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L’esperimento più bello di sempre: il dualismo onda-particella

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.

Bellezza matematica?

Bellezza matematica?

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:

Ed ecco cosa si ottiene "sparando" elettroni verso una doppia fenditura...

Com’è possibile?

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!)?

Alcune immagini del "bersaglio" in diversi momenti. Si può analizzare l'arrivo del singolo elettrone e osservare l'auto-interferenza.

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 🙂 .

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  1. Alessandro
    27 novembre 2009 alle 13:48

    Grazie. Bellissimo articolo! Ben scritto e profondamente appassionato! Grazie mille

  2. Close To Me
    4 dicembre 2009 alle 20:58

    Molto interessante, anche per chi come me, non va tanto oltre la comprensione dell’esempio della mela per spiegare la gravità.
    Premesso questo ti faccio due domande:

    1 Perché è necessario effettuare l’esperimento attraverso due fenditure nel muro?
    2 Nel caso dell’acqua, mi sembra ovvio che si comporti in maniera diversa essendo una sostanza allo stato liquido e quindi con un movimento a onde per sua “natura”.

    • ZaX
      6 dicembre 2009 alle 01:21

      Ciao, grazie per il commento!
      Rispondo subito alle domande:

      1) L’esperimento è fatto su due fenditure perchè la “stranezza” del comportamento dell’elettrone si vede in questa situazione, perchè servono almeno due fenditure per vedere un’interferenza! Con una fenditura l’esperimento non sarebbe replicabile e con 3 o più sarebbe semplicemente più complesso.

      2) infatti il compartamento dei proiettili e quello dell’acqua è perfettamente normale. La cosa strana è solo per gli elettroni, che sono chiaramente particelle ma hanno intereferenza come un’onda.

      Ciao!

      • 7 dicembre 2009 alle 13:52

        Grazie a te per avermi risposto.

        Approfitto della tua chiarezza per un’ ultima cosa: ma se per assurdo l’elettrone non dovesse mai colpire il bersaglio, la sua posizione non sarebbe “calcolabile”?

        • ZaX
          8 dicembre 2009 alle 19:31

          La posizione dell’elettrone infatti non è calcolabile con precisione fino a quando finisce sul secondo bersaglio.
          Si può dire con che probabilità si può trovare in un punto o in un altro, ma dove si trova “realmente” non lo sappiamo fino alla fine.

          La probabilità di trovarsi in un punto piuttosto che in un altro è definita dalla funzione di Scrhodinger, se ti va di approfondire (ma è davvero complessa).

  3. Close To Me
    8 dicembre 2009 alle 20:01

    Ho presente l’esempio del gatto di scrhrodinger e direi che decisamente non ho gli strumenti per addentrarmi oltre…
    Ma ti ringrazio: un po’ di esplorazione in terreni nuovi, ai miei neuroni non può che far bene!

  4. 22 dicembre 2009 alle 23:32

    Bell’articolo, ho studiato da poco questo argomento e così mi è stato facile capirlo…
    Tra gli esperimenti fisico/chimici più belli citerei quello della scoperta della carica dell’elettrone.

  5. Ottavio
    1 gennaio 2010 alle 21:59

    Non si può risolvere l’enigma del dualismo onda-particella se si è convinti che possano esistere dei cosidetti elettroni o fotoni che si proiettano in modo sgangherato in uno spazio immateriale.Secondo il parere di quell’ignorante quale ritengo essere,per risolvere l’enigma,occorre riprodurre la struttura sulla quale più probabilmente si potrebbe trasmettere un’azione meccanica anche laddove si ritiene possa esistere un vuoto assoluto.Se vuoi, potrei offrire in merito, un mio modesto contributo con una scoperta che ritengo abbastanza simpatica e costruttiva.

    • ZaX
      5 gennaio 2010 alle 00:48

      Spara il contributo.
      (Pur sapendo che sono quasi 100 anni che i migliori fisici al mondo ci ragionano su, Einstein per primo, senza risposte chiare)

      • Ottavio Pegolizzi
        5 gennaio 2010 alle 21:06

        Non volermene a male,ma la mia offerta è
        riservata solo a un singolo e non ad una comunità,quindi, onde evitare di finire al rogo perchè pecco troppo di ignoranza,
        concedimi una sede più opportuna dove possa sentirmi a mio agio ed esporti serenamente il risultato del cosidetto
        esperimento messo in atto.

        • ZaX
          5 gennaio 2010 alle 22:08

          Ok, ti invio una mail.

  6. 14 gennaio 2010 alle 16:48

    5 nerds.. grazie ;o))

    Bella l’idea del getto d’acqua per capire il funzionamento delle onde nella fenditura! Grazie per il post.

  7. Mari
    15 gennaio 2010 alle 20:03

    Non sono una nerd, ma ho appena preso un 8 tanto sudato in chimica. Complimenti mi hai fatto capire ciò che la mia prof di scienze cerca disperatamente di spiagare a me e ai miei compagni, tutti ignoranti appassionatamente (ovvero la scoperta di De Broglie se nn ricordo male). 🙂

  8. 30 gennaio 2010 alle 17:23

    Complimenti per la chiarezza e per l’iniziativa. Un esempio, direi, di divulgazione scientifica ottimale. Su una cosa però mi sentirei di dissentire: questi post sono davvero “interessanti”, nel senso che interessano ad un quantitativo sempre maggiore di persone. Una cosa positiva direi… complimenti ancora, a presto.

  9. mario
    4 febbraio 2010 alle 11:10

    complimenti!! finalmente penso di aver capito il dualismo degli elettroni…spero a questo punto che me lo chiedino all’esame!!!

  10. 17 febbraio 2010 alle 14:31

    bravo, bello e ben scritto. sono un’autrice di libri per ragazzi popsso usare questo articolo dicendo autore etc negli esercizi che allego al mio libro che esce per la Fiera di torino ????
    Grazie ciao attendo risposta

    • ZaX
      17 febbraio 2010 alle 14:46

      Naturalmente puoi usare l’articolo come preferisci e se da qualche parte citi il blog sono contento!!
      🙂
      p.s. fammi sapere il titolo!

  11. Niccolo`
    19 marzo 2010 alle 20:50

    Ciao, bell’articolo, avrei un progetto per scuola, e vorrei citare il sito, pero` mi chiedono il nome dell’autore, mi puoi dire il tuo nome? anche via mail se ti va.

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