La nostra nozione di realtà è costruita sulle esperienze quotidiane. Ma la dualità onda-particella è così strana che siamo costretti a riesaminare le nostre concezioni comuni.
La dualità onda-particella si riferisce alla proprietà fondamentale della materia in cui, in un momento appare come un’onda, e in un altro momento agisce come una particella.
Per comprendere la dualità onda-particella vale la pena esaminare le differenze tra particelle e onde.
Conosciamo tutti le particelle, siano esse biglie, granelli di sabbia, sale in una saliera, atomi, elettroni e così via.
Le proprietà delle particelle possono essere dimostrate con una biglia. Il marmo è una massa sferica di vetro situata in un punto dello spazio. Se facciamo scorrere la biglia con il dito, le trasmettiamo energia: questa è energia cinetica e la biglia in movimento porta con sé questa energia. Una manciata di biglie lanciate in aria crollano, ogni biglia impartisce energia dove colpisce il pavimento.
Al contrario, le onde sono sparse. Esempi di onde sono quelle in mare aperto, le increspature in uno stagno, le onde sonore e le onde luminose.
Se in un momento l’onda è localizzata, qualche tempo dopo si sarà diffusa su una vasta regione, come le increspature quando facciamo cadere un sasso in uno stagno. L’onda porta con sé l’energia legata al suo movimento. A differenza della particella, l’energia è distribuita nello spazio perché l’onda è dispersa.
Perché le onde sono così diverse dalle particelle
Le particelle in collisione rimbalzeranno l’una sull’altra, ma le onde in collisione si attraversano ed emergono invariate. Ma le onde sovrapposte possono interferire: dove un avvallamento si sovrappone a una cresta l’onda può scomparire del tutto.
Questo può essere visto quando parti di un’onda passano attraverso fori ravvicinati in uno schermo. Le onde si diffondono in tutte le direzioni e interferiscono, portando a regioni dello spazio in cui l’onda scompare e regioni in cui diventa più forte.
Un esempio è l’esperimento della doppia fenditura inventato dal poliedrico inglese Thomas Young. Questo fenomeno è chiamato diffrazione.
Al contrario, una biglia lanciata contro lo schermo rimbalza o passa direttamente attraverso uno dei fori. Dall’altro lato dello schermo, la biglia si troverà a viaggiare in una delle due direzioni, a seconda del foro attraversato.
Saluta le onde
Il fenomeno della diffrazione è una proprietà ben nota delle onde luminose. Ma all’inizio del 20° secolo, è stato riscontrato un problema con le teorie delle onde luminose emesse da oggetti caldi, come carboni ardenti in un fuoco o la luce del sole.
Questa luce è chiamata radiazione di corpo nero. Queste teorie prevederebbero sempre un’energia infinita per la luce emessa oltre l’estremità blu dello spettro: la catastrofe ultravioletta.
La risposta era presumere che l’energia delle onde luminose non fosse continua ma arrivasse in quantità fisse, come se fosse composta da un gran numero di particelle, come la nostra manciata di biglie. Così è nata l’idea che le onde luminose agiscano come particelle: queste particelle sono chiamate fotoni.
Se la luce, che pensavamo fosse simile a un’onda, si comportasse anche come una particella, potrebbe essere che oggetti come elettroni e atomi, che sono simili a particelle, possano comportarsi come onde?
Per spiegare la struttura e il comportamento degli atomi si è ritenuto necessario assumere che le particelle abbiano proprietà ondulatorie. Se questo è vero, una particella dovrebbe diffrangere attraverso una coppia di fori ravvicinati, proprio come un’onda.
Diffrazione di elettroni e atomi
Gli esperimenti hanno dimostrato che le particelle atomiche agiscono proprio come le onde. Quando spariamo elettroni su un lato di uno schermo con due fori ravvicinati e misuriamo la distribuzione degli elettroni sull’altro lato, non vediamo due picchi, uno per ogni foro, ma uno schema di diffrazione completo, proprio come se avessimo usato le onde.
Questo è un altro esempio dell‘esperimento della fenditura di Young, ma questa volta usando le onde di elettroni. Queste nozioni costituiscono la base della teoria quantistica, forse la teoria di maggior successo che gli scienziati abbiano mai sviluppato.
La cosa bizzarra dell’esperimento di diffrazione è che l’onda elettronica non deposita energia sull’intera superficie del rivelatore, come ci si potrebbe aspettare con un’onda che si infrange sulla riva.
L’energia dell’elettrone si deposita in un punto, proprio come se fosse una particella. Quindi, mentre l’elettrone si propaga nello spazio come un’onda, interagisce in un punto come una particella. Questo è noto come dualità onda-particella.
Si muove in onde misteriose
Se l’elettrone o il fotone si propaga come un’onda ma deposita la sua energia in un punto, cosa succede al resto dell’onda?
Scompare, da tutto lo spazio, per non essere mai più vista! In qualche modo, quelle parti dell’onda lontane dal punto di interazione sanno che l’energia è andata persa e scompaiono, istantaneamente.
Se ciò accadesse con le onde dell’oceano, uno dei surfisti sull’onda riceverebbe tutta l’energia e in quel momento l’onda dell’oceano scomparirebbe, per tutta la lunghezza della spiaggia.
Questo è ciò che accade con i fotoni, gli elettroni e persino le onde atomiche. Naturalmente, questo enigma sconvolse molti scienziati, incluso Einstein. Di solito viene spazzato sotto il tappeto e chiamato con disinvoltura “il collasso della funzione d’onda” durante la misurazione.
Certa incertezza
Mentre l’onda si propaga, dov’è la particella? Beh, non lo sappiamo per certo. Si trova da qualche parte nella regione dello spazio con una dimensione simile alla distribuzione delle lunghezze d’onda che definiscono la sua onda. Questo è noto come principio di indeterminazione di Heisenberg.
Per le particelle comuni di uso quotidiano, come marmi, sale e sabbia, le loro lunghezze d’onda sono così piccole che la loro posizione può essere misurata con precisione. Per atomi ed elettroni, questo diventa meno chiaro.
Nell’esperimento di diffrazione la lunghezza d’onda dell’elettrone è grande, quindi la posizione dell’elettrone è molto incerta. L’elettrone viaggia effettivamente attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente, proprio come un’onda. In termini di particelle diventa impossibile per noi immaginarlo davvero perché è in conflitto con l’esperienza quotidiana.
Einstein si preoccupava di dove si trovasse effettivamente la particella e decise che nella teoria quantistica mancavano informazioni. In un celebre articolo sulle variabili nascoste, Einstein e i suoi colleghi Nathan Rosen e Boris Podolsky hanno derivato due alternative: o la teoria quantistica era sbagliata o il problema risiedeva nella nostra stessa nozione di realtà.
Una serie di esperimenti precisi e intelligenti ha dimostrato che la teoria quantistica era corretta e che la nostra nozione di realtà è in errore (vedi la disuguaglianza di Bell e il paradosso di Einstein, Rosen e Podolsky).
Comportamento spettrale
Ma questa non è la fine della storia. Gli esperimenti che hanno smentito le nostre nozioni di realtà hanno coinvolto due particelle collegate tra loro come un’unica onda. Le misurazioni su una particella influiscono sulle proprietà fisiche dell’altra particella, anche se possono essere molto distanti. Questo è noto come “azione spettrale a distanza” ed è una conseguenza dell’entanglement quantistico.
È un concetto molto sottile ma sta formando la base dei computer quantistici e della crittografia quantistica!
Allora cosa c’è di sbagliato nella realtà?
A questo punto l’intero problema diventa molto difficile da capire. Ma non preoccuparti troppo di questo. Come ha detto Richard Feynman, premio Nobel e uomo davvero brillante: “Penso di poter tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica”.
La maggior parte delle persone che lavorano in questo campo si abituano al concetto e vanno avanti con la propria vita, o diventano filosofi.
E per quanto riguarda la realtà?
Penso che il professor Feynman abbia l’ultima parola anche su questo: “… il paradosso è solo un conflitto tra la realtà e la tua sensazione di ciò che la realtà dovrebbe essere”.
Autore
Tim Davis, CSIRO
