L’esperimento più bello di sempre: il dualismo onda-particella – B-log(0) :B-log(0)

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Ogni tanto scrivere un post che non interessa praticamente a nessuno e verrà letto al massimo da quattro nerd dà una certa soddisfazione.

In questo caso si raggiunge l’apoteosi con un argomento parecchio complesso che però ha un fascino enorme, per chi come me è interessato a capire qualcosa della fisica del XX secolo, ancora troppo giovane per essere compresa ed accettata da tutti ma già abbastanza vecchia per almeno fare un tentativo…
Ragionare sulla fisica quantistica significa ragionare sull’infinitamente piccolo, su di un mondo che funziona in modo completamente diverso da quello a cui siamo abituati, e di cui è impossibile capirne le basi usando la logica “classica” … e proprio questo è uno dei motivi per cui è così interessante!

La scusa per scrivere questo post mi arriva da physicsworld.com, che tempo fa ha stilato la classifica dei migliori esperimenti di fisica mai realizzati (link) a partire da Eratostene fino ai giorni nostri.
Nei primi 10 posti troviamo il mitico “pendolo di Foucault” (con un pendolo si è dimostrata la rotazione terrestre), il calcolo della massa della Terra (di cui ho parlato qui), la decomposizione del raggio solare tramite un prisma (Newton) e il famosissimo esperimento di Galileo delle sfere lanciate dalla torre di Pisa.

Inaspettatamente al primo posto troviamo un esperimento che pochi conoscono ma effettivamente per bellezza, semplicità e ripercussioni sulla storia della fisica probabilmente non ha eguali. Quest’esperimento è detto della “doppia fenditura” (double slit in inglese) e dimostra la duplice natura della luce, che si è rivelata essere allo stesso tempo un’onda e un insieme di particelle (i fotoni). Lo stesso incredibile risultato è stato poi raggiunto in seguito anche per la materia (il dualismo come vedremo vale anche per gli elettroni).

Secondo il celebre fisico Richard Feynman riflettendo attentamente su questo esperimento è possibile intuire tutta la meccanica quantistica.
Proviamoci senza formule e con un po’ di esempi.

Immaginiamo due schermi paralleli, il primo con due varchi sufficientemente grandi da far passare delle pallottole e il secondo su cui questi proiettili andranno a fermarsi. Sparando una pallottola alla volta contro il primo muro, otterremo dei risultati simili a quelli indicati nella prima immagine qui sotto: in corrispondenza alle aperture del primo schermo troveremo le pallottole bloccate sul secondo.
Siamo nell’ambito della fisica classica e del mondo che conosciamo, quindi niente di sorprendente.

Ecco cosa si ottiene “sparando” proiettili attraverso 2 fenditure verso un bersaglio

Proviamo ora a colpire il primo muro con un getto d’acqua… dalle due fenditure vedremmo partire delle onde che vanno ad interferire l’una con l’altra, annullandosi in certi punti e moltiplicando la forza in altri, in base alla fase dell’onda, come si intuisce dalla figura qui sotto (cliccala per vedere il movimento delle onde):

A sinistra ci sono le due fenditure (i quadrati) mentre sulla destra è rappresentato il muro dove arrivano le onde, dopo aver interferito in modo da avere forza “nulla” dove i cerchi sono neri e un multiplo delle forze nei punti rossi.

Quindi il risultato ottenuto colpendo il muro con un’onda d’acqua è differente dal risultato ottenuto coi proiettili, si hanno tante bande e non solo due, come chiaro dalla seguene rappresentazione:

Risultato (semplificato) che si ottiene colpendo il primo schermo con un’onda.

Fino a qui, niente di strano.

Ora però proviamo a fare lo stesso esperimento una terza volta, “sparando” degli elettroni uno ad uno verso due schermi identici a quelli usati per le pallottole (ovviamente con aperture più piccole per far passare le minuscole particelle), qual è il risultato? Qui c’è la vera sorpresa. Nonostante siano delle particelle, gli elettroni finiscono sul bersaglio in posizioni corrispondenti a quelle dal secondo esperimento, quindi come se gli elettroni fossero un’onda!
Vediamo l’immagine del risultato:

Stiamo parlando di elettroni, cioè delle particelle con una massa ben definita, che vengono “sparate” una alla volta verso due aperture, com’e fanno ad interferire con se stesse come se fossero delle onde? Da quale delle due aperture passa l’elettrone? Per produrre l’interferenza, l’elettrone deve essere per forza un’onda e passare contemporaneamente dai due fori, ma come può una particella essere un’onda mentre attraversa lo schermo e poi tornare particella quando colpisce il bersaglio (eh sì, perchè vediamo i singoli elettroni colpire il secondo schermo uno ad uno, come più chiaro dall’immagine sotto!)?

C’è qualche errore nell’esperimento?
No. Il vero errore nasce dal nostro modo di ragionare. Nel mondo quantistico gli elettroni, cioè la materia, sono allo stesso tempo sia onda che particella, e anche se questi concetti non sembrano compatibili, nel mondo dell’infinitamente piccolo (nel mondo quantistico appunto) essi sono due concetti complementari. Dobbiamo pensarli come due facce della stessa medaglia, più precisamente l’onda indica la probabilità che una particella si trovi in un punto.
Fino a quando l’elettrone non si rivela sul bersaglio esso non si trova mai in un punto preciso dello spazio, ma esiste in uno stato potenziale astratto descritto appunto dall’onda corrispondente, che si propaga ovviamente come un’onda e non secondo la traiettoria classica definita delle particelle. Una volta che l’elettrone arriva sul bersaglio rivela la sua essenza di particella e noi lo vediamo nella sua natura corpuscolare.

Questo è una delle tante appartenti illogicità della fisica quantistica, non spiegabile e non comprensibile usando le leggi a cui siamo abituati, ma assolutamente reale e ultradimostrata in mille esperimenti e anche da tantissime applicazioni pratiche che usiamo tutti i giorni… un esempio?
Le schede di memoria flash (quelle che usiamo nelle fotocamere e nelle chiavette USB) funzionano sfruttando proprio questa duplice natura degli elettroni, che non hanno una posizione definita ma solo una più probabile e una meno probabile in base alla sua funzione d’onda… Non entriamo in dettaglio, ma sfruttando questi effetti quantistici alcuni elettroni riescono a superare una barriera che secondo la logica classica sarebbe insuperabile, e ne rimangono intrappolati memorizzando il bit ‘1’ dove necessario, salvando così i nostri dati (per informazioni, vedi Effetto tunnel).

Quindi con un esperimento dai risultati così semplici da osservare ma così incredibilmente straordinari nella loro apparente illogicità è stato possibile dimostrare la dualità di onda e particella della materia. Come se non bastasse usando un ulteriore semplice accorgimento si potrebbe proseguire parlando del principio di indeterminazione di Heisenberg, di cui scriverò prossimamente quando troverò tempo e voglia 🙂 .