venerdì 9 ottobre 2015

I Fori di Young


 Ciao a tutti amanti della fisica!
 Proseguiamo oggi con la storia della fisica quantistica, che avevamo lasciato qui. Abbiamo visto che l'energia è una quantità quantizzata,
e che le onde elettromagnetiche sono costituite proprio da quanti di energia: i fotoni. Ricordiamo inoltre che l'energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione elettromagnetica ad esso associata.
 Oggi però ci occupiamo di uno dei risultati più sconvolgenti raggiunti nell'ultimo secolo: l'esperimento della doppia fenditura. Si tratta di un fenomeno così imprevedibile che Richard Feynman ripeteva spesso che questo rappresenta la chiave per capire la fisica quantistica


 L'esperimento che riporterò è stato eseguito per la prima volta nel 1961 ma il risultato che ne è conseguito era già noto ai padri della meccanica quantistica *(lo stesso risultato si può infatti ottenere in vari modi, ma a mio parere questo è quello di più facile comprensione) , pertanto il nostro percorso storico non sarà compromesso.

L'interferenza

  Prima di incominciare però facciamo un passo indietro e portiamoci nel 1801. Newton era morto da più di settant'anni, e aveva lasciato dietro di sè una serie di questioni aperte. Fra le più importanti, ci si chiedeva se la luce fosse costituita da particelle o se invece avesse una natura ondulatoria. A dire il vero noi stessi dovremmo essere confusi a riguardo: abbiamo visto che la luce non è altro che un'onda elettromagnetica, ma che al tempo stesso è costituita da particelle **(fotoni) . Notiamo però che a priori la natura ondulatoria e corpuscolare non si escludono necessariamente a vicenda. Basti pensare alle onde del mare, che si comportano ovviamente come onde ma sono composte da molecole d'acqua: le singole particelle potrebbero presentare un comportamento corpuscolare, mentre un gran numero di esse potrebbe seguire un comportamento ondulatorio. Diversamente da quanto ci si aspetterebbe, però, ciò non è vero per le singole particelle: nel loro caso natura ondulatoria e corpuscolare si escludono vicendevolmente, come vedremo tra poco. A quel tempo però, tutto ciò non era per niente chiaro.

 La diatriba andò avanti per diversi anni. Ci si chiedeva ad esempio se si poteva fare riferimento a una qualche proprietà della luce che avrebbe reso evidente la sua natura. A tale scopo venne presa in esame l'interferenza. Vedremo tra poco di che si tratta. In sostanza si assumeva che l'interferenza fosse un fenomeno così peculiare delle onde, che se qualcuno fosse riuscito a far interferire la luce la teoria ondulatoria avrebbe trionfato.

 Così, nel 1801, Thomas Young, un grandissimo scienziato inglese, progettò un'esperimento che avrebbe gettato luce sulla faccenda: l'esperimento della doppia fenditura. Lo schema sperimentale è riportato qui sotto:
Animazione tratta da Wikipedia
Cosa vediamo?
  1. Una luce monocromatica ***(ovvero composta da una sola frequenza) attraversa una piccola fenditura in un piano. (primo "scomparto" a sinistra) Questo serve solamente a far sì che la luce che entra in una delle due successive fenditure sia identica a quella che attraversa l'altra.
  2. La luce si diffonde nel secondo "scomparto" e va a incidere su un secondo piano, sul quale sono presenti due fenditure. Fin qui nulla di strano
  3. La luce arriva nel terzo "scomparto", in cui i raggi provenienti da entrambe le fenditure si sovrappongono.
  4. I due raggi vanno a incidere su un rivelatore, che permette di determinare in quali punti la luce è più intensa e in quali è più fioca.
 Cosa ci aspettiamo di trovare?
  •  Se la luce avesse una natura corpuscolare ci aspetteremmo di rivelare due zone, in corrispondenza delle due fenditure, in cui l'intensità luminosa è maggiore. La luce incidente sul rivelatore diventerebbe via via più fioca con l'allontanarsi da queste due zone.
  •  Se la luce avesse una natura ondulatoria invece ci aspetteremmo di osservare una serie di zone luminose intervallate da zone "buie". Una zona più luminosa si troverebbe a metà via tra le due fenditure, ma l'intensità delle zone luminose andrebbe sfumando con l'allontanarsi da quella centrale. Più semplicemente, ci aspetteremmo di rivelare questo:


  Questo comportamento è detto interferenza.
Vinse l'ipotesi ondulatoria, che ebbe ulteriore conferma quando Maxwell mostrò che la luce stessa non era altro che un'onda elettromagnetica.
Ok, ma perché questo è importante per la fisica quantistica? Continuate a leggere e capirete!

I dubbi riaffiorano

  L'ipotesi corpuscolare fu accantonata per più di un secolo, fino a quando Einstein non dimostrò che in alcune circostanze la luce si comporta proprio come se fosse composta di particelle. A ciò si aggiunsero numerosi altri esperimenti che sostenevano nuovamente l'ipotesi corpuscolare. Insomma, la diatriba era tutt'altro che chiusa, e venne risolta nel più imprevedibile dei modi.

 Era il 1924, e nessuno capiva più quale natura era giusto sostenere. Ma poi arrivò lui: De Broglie, che nella sua tesi di dottorato fornì la soluzione al problema.

"Non solo la luce possiede sia proprietà corpuscolari che ondulatorie, ma anche tutta la materia presenta proprietà ondulatorie."






 
 De Broglie vinse il Nobel a soli 35 anni. Era l'alba del dualismo onda-particella

 Tuttavia, De Broglie l'aveva sparata proprio grossa, e ora bisognava trovare conferma della sua teoria. Ecco che allora ci occupiamo nuovamente dell'esperimento della doppia fenditura.

Il sistema fisico ha una sua intelligenza?

 Torniamo alla doppia fenditura, ma decidiamo di prenderci una pausa, e dato che ci siamo così stufati dell'esperimento cominciamo a lanciargli contro delle palline da tennis, cercando di farle passare attraverso una delle due fenditure (opportunamente allargate). Dato però che siamo dei nerd incalliti, andiamo a disegnare un puntino in corrispondenza dell'impatto tra la pallina e il piano rivelatore. In questo modo potremo non solo tener conto del punteggio raggiunto, ma avremo anche una serie di dati rigurdanti il comportamento di un insieme di particelle che vanno a incidere sulle due fenditure.

 Quello che otteniamo alla fine è grossomodo questo:


 Insomma, mediamente le palline da tennis raggiungono il piano rivelatore in prossimità delle due fenditure. Prima di andarcene a casa decidiamo però di ripetere l'esperimento lanciandogli contro degli elettroni. E' possibile infatti modificare l'apparato in modo che solo un elettrone per volta raggiunga il piano con le fenditure.

 Quello che ci aspettiamo di osservare non è dissimile da quello che abbiamo ottenuto con le palline da tennis. D'altronde stiamo comunque lanciando particelle, anche se sono molto più piccole.

...Invece quello che osserviamo è del tutto diverso. A differenza di quanto accadeva con le molecole d'acqua delle onde, che singolarmente si comportavano come corpuscoli, sembra che anche i singoli elettroni presentino un comportamento ondulatorio! Gli elettroni si distribuiscono in bande, esattamente come fa la luce. Insomma, hanno più probabilità di cadere in una zona compresa tra le due fenditure. Ai capi di questa banda centrale si formano due zone "oscure" in cui non cade nessun elettrone, quindi si formano altre zone un cui gli elettroni hanno probabilità di atterrare, quindi altre zone buie, e così via. Quello che otteniamo è riportato molto accuratamente in questo video.

Ma le sorprese non sono finite! Incuriositi da questo comportamento insolito ci avviciniamo alle fenditure, e modifichiamo l'apparato in modo da poter determinare attraverso quale foro passi il singolo elettrone ogni volta che lo spariamo addosso al piano. Idealmente possiamo immaginare di mettere una lente di ingrandimento in prossimità di una fenditura. Se vediamo passare l'elettrone vuol dire che ha attraversato quella fenditura. Se invece vediamo la sua traccia sul piano ma non l'abbiamo visto passare con la lente vuol dire che è passato per l'altra. 

 Che succede quindi? Nel momento stesso in cui siamo in grado di stabilire quale fenditura abbia attraversato il singolo elettrone, la figura di interferenza non si forma più e la distribuzione degli elettroni sul piano rivelatore diventa identica a quella delle palline da tennis! Non importa quale metodo utilizziamo: la "natura ondulatoria" degli elettroni scompare non appena siamo in grado di affermare attraverso quale foro sia passato il singolo elettrone. Lo stesso comportamento si osserva per tutte le altre particelle.

 Sembra quasi che vi sia un'intelligenza soggiacente che si accorge se stiamo guardando il sistema, e decide di modificarlo in modo da non farci osservare contemporaneamente la natura ondulatoria e corpuscolare delle particelle. A questo ci si riferisce in fisica quantistica quando si afferma che "l'osservatore influenza l'esito di un esperimento". Quello che abbiamo capito quindi è che la natura si comporta diversamente se qualcuno sta effettuando una misura su di essa. Il comportamento di un sistema fisico è legato quindi alla natura delle sue particelle: quando queste manifestano un carattere corpuscolare il sistema evolve in un certo modo, quando invece manifestano un carattere ondulatorio il sistema evolve diversamente.

Conclusioni

 Il risultato presentato in quest'articolo è certamente uno dei fenomeni più stupefacenti che conosco, ma è doveroso fare una precisazione. Oggi riusciamo a dare una spiegazione molto accurata all'esperimento della doppia fenditura, non c'è nulla di magico o divino in tutto questo. In questa serie di articoli sulla meccanica quantistica arriveremo sicuramente a spiegare il perché di questo comportamento così insolito. Tuttavia, l'articolo è fin troppo lungo così com'è, e proseguiremo un'altra volta.
 Grazie per aver letto fin qui,

Giulio



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