L’esperimento della doppia fenditura è uno degli esperimenti più famosi della fisica e sicuramente uno dei più strani. Dimostra che la materia e l’energia (come la luce) possono mostrare caratteristiche sia ondulatorie che particellari – note come dualità particella-onda della materia – a seconda dello scenario, secondo il sito di comunicazione scientifica Interesting Engineering.
Secondo l’Università del Sussex, il fisico americano Richard Feynman ha definito questo paradosso il mistero centrale della meccanica quantistica.
Sappiamo che il mondo quantistico è strano, ma l’esperimento delle due fenditure porta le cose a un livello completamente nuovo. L’esperimento lascia perplessi gli scienziati da oltre 200 anni, da quando la prima versione è stata eseguita per la prima volta dallo scienziato britannico Thomas Young nel 1801.
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Come funziona l’esperimento della doppia fenditura?
Christian Huygens è stato il primo a descrivere la luce come un viaggio in onde, mentre Isaac Newton pensava che la luce fosse composta da minuscole particelle secondo l’Osservatorio di Las Cumbres. Ma chi ha ragione? Il poliedrico britannico Thomas Young ha progettato l’esperimento della doppia fenditura per mettere alla prova queste teorie.
Per apprezzare la natura davvero bizzarra dell’esperimento della doppia divisione dobbiamo prima capire come agiscono le onde e le particelle quando passano attraverso due fenditure.
Schemi di interferenza dalle onde
Quando Young eseguì per la prima volta l’esperimento della doppia divisione nel 1801, scoprì che la luce si comportava come un’onda.
In primo luogo, se dovessimo puntare una luce su una parete con due fessure parallele — e per semplicità, diciamo che questa luce ha una sola lunghezza d’onda.
Quando la luce passa attraverso le fessure, ciascuna, a sua volta, diventa quasi come una nuova fonte di luce. Sul lato opposto del divisore, la luce di ciascuna fenditura si diffrange e si sovrappone alla luce dell’altra fenditura, interferendo tra loro.
Secondo la Stony Brook University, qualsiasi onda può creare uno schema di interferenza, sia che si tratti di un’onda sonora, di un’onda luminosa o di un’onda attraverso uno specchio d’acqua. Quando una cresta d’onda colpisce una depressione d’onda, si annullano a vicenda, nota come interferenza distruttiva, e appaiono come una banda scura. Quando una cresta colpisce una cresta, si amplificano a vicenda, nota come interferenza costruttiva, e appaiono come una banda luminosa. La combinazione di bande scure e luminose è nota come modello di interferenza e può essere vista sullo schermo del sensore di fronte alle fessure.
Questo schema di interferenza era la prova di cui Young aveva bisogno per determinare che la luce era un’onda e non una particella come aveva suggerito Newton.
Ma non è tutta la storia. La luce è un po’ più complicata di così, e per vedere quanto sia davvero strana, dobbiamo anche capire quale schema farebbe una particella su un campo sensore.
Modelli di particelle
Se dovessi eseguire lo stesso esperimento e sparare granelli di sabbia o altre particelle attraverso le fessure, ti ritroveresti con uno schema diverso sullo schermo del sensore. Ogni particella passerebbe attraverso una fenditura e finirebbe in una linea all’incirca nello stesso punto (con un po’ di diffusione a seconda dell’angolo in cui la particella è passata attraverso la fenditura).
Chiaramente, onde e particelle producono uno schema molto diverso, quindi dovrebbe essere facile distinguere tra i due, giusto? Bene, è qui che l’esperimento della doppia fenditura diventa un po’ strano quando proviamo a eseguire lo stesso esperimento ma con minuscole particelle di luce chiamate fotoni. Entra nel regno della meccanica quantistica.
Esperimento della doppia fenditura: meccanica quantistica
Il più piccolo costituente della luce sono le particelle subatomiche chiamate fotoni. Usando i fotoni al posto dei granelli di sabbia possiamo condurre l’esperimento della doppia fenditura su scala atomica.
Se si blocca una delle fenditure, quindi è solo un esperimento a fenditura singola, e si sparano fotoni attraverso lo schermo del sensore, i fotoni appariranno come punti di spillo sullo schermo del sensore, imitando i modelli di particelle prodotti dalla sabbia nel precedente esempio. Da questa evidenza, potremmo suggerire che i fotoni sono particelle.
Ora, è qui che le cose iniziano a diventare strane.
Se sblocchi la fenditura e scatti foto attraverso entrambe le fenditure, inizi a vedere qualcosa di molto simile allo schema di interferenza prodotto dalle onde nell’esempio della luce. I fotoni sembrano aver attraversato la coppia di fenditure agendo come onde.
Ma cosa succede se lanciate i fotoni uno per uno, lasciando abbastanza tempo tra loro da non avere possibilità di interferire tra loro, si comporteranno come particelle o onde?
All’inizio, i fotoni appaiono sullo schermo del sensore in modo casuale, ma man mano che ne spari sempre di più, inizia a emergere uno schema di interferenza. Ogni fotone da solo sembra contribuire al comportamento ondulatorio generale che si manifesta come uno schema di interferenza sullo schermo, anche se sono stati lanciati uno alla volta in modo che non fosse possibile alcuna interferenza tra di loro.
È quasi come se ogni fotone fosse “consapevole” che ci sono due fenditure disponibili. Come? Si divide in due e poi si ricongiunge dopo la fessura e poi colpisce il sensore? Per indagare su questo, gli scienziati hanno installato un rivelatore in grado di dire in quale fessura passa il fotone.
Di nuovo, spariamo i fotoni uno alla volta sulle fenditure, come abbiamo fatto nell’esempio precedente. Il rivelatore rileva che circa il 50% dei fotoni è passato attraverso la fenditura superiore e circa il 50% da quella inferiore e conferma che ogni fotone passa attraverso una fenditura o l’altra. Niente di troppo insolito lì.
Ma quando osserviamo lo schermo del sensore in questo esperimento, emerge uno schema diverso.
Questo schema corrisponde a quello che abbiamo visto quando abbiamo sparato particelle attraverso le fessure. Sembra che il monitoraggio dei fotoni li induca a passare dallo schema di interferenza prodotto dalle onde a quello prodotto dalle particelle.
Se il rilevamento di fotoni attraverso le fenditure sembra influenzare il pattern sullo schermo del sensore, cosa succede se lasciamo il rivelatore in posizione ma lo spegniamo? (Shh, non dire ai fotoni che non li stiamo più spiando!)
È qui che le cose si fanno davvero, davvero strane.
Stesse fessure, stesse foto, stesso rilevatore, appena spento. Vedremo lo stesso schema particellare?
no. Le particelle creano di nuovo un modello di interferenza simile a un’onda sullo schermo del sensore.
Gli atomi sembrano agire come onde quando non li stai guardando, ma come particelle quando lo sei. Come? Bene, se puoi rispondere, un premio Nobel ti sta aspettando.
Negli anni ’30, gli scienziati proposero che la coscienza umana potesse influenzare la meccanica quantistica. Il matematico John Von Neumann ha postulato questo per la prima volta nel 1932 nel suo libro “The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics”. Negli anni ’60, il fisico teorico Eugene Wigner concepì un esperimento mentale chiamato L’amico di Wigner, un paradosso della fisica quantistica che descrive gli stati di due persone, una che conduce l’esperimento e l’osservatore della prima persona, secondo la rivista scientifica Popular Mechanics. L’idea che la coscienza di una persona che esegue l’esperimento possa influenzare il risultato è nota come interpretazione di Von Neumann-Wigner.
Sebbene alcune persone credano ancora a una spiegazione spirituale del comportamento della meccanica quantistica, incluso l’autore e sostenitore della medicina alternativa Deepak Chopra, la maggioranza della comunità scientifica l’ha ignorata da tempo.
Quanto a una teoria più plausibile, gli scienziati sono perplessi.
Inoltre, e forse ancora più sorprendentemente, se imposti l’esperimento della doppia fenditura per rilevare quale fenditura ha attraversato il fotone dopo che il fotone ha già colpito lo schermo del sensore, ti ritroverai comunque con un modello di tipo particellare sullo schermo del sensore, anche se il fotone non era stato ancora rilevato quando ha colpito lo schermo. Questo risultato suggerisce che il rilevamento di un fotone in futuro influisce sul modello prodotto dal fotone sullo schermo del sensore in passato. Questo esperimento è noto come l’esperimento della gomma quantistica ed è spiegato più dettagliatamente in questo video informativo del Fermilab.
Non comprendiamo ancora del tutto come funzioni esattamente la dualità particella-onda della materia, motivo per cui è considerata uno dei più grandi misteri della meccanica quantistica.
Storia dell’esperimento della doppia fenditura
La prima versione dell’esperimento della doppia fenditura fu eseguita nel 1801 dal poliedrico britannico Thomas Young, secondo l’American Physical Society (APS). Il suo esperimento ha dimostrato l’interferenza delle onde luminose e ha fornito la prova che la luce era un’onda, non una particella.
Young ha anche utilizzato i dati dei suoi esperimenti per calcolare le lunghezze d’onda dei diversi colori della luce e si è avvicinato molto ai valori moderni.
Nonostante il suo convincente esperimento che la luce fosse un’onda, coloro che non volevano accettare che Isaac Newton potesse essersi sbagliato su qualcosa di sbagliato Young. (Newton aveva proposto la teoria corpuscolare, che postulava che la luce fosse composta da un flusso di minuscole particelle che chiamava corpuscoli.)
Secondo APS, Young ha scritto in risposta a uno dei critici: “Per quanto io veneri il nome di Newton, non sono quindi obbligato a credere che fosse infallibile”.
Dallo sviluppo della meccanica quantistica, i fisici ora riconoscono che la luce è sia una particella che un’onda.
Risorse addizionali
Esplora l’esperimento della doppia fenditura in modo più dettagliato con questo articolo dell’Università di Cambridge, che include immagini di schemi di elettroni in un esperimento della doppia fenditura. Scopri la vera natura della luce con Canon Science Lab. Leggi frammenti di energia che non sono onde o particelle, ma potrebbero essere i mattoni fondamentali dell’universo, in questo articolo di The Conversation. Immergiti nell’esperimento delle due fenditure in questo articolo pubblicato sulla rivista Nature.
bibliografia
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