DOPPIA FENDITURA

Questo esperimento dimostra la duplice natura della luce, la natura particellare, i cosiddetti fotoni e la natura ondulatoria, tipica dei campi elettromagnetici. Lo stesso incredibile risultato è stato conseguito anche per la materia: il dualismo vale anche per gli elettroni, essi si comportano contemporaneamente sia come onde che come particelle.
Proviamo a spiegare l’esperimento senza far ricorso ad equazioni matematiche. La formalizzazione matematica non ci interessa.

 

NATURA PARTICELLARE

Supponiamo di avere due schermi come in figura e supponiamo il primo schermo dotato di due fenditure in grado di essere attraversate da proiettili, per esempio raffiche di pallini da caccia sparati contro il primo schermo. Dopo aver sparato molte raffiche a caso sul primo schermo, guardando sul secondo schermo vedremo due righe verticali che non sono altro che i pallini che sono riusciti ad attraversare le aperture presenti sull primo schermo. Fin qui nulla di incomprensibile.

1NATURA ONDULATORIA

Supponiamo adesso di immergere i due schermi in acqua e supponiamo di lasciar cadere un sasso nell’acqua . Otterremo un’onda che pian piano raggiunge le due fenditure del primo schermo. Cosa accade sul secondo schermo? Quel che succede è che una volta che l’onda raggiunge le due fenditure sul primo schermo, si infrange in tante onde (secondarie) che iniziano a propagarsi nella direzione del secondo schermo interferendo le une con le altre. L’interferenza sarà di due tipi: costruttiva dove gli effetti delle onde si sommano e distruttiva dove gli effetti delle onde si sottraggono. Per farci un’idea guardiamo la figura che segue. (si tratta di una vista dall’alto, dove i quadratini rossi a sinistra rappresentano le due fenditure sul primo schermo mentre sulla destra, sul secondo schermo, i cerchi neri rappresentano le zone in cui le onde hanno interferito in maniera distruttiva e i cerchi rossi le zone in cui le onde hanno interferito in maniera costruttiva.

2Quindi il risultato ottenuto colpendo il primo schermo con un’onda, è differente dal risultato ottenuto con i proiettili; con l’onda, sul secondo schermo non avremo più due sole bande di interferenza tra le onde secondarie generate dalle due fenditure (vedi figura che segue)

3Fin qui nulla di strano. La stranezza si manifesta nel momento in cui invece dei pallini o dell’acqua usiamo degli elettroni.

Sparando elettroni, ci si aspetterebbe che essi a differenza delle onde elettromagnetiche, essendo dotati di massa, si comportino allo stesso modo dei pallini, invece, SORPRESA,  “sparando” degli elettroni uno ad uno verso i due schermi, identici a quelli usati per i pallini, ci accorgiamo che sul secondo schermo non otteniamo due bande come nel caso dei pallini, ma una serie di bande di interferenza come nel caso delle onde.

Nonostante gli elettroni siano delle particelle, gli elettroni finiscono sul bersaglio in posizioni corrispondenti a quelle del secondo esperimento, quello delle onde. L’esperimento dimostra che gli elettroni si comportano alla stessa stregua delle onde, ovvero ogni elettrone ha attraversato contemporaneamente entrambe le fenditure ed ha interferito con se stesso.

Vediamo l’immagine del risultato:

4a

Stiamo parlando di elettroni, cioè di particelle equipaggiate con una massa ben definita. Una volta “sparate” verso due aperture, come fanno ad interferire con se stesse come se fossero delle onde? Per produrre l’interferenza, l’elettrone deve essere per forza un’onda e passare contemporaneamente dai due fori, ma come allora può una particella essere un’onda mentre attraversa le fenditure del primo schermo e poi tornare particella quando colpisce il bersaglio?

Sì, perché i singoli elettroni sono visibili mentre colpiscono il secondo schermo e sono visibili uno per uno (schermo a fosfori uguale agli schermi a tubo catodico dei vecchi televisori e monitor). L’immagine sotto mostra proprio questo

5Ci chiediamo se ci sia qualche errore nell’esperimento, la risposta è ovviamente no! L’errore nasce solamente dal nostro modo di ragionare. Nel mondo della fisica quantistica gli elettroni, sono allo stesso tempo sia onda che particella, e anche se questi concetti non sembrano compatibili, nel mondo dell’infinitamente piccolo essi sono due concetti complementari (Principio di complementarità). Fino a quando l’elettrone non si rivela sul bersaglio esso non si trova mai in un punto preciso dello spazio, ma esiste in uno stato potenziale descritto appunto dall’onda corrispondente. Una volta che l’elettrone arriva sul bersaglio rivela la sua essenza di particella e noi lo vediamo nella sua natura corpuscolare.

I fisici hanno provato a fare questo esperimento osservando l’elettrone e controllando quindi in quale delle due fessure si trovava a passare ed in questo la fisica quantistica si e’ dimostrata a dir poco sorprendente. Quando i fisici seguivano l’elettrone nel suo percorso, ovvero quando l’elettrone veniva osservato si comportava come un corpuscolo e non più come un’onda e sul secondo schermo si ottenevano due bande verticali come nell’esperimento dei proiettili. Se l’elettrone non veniva seguito nel suo percorso ma veniva solamente osservato sul secondo schermo, si comportava esattamente come un onda, quindi sul secondo schermo si ottenevano non più due bande ma tante bande d’interferenza. Insomma, se l’elettrone viene osservato si comporta come un corpuscolo, ma se non viene osservato si comporta come un’onda. Più in generale, affinché l’elettrone si comporti come un’onda è necessario che non vi sia la consapevolezza di quale sia realmente la fenditura in cui l’elettrone si trova a passare. La consapevolezza stessa fa sí che l’ elettrone si comporti come un corpuscolo!

Un altro principio basato sulla consapevolezza è, ad esempio, il principio di indeterminazione di Heisenberg che dice che non è possibile calcolare, nel medesimo istante e con la massima precisione dove si trova un elettrone e a che velocità sta andando.

Questo è una delle tante apparenti illogicità della fisica quantistica, non spiegabile e non comprensibile usando le leggi a cui siamo abituati, ma assolutamente reale e ultradimostrata in mille esperimenti e anche in tantissime applicazioni pratiche che usiamo tutti i giorni.

Ma questa e’ un’altra storia.

 

By Isep-Engineering: Ing. Isoldi Amedeo

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