Cos’è la dualità onda-particella

La nostra idea di realtà si basa sull’esperienza quotidiana. Tuttavia, la dualità onda-particella è così strana da costringerci a rivedere le nostre concezioni comuni.

Questo fenomeno descrive come la materia possa comportarsi a volte come un’onda e altre come una particella, a seconda di come la osserviamo.

Particelle e onde: due comportamenti opposti

Tutti abbiamo familiarità con le particelle: palline di vetro, granelli di sabbia, atomi, elettroni, ecc.

• Una particella è un oggetto localizzato nello spazio. Se lanciamo una pallina, questa trasporta energia in modo ben definito, seguendo una traiettoria precisa.
• Al contrario, un’onda (come quelle del mare, il suono o la luce) è un fenomeno delocalizzato. Se gettiamo un sasso in uno stagno, le increspature si diffondono in tutte le direzioni.

Perché onde e particelle sono così diverse?

• Particelle: Se due particelle si scontrano, rimbalzano. Se vengono lanciate contro uno schermo con due fessure, passano solo da una delle due.
• Onde: Se due onde si incontrano, possono interferire, sommarsi o annullarsi. Se un’onda passa attraverso due fessure, si divide e crea una figura di interferenza (come nell’esperimento della doppia fenditura di Thomas Young).

La luce: un’onda che si comporta come una particella

All’inizio del ‘900, gli scienziati scoprirono che la luce emessa da corpi caldi (come il sole o il carbone ardente) non seguiva le previsioni classiche. La teoria delle onde prevedeva un’energia infinita nella regione ultravioletta (catastrofe ultravioletta).

La soluzione arrivò con Max Planck e Albert Einstein, che ipotizzarono che la luce fosse composta da “pacchetti” discreti di energia, chiamati fotoni. In altre parole, la luce, pur essendo un’onda, a volte si comporta come una particella.

E se anche le particelle fossero onde?

Se la luce può essere sia un’onda che una particella, è possibile che anche gli elettroni e gli atomi abbiano un comportamento ondulatorio?

L’esperimento della doppia fenditura con gli elettroni

Quando si sparano elettroni verso uno schermo con due fessure, ci si aspetterebbe che passino solo da una delle due, comportandosi come particelle. Invece, si osserva una figura di interferenza, tipica delle onde!

Ma c’è di più:

• Se misuriamo da quale fenditura passa l’elettrone, la figura di interferenza scompare e l’elettrone si comporta come una particella.
• Se non misuriamo il percorso, l’elettrone sembra passare da entrambe le fessure contemporaneamente, come un’onda.

Questo fenomeno è chiamato dualità onda-particella.

Il collasso della funzione d’onda e l’indeterminazione

Quando un’onda (come quella di un elettrone) interagisce con un rivelatore, tutta la sua energia si concentra in un singolo punto, come se fosse una particella. Il resto dell’onda scompare istantaneamente in tutto lo spazio. Questo è il cosiddetto “collasso della funzione d’onda”.

Ma dov’è l’elettrone prima di essere misurato?

• Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, non possiamo conoscere con precisione sia la posizione che la velocità di una particella quantistica.
• Più cerchiamo di localizzarla, più perdiamo informazioni sul suo movimento.

La realtà è più strana di quanto pensiamo

Einstein era turbato da queste stranezze e propose che la meccanica quantistica fosse incompleta. Tuttavia, esperimenti successivi (come quelli sul paradosso EPR e la disuguaglianza di Bell) confermarono che la teoria quantistica è corretta, mentre è la nostra nozione di realtà a essere inadeguata.

Entanglement quantistico: “azione spettrale a distanza”

Se due particelle sono legate quantisticamente (entangled), una misura su una influisce istantaneamente sull’altra, anche se sono separate da grandi distanze. Einstein definì questo fenomeno “azione spettrale a distanza”, e oggi è alla base di tecnologie come i computer quantistici e la crittografia quantistica.

Conclusione: accettare l’incomprensibile?

La meccanica quantistica sfida il nostro senso comune. Come disse Richard Feynman, premio Nobel per la fisica:

“Credo di poter dire con sicurezza che nessuno comprende davvero la meccanica quantistica.”

E riguardo alla realtà?

“Il paradosso è solo un conflitto tra la realtà e ciò che pensi che la realtà dovrebbe essere.”

In altre parole, il mondo quantistico non obbedisce alla nostra intuizione, ma funziona esattamente come previsto dalla teoria. Sta a noi adattarci a questa strana, affascinante verità.