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 dove, in un momento appare come un’onda, e tuttavia 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 un marmo. Il marmo è un pezzo sferico di vetro situato ad un certo punto nello spazio. Se colpiamo il marmo con il dito, gli impartiamo energia-questa è energia cinetica, e il marmo in movimento prende questa energia con sé., Una manciata di biglie gettate in aria crollano, ogni marmo impartisce energia dove colpisce il pavimento.
Al contrario, le onde sono distribuite. Esempi di onde sono i grandi rulli sull’oceano 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 estesa su una vasta regione, come le increspature quando lasciamo cadere un ciottolo in uno stagno., L’onda porta con sé energia legata al suo movimento. A differenza della particella l’energia è distribuita sullo spazio perché l’onda è sparsa.
Perché le onde sono così diverse dalle particelle
Le particelle in collisione rimbalzano l’una dall’altra ma le onde in collisione passano l’una attraverso l’altra ed emergono invariate. Ma le onde sovrapposte possono interferire-dove un trogolo 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 nello spazio in cui l’onda scompare e regioni in cui diventa più forte.,
L’immagine a sinistra mostra un esempio dell’esperimento a doppia fenditura inventato dal polimatista inglese Thomas Young. Questo fenomeno è chiamato diffrazione.
Al contrario, un marmo lanciato sullo schermo rimbalza o passa direttamente attraverso uno dei fori. Dall’altra parte dello schermo, il marmo si troverà viaggiando in una delle due direzioni, a seconda del foro attraversato.
Onda addio alle onde
Il fenomeno della diffrazione è una proprietà ben nota delle onde luminose., Ma all’inizio del 20 ° secolo, è stato trovato un problema con le teorie delle onde luminose emesse da oggetti caldi, come i carboni ardenti in un fuoco o la luce del sole.
Questa luce è chiamata radiazione del corpo nero. Queste teorie avrebbero sempre predire energia infinita per la luce emessa oltre l’estremità blu dello spettro – la catastrofe ultravioletta.,
La risposta era di assumere 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. Quindi è nata l’idea che le onde luminose si comportino come particelle – queste particelle sono chiamate fotoni.
Se anche la luce, che pensavamo fosse ondulatoria, si comporta 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 diffrattare 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 un modello di diffrazione completo, proprio come se avessimo usato le onde.
Questo è un altro esempio dell’esperimento di fenditura di Young che abbiamo mostrato sopra, ma questa volta usando le onde elettroniche., 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 di elettroni non deposita energia su tutta la superficie del rivelatore, come ci si potrebbe aspettare con un’onda che si schianta 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 visto! In qualche modo, quelle parti dell’onda distanti dal punto di interazione sanno che l’energia è stata persa e scompaiono, istantaneamente.,
Se questo è accaduto con le onde dell’oceano, uno dei surfisti sull’onda vorresti ricevere tutta l’energia e in quel momento l’onda di oceano vorresti scomparire, lungo tutta la lunghezza della spiaggia. Un surfista sarebbe ripresa lungo la superficie dell ” acqua e il resto sarebbe seduto becalmed sulla superficie.
Questo è ciò che accade con fotoni, elettroni e persino onde atomiche. Naturalmente, questo enigma sconvolto un sacco di scienziati, Einstein incluso., Di solito è spazzato sotto il tappeto e glibly indicato come “il crollo della funzione d’onda” sulla misura.
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 tutti i giorni, 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 in realtà attraverso entrambe le fessure contemporaneamente, proprio come un’onda. In termini di particelle diventa impossibile per noi immaginare davvero questo perché è in conflitto con l’esperienza quotidiana.,
Einstein si preoccupava di dove si trova effettivamente la particella e decise che le informazioni mancavano nella teoria quantistica. In un celebre articolo sulle variabili nascoste, Einstein ei suoi colleghi Nathan Rosen e Boris Podolsky hanno derivato due alternative: o la teoria quantistica era sbagliata o il problema risiedeva nella nostra nozione di realtà stessa.,
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 una singola onda. Le misurazioni su una particella influenzano le proprietà fisiche dell’altra particella, anche se possono essere 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!
Quindi cosa c’è di sbagliato nella realtà?
A questo punto l’intero problema diventa molto difficile da ottenere la vostra mente in giro. Ma non preoccupatevi troppo. Come ha detto Richard Feynman, premio Nobel e uomo veramente brillante: “Penso di poter tranquillamente dire che nessuno capisce la meccanica quantistica.”
La maggior parte delle persone che lavorano in questo campo si abitua al concetto e va avanti con le loro vite, o diventa filosofa.
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.”
Vedi altri articoli esplicativi sulla Conversazione.
