi, musica, internet...
Quindi la concatenazione m.q. --> fisica dei solidi --> transistor -->
circuiti integrati e' stata essenziale per lo sviluppo dei computer
come li conosciamo.

Dimenticavo: naturalmente niente cellulari, che sono si' dei
ricetrasmettitori, ma soprattutto sono dei sofisticatissimi quanto
minuscoli computer.

E con questo, credo di aver risposto sull'utilita' della m.q.

Mi viene in mente un famoso aneddoto su Faraday: un giorno, al termine
di una conferenza sull'induzione e.m. da lui scoperta, si senti'
chiedere da una signora: "interessante, ma a che serve?"
(Allora non c'era internet, e le domande - non stupide, per carita'...
- le facevano le signore alle
Faraday, che non so se gia' intravedesse l'impiego dell'induzione e.m.
nella generazione e trasmissione dell'energia elettrica, si limito' a
rispondere: "Signora, a che serve un bambino appena nato?"
La differenza e' che la m.q. e' un bambino un po' cresciutello, visto
che va per gli 80... E a che serve, ormai l'ha dimostrato da un pezzo.

E ora credo di essermi guadagnato il diritto a qualche commento...

Diocleziano ha scritto:
> Stai molto attento prima di porre domande del genere in questo tipo di
> Ng. Qui scrivono persone competenti. Con qualche eccezione sono anche
> garbate e disponibili. Difficilmente rimarrai senza risposte. Per� �
> opportuno non toccare alcuni nervi scoperti che per gli "uomini di
> scienza" non ammettono dubbi o perplessit� quali appunto i
> finanziamenti alla ricerca, l'utilit� della ricerca etc... Potrebbero
> scatenarsi reazioni fuori controllo.
>
> Ricordo un neuropsichiatra che diceva: "non esistono domande stupide,
> stupido � il non fare domande". Io non avrei niente da obiettare se
> qualcuno si interrogasse sull'utilit� dei calzini. Magari ci
> porterebbe a considerare i calzini sotto una luce diversa.
> Ma non � il caso di fare troppo affidamento su un'elasticit� cos�
> ampia in questo, come in tanti altri ambiti.
>
> Nel merito, la risposta alla tua domanda � abbastanza semplice. Si
> studiano un sacco di cose senza ricadute pratiche immediate. Lo si fa
> per 2 motivi:
> ...

Mi sa che parlando di "eccezioni" si riferisse a me...
Se ha ragione o no, lascio agli altri di giudicarlo.

E' vero che io, come dice Venier, sono un po' "fumino", ovvero
m'incazzo facilmente. Ma non a caso: solo in certe condizioni.
Siccome ho gia' avuto occasione di spiegare il come e il perche', non
vorrei ripetermi. Ma sicuramente una condizione possibile e' proprio
quella di interventi come quello di Diocleziano.

Lui parla di
> alcuni nervi scoperti che per gli "uomini di scienza"
(notate le virgolette)
> non ammettono dubbi o perplessit� quali appunto i
> finanziamenti alla ricerca, l'utilit� della ricerca etc..

Comincerei col dirgli che gia' dimostra di non sapere bene di che cosa
parla, almeno per quanto mi riguarda.
Credo di aver gia' avuto occasione di mostrare, in interventi passati,
e in altre circostanze, che io dubbi e perplessita' ne ho e come.
Ma e' tipico di chi ragiona come Diocleziano di fare di ogni erba un
fascio e di non scomodarsi a informarsi e a capire....

Inoltre la questione non era affatto pertinente, visto che la domanda
(sul raggio di Bohr ecc.) si riferiva a una questione assai piu' del
passato che del presente.

Il problema della ricerca, della sua utilita' pratica, delle ricadute
che puo 'avere, visto nell'ambito ristretto del nostro Paese o piu' in
grande, e' troppo complesso per esaminarlo qui ora.
Ma aggiungo che non se ne puo' parlare in base a frasi fatte e a
qualche slogan.

Uno che non sa la relazione che esiste tra m.q. e computer (l'ha
scritto lui, e fa benissimo a chiederlo, se non lo sa: non e' una
domanda stupida...) non puo' al tempo stesso esprimere giudizi sulla
ricerca o sui ricercatori, sulla loro maggiore o minore elasticita', e
via dicendo.

O meglio: puo', perche' chiunque puo' scrivere quello che vuole; ma
poi non puo' risentirsi se qualcun altro (magari un po' ... fumino)
gli risponde per le rime.
La liberta' c'e' per tutti...
E questo sia detto anche per i moderatori: se si ammettono interventi
provocatori, allora si debbono anche ammettere le repliche, e non
necessariamente all'acqua di rose.

Un'ultima cosa, non solo per Diocleziano, ma per tutti quelli che
hanno fatto queste domande.
Se siete ancora al liceo, siete scusati, perche' nel programma di
fisica questa e' materia dell'ultimo anno. Ma se l'avete finito,
allora debbo chiedermi che cosa avete imparato...

Non serve dirmi "la fisica l'abbiamo fatta male, il prof non spiegava
niente", ecc.
Il libro l'avete, e non e' vietato leggerlo. Piu' o meno bene, con
maggiore o minore ampiezza, di queste cose oggi tutti i testi di
fisica ne parlano.

Se invece siete ancora al liceo, l'invito vale per il futuro: anche se
i prof non fanno per intero il loro dovere (ma non e' facile, per
tante ragioni, incluse le vostre "autogestioni"...) e' nel vostro
interesse di utilizzare i libri che avete, senza cercare facili scuse.

C'e' un detto latino, che si applica abbastanza a questo caso, anche
se non e' molto di moda oggi: "quisque faber fortunae suae".
Debbo tradurlo? No, vero? :-))
------------------------------
Elio Fabri
Dip. di Fisica - Univ. di Pisa
------------------------------
Received on Thu Aug 21 2003 - 19:52:45 CEST