Il 7 giugno 2024 l’Assemblea generale delle Nazioni Unite ha proclamato il 2025 “Anno internazionale della scienza e della tecnologia quantistica”, riconoscendo la grandissima rilevanza dei risultati di questa scienza che ha cambiato il modo di vedere il mondo ed ha permesso notevoli progressi in campo tecnologico.

Fabio Beltram, fisico italiano, coordinatore nazionale del National Quantum Science and Technology Institute (Nqsti), in occasione del congresso Nqsti tenutosi a Roma a febbraio, ha detto:

“Le tecnologie quantistiche saranno il vero salto tecnologico di questo secolo. I computer quantistici sono solo una parte di questa rivoluzione paragonabile al salto dal vapore all’elettricità. Dalle comunicazioni ai nuovi materiali, le tecnologie quantistiche sono destinate a rivoluzionare molti settori, ad esempio la medicina, con diagnosi di tumori che potranno essere fatte già quando il tumore è di appena due cellule e non come oggi, quando di fatto si manifesta”.

Queste teorie affascinanti sono però sconosciute al grande pubblico che stima difficile comprenderne il significato.

Questo Anno internazionale, che celebra il centesimo anniversario dei primi sviluppi della moderna meccanica quantistica, di certo fornirà una preziosa opportunità per sensibilizzare soprattutto i giovani sul ruolo della scienza e della tecnologia quantistica nelle nostre vite ispirandoli a diventare la prossima generazione di pionieri quantistici.

Sebbene la teoria quantistica possa sembrare all’avanguardia, le sue radici risalgono alla fine del XIX e all’inizio del XX secolo, quando gli scienziati iniziarono a rendersi conto che la fisica classica, insieme delle teorie fisiche sviluppate fino a circa l’inizio del XX secolo, non poteva spiegare certi fenomeni osservati a livello atomico e subatomico. Così brillanti e visionari ricercatori, molti dei quali provenienti dai paesi dell’Europa centrale, elaborarono le basi della teoria quantistica, una teoria che ha condotto a un profondo cambiamento della comprensione dell’universo fisico.

La meccanica quantistica spiega le proprietà delle molecole, degli atomi e dei loro costituenti ancora più piccoli, come elettroni, protoni, neutroni e quark, e descrive come queste particelle interagiscono tra loro e con la luce, i raggi X, i raggi gamma e altre forme di radiazione elettromagnetica. Consente inoltre di capire la natura dei legami chimici, le proprietà dei solidi cristallini, l’energia nucleare e le forze che stabilizzano le stelle collassate. 

La meccanica quantistica ha rivelato che alla scala atomica il comportamento di materia e radiazione è molto diverso da quello che è osservabile alla scala macroscopica, quella cioè che osserviamo tutti i giorni. I concetti della meccanica quantistica, infatti, sono spesso in conflitto con le nostre idee di buon senso, idee che sono state sviluppate attraverso osservazioni del mondo a scale più grandi. 

Mentre le leggi della fisica classica consentono di determinare esattamente come si comporteranno la materia e la radiazione, alla base della meccanica quantistica vi sono l’indeterminatezza e la casualità o l’incertezza, ma ciò non vuol dire che le previsioni sulle proprietà dei sistemi atomici e subatomici che essa consente di effettuare siano indeterminate: esse hanno evidenti conferme sperimentali. 

Max Planck

Il termine “quanto” fu usato per la prima volta da Max Planck nel 1900. Il fisico tedesco stava studiando la relazione tra il colore della radiazione emessa da un corpo riscaldato e la sua temperatura e si rese conto che le previsioni teoriche fornite dalla fisica classica erano incompatibili con i dati sperimentali raccolti. Le teorie classiche prevedevano che lo scambio di energia tra corpo riscaldato e radiazioni emesse avvenisse in modo continuo e Planck per spiegare i risultati sperimentali ipotizzò che l’energia fosse quantizzata, il che significa che poteva essere emessa o assorbita solo in unità discrete chiamate appunto “quanti”. Questa idea rivoluzionaria gettò le basi per lo sviluppo della teoria quantistica.

Nel 1905, Albert Einstein utilizzò l’ipotesi quantistica per spiegare l’effetto fotoelettrico, un fenomeno che avviene quando la luce colpisce un materiale metallico e questo rilascia elettroni. La teoria ondulatoria della luce non riusciva a spiegare perché la luce al di sotto di una certa frequenza, indipendentemente dalla sua intensità, non riuscisse a espellere elettroni. Einstein propose che la luce stessa fosse composta da quanti, in seguito chiamati fotoni, e che l’energia di questi fotoni fosse proporzionale alla frequenza della radiazione. Questa spiegazione ipotizzava la natura particellare della luce e valse a Einstein il premio Nobel per la fisica nel 1921. Quindi la luce aveva sia una natura ondulatoria che particellare: da qui l’espressione dualismo onda-particella.

Albert Einstein

Nel 1924 il fisico francese Louis Victor de Broglie intuì che questo aspetto dualistico era la manifestazione di un principio naturale più generale: così come la radiazione luminosa presenta una natura palesemente ondulatoria, ma può comportarsi come un insieme di corpuscoli, così le particelle, come ad esempio l’elettrone e il protone, che sono dei corpuscoli, possono comportarsi in determinate circostanze come delle onde. Diversi esperimenti confermarono l’intuizione di De Broglie: particelle come elettroni e protoni potevano dar luogo a fenomeni tipici delle onde.

Contemporaneamente progrediva la conoscenza della struttura dell’atomo. Nel 1911 Ernest Rutherford, fisico neozelandese naturalizzato britannico, scoprì che la maggior parte della massa dell’atomo è nel nucleo. 

Niels Bohr

Nel 1913 Niels Bohr, un fisico danese, perfezionò il modello di Rutherford, proponendo il suo modello atomico in cui gli elettroni occupano orbite fisse attorno al nucleo e saltano tra queste orbite assorbendo o emettendo quanti di energia. La teoria elaborata da Bohr, che metteva insieme l’ipotesi quantistica della radiazione e la teoria del moto della meccanica classica, riusciva però a spiegare solo il comportamento dell’atomo di idrogeno.

Nel 1925, il fisico tedesco Werner Heisenberg elaborò la così detta meccanica delle matrici, una delle prime formulazioni complete della meccanica quantistica. È di Heisenberg l’enunciato del principio di indeterminazione, ovvero l’impossibilità di conoscere esattamente nello stesso istante il valore della posizione e della velocità di una particella. Il principio di indeterminazione è la prima importante differenza tra la meccanica classica e quella quantistica.

Werner Heisenberg

Erwin Schrödinger

Nel 1926 Erwin Schrödinger, un fisico austriaco, elaborò la così detta meccanica ondulatoria, che descrive come lo stato quantistico di un sistema fisico cambia nel tempo. L’equazione d’onda di Schrödinger divenne un’equazione centrale nella meccanica quantistica, collegando le proprietà ondulatorie delle particelle al loro comportamento fisico.

Le soluzioni dell’equazione di Schrödinger superano i limiti dell’ipotesi di Bohr sulla struttura dell’atomo: al concetto di traiettoria degli elettroni si sostituisce quello di orbitale che è legato alla probabilità di trovare l’elettrone in una determinata posizione nella zona di spazio attorno al nucleo dell’atomo. Le soluzioni dell’equazione di Schrödinger spiegano il comportamento degli elettroni nell’atomo.

La nascita formale della meccanica quantistica è legata dunque ai contributi di Heisenberg e Schrödinger: la meccanica delle matrici e la meccanica ondulatoria, le prime due formulazioni della meccanica quantistica, pur differenti, portano infatti agli stessi risultati.

La storia dell’elaborazione delle idee della meccanica quantistica è molto interessante. I fisici che hanno elaborato questa teoria hanno avuto intuizioni da visionari e costantemente hanno messo alla prova le idee innovative e controintuitive che andavano via via emergendo dalle loro ricerche. La collaborazione tra questi scienziati è stata rilevante e, nonostante a volte si siano anche scontrati per le loro diverse posizioni, costituisce un esempio esemplare di costante ed efficace confronto di idee.

Spesso le nostre passioni affondano le radici in esperienze formative che hanno lasciato il segno: un esperimento scientifico che ha acceso la curiosità, un insegnante carismatico che ha aperto nuovi orizzonti o un fenomeno naturale che ha suscitato meraviglia. Queste esperienze possono aver orientato le nostre scelte di vita, conducendoci verso la nostra attuale professione.

L’orientamento scolastico è un processo continuo che si snoda lungo l’intero percorso di studi e che intreccia l’apprendimento con la scoperta delle proprie inclinazioni e non può ridursi a una scelta da compiere in momenti chiave, come il passaggio alla scuola superiore di secondo grado o all’università.

Anche le linee guida del MIM (D.M. n. 328 del 22 dicembre 2022) sottolineano che l’orientamento non deve essere un compito relegato ad alcuni docenti nei momenti di transizione, ma un elemento integrante della didattica, con un forte valore pedagogico. Per questo, è essenziale adottare strategie che rendano l’orientamento un’esperienza concreta e coinvolgente.

Tra le metodologie più efficaci per promuovere l’orientamento, l’Inquiry-Based Learning (IBL) permette di stimolare la curiosità, incentivando la partecipazione attiva degli studenti: affrontare problemi reali e lavorare in contesti autentici consente infatti ai ragazzi di sperimentare direttamente l’applicazione delle conoscenze scientifiche. Immaginiamo per esempio un progetto in cui gli studenti monitorano la qualità dell’aria o analizzano il riciclo dei rifiuti nella loro città. Oltre a sviluppare competenze critiche e collaborative, questi percorsi aiutano a far emergere passioni e possibili inclinazioni professionali. In questo contesto, l’insegnante assume il ruolo di facilitatore e guida, creando situazioni in cui ogni ragazzo può sperimentare, riflettere e mettere in gioco le proprie competenze. 

Il libro di testo Orientamento SCIENZE adotta proprio questa prospettiva. Ogni unità didattica si apre con la testimonianza di un professionista che ha trasformato la sua passione in un lavoro. Quaranta testimonial raccontano il loro percorso e condividono le sfide quotidiane della loro professione, mostrando che la scienza non è solo teoria, ma anche esperienza pratica ed emozionante: un ornitologo che segue gli uccelli marini utilizzando il GPS per studiarne le migrazioni; un glaciologo che analizza i cilindri di ghiaccio prelevati dall’Artico per studiare i cambiamenti climatici; un ricercatore ecoacustico che registra le voci delle foreste equatoriali ancora incontaminate; un ingegnere aerospaziale che studia la sicurezza delle auto simulando incidenti; un microbiologo che esplora i fondali oceanici a caccia di batteri estremofili; una biologa che ha sviluppato un robot-plantoide con radici artificiali in grado di crescere nel suolo.

Queste testimonianze possono essere strumenti di ispirazione e motivazione, permettendo agli studenti di immedesimarsi e immaginare i loro possibili percorsi futuri. Eccone alcuni esempi:

Rosario Balestrieri studia gli uccelli marini del Mediterraneo. “Quando non sono in mare con binocolo e cannocchiale, racconto il mio lavoro sui social o in TV”. Nell’intervista parla anche della sua difficile esperienza scolastica come DSA non diagnosticato.	Telmo Pievani, filosofo della biologia specializzato in Evoluzione, insegna all’Università di Padova ed è autore di numerose pubblicazioni anche per ragazzi. Nell’intervista dice di sé: “Ho lavorato con i più grandi scienziati che si sono occupati di evoluzione, dopo Charles Darwin”.	Amalia Ercoli-Finzi, progettista di missioni spaziali, è stata la prima donna in Italia a laurearsi in Ingegneria aeronautica. “Confido che in futuro si riesca ad andare su Marte con un equipaggio del quale faranno parte anche le donne”.
Figure ed esempi tratti dal libro di testo Orientamento Scienze, Fabbri Editore, 2025

Per aiutare studenti e studentesse a riflettere sulle proprie inclinazioni, Orientamento SCIENZE propone domande stimolanti: Ti piacerebbe esplorare il nostro pianeta? Vorresti imparare come rendere le auto più sicure o salvare una foresta? Domande come queste aprono nuovi scenari, incoraggiando la riflessione sulle possibili scelte future.

Inoltre, nel libro Orientamento SCIENZE sono presenti alcuni box dedicati a specifiche professioni, da medici specialisti come l’ortopedico, il fisiatra e il genetista, a esperti di ambiti scientifici meno noti, come il petrografo o l’entomologo, aprendo una finestra sulle molteplici opportunità offerte dal mondo scientifico.

Allo scopo di promuovere l’orientamento di studenti e studentesse, le linee guida per l’orientamento del 2022 hanno introdotto un nuovo strumento, l’E-Portfolio, che comprende il Capolavoro dello studente. Esso consiste nella realizzazione di almeno un prodotto significativo per anno scolastico che gli studenti riconoscano come il proprio capolavoro. Esso può essere svolto in ambito scolastico o extrascolastico attraverso attività individuali o di gruppo. 

Per valorizzare i percorsi individuali di apprendimento e favorire la riflessione su interessi e aspirazioni personali, Orientamento SCIENZE propone anche diversi ulteriori strumenti, come compiti autentici e attività di laboratorio, alcuni dei quali progettati esplicitamente per la realizzazione del “Capolavoro”. 

L’approccio che gli autori hanno seguito permette infine agli studenti di autovalutarsi e di riflettere sulle attività svolte mettendo in luce le loro abilità in modo da orientarsi consapevolmente verso il proprio futuro.

Per approfondire

Alfano, Boccardi, De Masi, Forni, Orientamento Scienze, Fabbri Editori, 2025