La fisica moderna: dalle teorie rivoluzionarie alle tecnologie del futuro

La fisica moderna nasce agli inizi del XX secolo, con la formulazione della teoria della relatività di Albert Einstein e lo sviluppo della meccanica quantistica, concetti straordinariamente innovativi che hanno cambiato profondamente la comprensione che abbiamo dell'universo e della realtà che ci circonda. Questi studi da un lato hanno introdotto nuovi modi per comprendere la natura della materia, dell'energia e dello spazio-tempo, da un altro hanno consentito una vera e propria rivoluzione tecnologica che ha cambiato le nostre vite quotidiane. Se a livello internazionale i protagonisti di questa rivoluzione sono figure del calibro di Albert Einstein, Max Planck o Erwin Schrödinger, solo per citarne alcuni, anche in Italia si fanno strada scienziati di grande talento, come Enrico Fermi, Ettore Majorana, Antonio Barone. Ne abbiamo parlato con Stefano Fabris, direttore del Dipartimento di scienze fisiche e tecnologie della materia (Dsftm) del Consiglio nazionale delle ricerche 

“La figura più di spicco della fisica moderna, a livello internazionale, è sicuramente Albert Einstein con la sua teoria della relatività. I suoi studi, mettendo in discussione i fondamenti della fisica newtoniana, hanno introdotto concetti rivoluzionari come la relatività del tempo e dello spazio e la natura corpuscolare della luce. La sua famosa equazione E=mc2 ha inoltre rivelato l'intima relazione tra energia e massa, ponendo le basi per sviluppi successivi come l'energia nucleare”, racconta Stefano Fabris. “Parallelamente, la meccanica quantistica ha descritto il comportamento della materia e dell'energia su scala microscopica. Scienziati come Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg ed Erwin Schrödinger hanno rivoluzionato la comprensione dei fenomeni atomici e subatomici, introducendo concetti come la quantizzazione dell'energia, il principio di indeterminazione e la dualità onda-particella. Per comprendere la portata di queste scoperte, pensiamo ad applicazioni come i Gps, l’elettronica contenuta nei processori dei computer e negli smartphone, i laser o, in campo medico, la risonanza magnetica nucleare, la tomografia a emissione di positroni (Pet), nonché l’adroterapia, solo per citare alcune delle applicazioni più comuni e conosciute”.

La meccanica quantistica ha introdotto concetti che sfidano l'intuizione, come l'entanglement quantistico, che descrive uno stato in cui, per esempio, due elettroni o due particelle restano collegate l’uno all’altra anche se sono a grande distanza. “Immaginiamo due monete che, lanciate in due stanze diverse, danno sempre uguale risultato tra loro: questo particolare comportamento controintuitivo è simile a ciò che accade tra due particelle ‘intrecciate’, che possono influenzarsi a vicenda anche se a distanza. Questa scoperta ha trovato conferma in vari esperimenti ed è alla base di una nuova generazione di tecnologie, tra cui il computer quantistico, con capacità di risolvere problemi complessi in tempi drasticamente ridotti, la crittografia quantistica, che offre una sicurezza teoricamente inviolabile nelle comunicazioni, o i sensori quantistici, che permetteranno misurazioni di precisione senza precedenti per la medicina e la navigazione”, spiega il direttore del Cnr-Dsftm. “Nel contesto della meccanica quantistica, un ruolo particolarmente importante è svolto dalla Superconduttività, scoperta nel 1911, un fenomeno che elimina la resistenza elettrica in materiali raffreddati a temperature estremamente basse ed espelle completamente il campo magnetico dal loro interno (effetto Meissner). Questa proprietà, considerata la manifestazione più straordinaria della fisica quantistica a livello macroscopico, ha trovato applicazioni avanzate nei sensori e nei dispositivi quantistici”.

Il contributo italiano allo sviluppo della fisica moderna è stato considerevole, grazie a scienziati di straordinario talento e a istituzioni di eccellenza. Enrico Fermi è uno dei nomi più celebri. Fermi ha guidato il cosiddetto “gruppo di Via Panisperna” a Roma, un gruppo di giovani scienziati, composto da nomi che successivamente divennero celebri, come Amaldi, Pontecorvo, Segrè, e che negli anni ’30 ha realizzato importanti esperimenti nel campo della fisica nucleare. Il lavoro di Fermi ha preparato il terreno alla scoperta della fissione nucleare, che ha avuto un impatto rivoluzionario sia in ambito scientifico che tecnologico. Un altro protagonista italiano di spicco è stato Ettore Majorana, fisico siciliano, il cui contributo alla fisica teorica ha aperto nuovi orizzonti nella comprensione della materia.  Un capitolo importante della fisica moderna italiana si è scritto nei laboratori di Frascati dell'Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), in stretta collaborazione con il Cnr. Qui, fin dagli anni ‘50, sono stati condotti esperimenti fondamentali sulla fisica delle particelle utilizzando acceleratori sempre più potenti.

“Un contributo fondamentale sia nella ricerca teorica sia nello sviluppo di applicazioni pratiche legate alla fisica quantistica in Italia è arrivato da Antonio Barone, direttore dell’Istituto di cibernetica del Cnr dal 1977 al 1991 e fondatore della ‘Scuola Campana di superconduttività’, che oggi rappresenta un centro di eccellenza internazionale e di cui fanno parte due strutture del Cnr: l’Istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti ‘Eduardo Caianiello’ (Isasi) e l’Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (Spin)”, afferma Fabris. Barone ha contribuito allo studio dei fenomeni superconduttivi, come l'effetto Meissner, e allo sviluppo di dispositivi avanzati basati su materiali superconduttori. Uno dei risultati più noti è stato lo sviluppo degli Squid (Superconducting Quantum Interference Devices), sensori quantistici in grado di rilevare campi magnetici miliardi di volte più deboli del campo magnetico terrestre. Questi dispositivi vengono utilizzati nel campo delle telecomunicazioni quantistiche per lo sviluppo di tecnologie di crittografia quantistica e rivelatori avanzati di fotoni o in campo medico, dove sono impiegati, ad esempio, per studiare malattie neurodegenerative. “Uno di questi sistemi, realizzato da Cnr-Isasi, è impiegato per lo studio delle più comuni patologie neurodegenerative, come la sindrome di Alzheimer, il morbo di Parkinson, la sclerosi laterale amiotrofica e la demenza frontotemporale, presso una clinica di Napoli”, sottolinea il ricercatore. “Altri risultati significativi sono il recente sviluppo di dispositivi basati su reti di unità quantistiche innovative, realizzati con il contributo del Cnr-Isasi e del Cnr-Spin, nell’ambito del partenariato National Quantum Science and Technology Institute (Nqsti). Di particolare rilievo è anche la costruzione, nell'ambito del Centro nazionale di High Performance Computing (Hpc) del Pnrr, di un computer quantistico con 40 unità quantistiche (chiamate quantum bit o qubit, che sono la base della computazione quantistica), che utilizza tecnologie avanzate basate sulla superconduttività. Inoltre, sono stati recentemente realizzati rilevatori avanzati per le telecomunicazioni quantistiche, come gli Snspd (Superconducting nanowire single photon detectors), progettati per garantire una precisione altissima. Il super computer quantistico è attualmente funzionante presso il Dipartimento di fisica dell’Università ‘Federico II’ di Napoli”.

Negli ultimi anni, il Cnr ha partecipato al progetto Quantum Flagship, uno dei progetti di ricerca quantistica più ambiziosi dell'Unione Europea. Anche la collaborazione con l'industria si è intensificata, permettendo un efficace trasferimento tecnologico: dalle nanotecnologie ai metamateriali, dai sensori quantistici alle comunicazioni sicure. Inoltre, il Cnr ha collaborato a programmi internazionali presso il Cern di Ginevra, dove esperimenti come quelli condotti sull'acceleratore di particelle Lhc hanno esplorato i confini della fisica fondamentale.

Oggi, l'Italia, anche grazie agli scienziati del Cnr, è in prima linea nella ricerca su temi avanzati come la fisica delle particelle, la gravità quantistica e le applicazioni tecnologiche della fisica quantistica.

Fonte: Stefano Fabris Dipartimento di scienze fisiche e tecnologie della materia, stefano.fabris@cnr.it