Dualismo onda-particella – un paradosso?

Dualismo onda-particella… “l’una o l’altra” o “l’una E l’altra”?

Cerchiamo di capirci qualcosa

Nei libri di testo di fisica si definisce un’onda come “una perturbazione che trasporta energia attraverso un mezzo senza comportare un associato spostamento della materia”.

La definizione di onda è, tuttavia, soggetta a dibatto.

Una vibrazione, ossia il moto “avanti e indietro” intorno a un punto definito, non è necessariamente un’onda. In questi casi, infatti, l’energia vibrazionale si “muove” senza un moto collettivo delle particelle in cui si propaga.

Tuttavia, quando si ha a che fare con le onde stazionarie (per esempio le onde sulle corde di una chitarra), dove l’energia non viene trasportata lungo lo spazio, si parla di vere e proprie “onde”. Per questo motivo, capita che nella definizione di onda si citi solamente la propagazione di un “disturbo”, senza richiedere il trasporto di energia.

onde stazionarie
Rappresentazione grafica di vari tipi di onde stazionarie. fonte

Per le onde elettromagnetiche (ad esempio la luce) bisogna considerare che il concetto di mezzo non vale poi tanto, in quanto queste onde si propagano tranquillamente anche nel vuoto.

Nonostante ciò, le onde sono caratterizzate da specifiche caratteristiche che, a prescindere dalla definizione, si applicano in maniera univoca a tutti i tipi di onda (da quelle marine a quelle elettromagnetiche).

Insomma, è veramente facile riconoscere se un qualcosa si comporta come un’onda.

Ma che vuol dire?

Vuol dire che tutte le onde manifestano comportamenti comuni in situazioni standard.

In particolare ci possiamo focalizzare su due di questi

  • Diffrazione

Tipica di ogni genere di onda, la diffrazione è il fenomeno che segue l’interazione di un’onda con un ostacolo di dimensioni che sono comparabili alla sua lunghezza d’onda.

In parole povere, l’onda non “devia” semplicemente, come farebbe un corso d’acqua, ma può subire (a seconda delle condizioni) variazioni radicali delle sue proprietà.

dualismo onda particella
Un caso specifico di diffrazione, un’onda interagisce con un foro in una parete e il suo “profilo” va da lineare a circolare. fonte
  • Interferenza

Fenomeno dovuto alla sovrapposizione, in un punto dello spazio, di due o più onde, l’interferenza fa sì che si osservi, in quel punto, un’onda risultante diversa rispetto alla somma delle intensità associate ad ogni singola onda di partenza.

Questo fenomeno, apparentemente paradossale, dipende da come le due onde si “incontrano” nello spazio.

I due casi estremi (come si può vedere in figura) sono onde completamente in fase e onde completamente fuori fase.

dualismo onda particella
Interferenza costruttiva e distruttiva di onde in e fuori fase. fonte

E le particelle?

In fisica una particella è un costituente microscopico della materia.

Secondo il modello standard (di cui abbiamo già parlato qui su Missione Scienza) le particelle possono essere elementari e non-elementari, le prime sono i costituenti indivisibili della materia, le seconde sono aggregati delle prime.

Per farvi un esempio, tutti sappiamo che gli atomi sono composti da elettroni, neutroni e protoni (ossia le particelle subatomiche).

Se gli elettroni sono considerati essere particelle elementari, ossia non si possono suddividere ulteriormente in altre particelle, neutroni e protoni sono composti, a loro volta, da altre particelle, i quark (esatto, come il programma televisivo).

Specificamente, i protoni e i neutroni sono entrambi costituiti da tre quark. I protoni da due quark “up” e un quark “down”, i neutroni da due quark “down” e un quark “up”.

Inutili complessità a parte, la materia (che è costituita da particelle) ha, come le onde,un comportamento specifico e distinto.

Insomma, è veramente facile riconoscere se qualcosa si comporta come una particella.

Oppure no?

Qui gatta ci cova

Fino alla fine del diciannovesimo secolo questi due concetti (onda e particella) sono stati fortemente separati,  considerati quasi diametralmente opposti e non coniugabili, come fuoco e acqua.

Tuttavia, l’interpretazione di alcuni esperimenti compiuti all’inizio del ventesimo secolo, iniziò a suggerire che tale distinzione non fosse poi così scontata.

Prendiamo ad esempio la luce, tutti sappiamo che la luce fa parte dello spettro elettromagnetico e che lo spettro elettromagnetico riguarda le onde…

quindi la luce è un’onda?

Beh, è un po’ più complicato di così

Ci sono fior fior di esperimenti che provano che la luce ha “natura ondulatoria”, primo fra tutti l’esperimento di Young nel 1801).

Questo esperimento sfrutta proprio le due proprietà delle onde che abbiamo descritto poco fa, diffrazione e interferenza.

Una sorgente luminosa, infatti, viene posta dietro uno schermo opaco con due fenditure. Queste fenditure sono abbastanza piccole da creare diffrazione, così facendo l’unico fascio di luce lineare viene diviso in due fonti luminose adiacenti, con “profilo” circolare.

Questo fa sì che si vengano a creare delle interferenze, che portano alla creazione di bande di luce e ombra alternate su un secondo pannello opaco, posto dopo il pannello forato.

Aiutiamoci con un supporto grafico.

dualismo onda particella
Rappresentazione grafica dell’esperimento di Young. fonte

C’è un però

Esiste un nobile esempio di un esperimento che porta a un risultato in controtendenza.

Infatti pochi sanno che Albert Einstein, che ricevette il premio Nobel nel 1921, vinse non per la teoria della relatività, bensì per il suo studio dell’effetto fotoelettrico.

l’effetto fotoelettrico è un fenomeno fisico che comporta l’emissione di elettroni da parte di una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica (ad esempio luce).

Questo effetto è facilmente osservabile ed è menzionato fin dai primi anni del 1850, tuttavia fu Albert Einstein nel 1905 a darne la corretta interpretazione, intuendo che l’estrazione degli elettroni dalla superficie si spiegava più semplicemente e più coerentemente ipotizzando l’esistenza di particelle (o quanti) di luce, poi denominati fotoni.

effetto fotoelettrico
Rappresentazione grafica dell’effetto fotoelettrico, i fotoni (in blu) fanno sì che gli elettroni (in arancione) vengano espulsi dalla superficie del metallo. fonte

Dualismo onda-particella

Insomma la luce a volte è un’onda, a volte è una particella…

Per entrambi i casi si possono sviluppare esperimenti che comprovino questa “doppia natura”.

Invece di condannare e censurare questa apparente contraddizione, la comunità scientifica ha deciso di fare suo questo dilemma e investigarne più profondamente l’origine.

In fisica infatti con “dualismo onda-particella” si definisce la duplice natura della radiazione elettromagnetica (che include la luce).

Questo apparente paradosso rimase tale fino alla formulazione della meccanica quantistica, nella quale si riuscì a descrivere i due aspetti in modo coerente, specificandone la modalità all’interno del “principio di complementarità”.

Apparentemente, una O l’altra

Il principio di complementarità afferma che questo duplice aspetto non può essere osservato contemporaneamente durante lo stesso esperimento, l’osservazione dell’uno in un singolo processo sperimentale preclude cioè quella dell’altro.

Insomma la luce può comportarsi come un’onda o una particella, mai, però, nello stesso momento.

Ok, un’onda può a volte comportarsi come la materia…

Ma l’opposto non può essere vero, no?

la materia è materia…

Sfortunatamente, anche questa volta non è così facile.

Siamo fatti di onde (a quanto pare)

Nel 1924, Louis de Broglie fece un ulteriore passo avanti.

Ipotizzò che, come la luce possiede proprietà corpuscolari e ondulatorie, tutta la materia (corpuscolare per eccellenza) abbia anche proprietà ondulatorie.

Per questo salto concettuale vinse il Nobel per la fisica nel 1929.

Infatti, Clinton Joseph Davisson e George Paget Thomson confermarono le previsioni di De Broglie dirigendo un fascio di elettroni (che erano stati fino ad allora assimilati esclusivamente a particelle) contro un reticolo cristallino di alluminio, osservandone comportamenti inequivocabilmente ondulatori, ricevendo così il premio Nobel nel 1937.

Anche in questo caso, quello che si osserva è il risultato di diffrazione e interferenza.

dualismo onda-particella
Paragone fra la diffrazione dei raggi X (parte dello spettro elettromagnetico, quindi di certo onde, almeno in questo caso) e la diffrazione di un fascio di elettroni attraverso un foglio di alluminio. L’immagine lascia poco spazio all’interpretazione. fonte

Ironicamente il Thomson citato sopra era figlio d’arte di Joseph John Thomson, che ottenne il premio Nobel per aver scoperto proprio l’elettrone, dimostrandone la natura particellare.

Confusi?

Non siete i soli.

A seguito degli esperimenti di Davisson e Thomson, per chi ancora all’epoca non era totalmente convinto che la materia a volte si comportasse come un’onda, ulteriori esperimenti sono stati portati a termine con successo utilizzando protoni e particelle più pesanti, dimostrando nuovamente l’apparizione di fenomeni di natura ondulatoria.

Una soluzione quantistica

La meccanica quantistica interpreta (e parzialmente risolve) il dualismo onda-particella attraverso la natura probabilistica di un qualsiasi evento fisico.

La probabilità ha un andamento, in qualche modo, periodico nello spaziotempo, analogo ad un qualsiasi fenomeno ondulatorio.

Non che questo aiuti tanto per la confusione…

Paradossalmente, Einstein stesso tentò in tutti i modi, elaborando sofisticati esperimenti mentali, di contrastare questa visione dualistica della realtà fisica.

Si dovette però arrendere all’evidenza dei fatti sperimentali e alla potenza predittiva della meccanica quantistica nel mondo microscopico, a cui anche lui, indirettamente, diede comunque contributi notevoli.

Conclusioni

Per chi avesse ancora problemi ad accettare una natura così apparentemente paradossale (o si stesse ancora stressando a cercare di afferrare il senso dell’universo) , vi propongo un semplice esperimento mentale.

Immaginate di avere un cilindro solido, di un qualsiasi materiale non trasparente, e una torcia elettrica.

Se illuminate il cilindro lateralmente questo proietterà un’ombra rettangolare sul muro, se, invece, lo illuminate dall’alto l’ombra sarà circolare.

Osservare le due ombre singolarmente non dà alcuna informazione definitiva sulla natura del cilindro, tuttavia, ammettere che questi due risultati apparentemente non compatibili coesistano, è un discreto punto di partenza per comprendere il mondo che ci circonda.

Dualismo onda-particella
Effetto fotoelettrico “scopre” il dualismo onda-particella
Introduzione alla meccanica quantistica
https://www.youtube.com/watch?v=Q_h4IoPJXZw
https://www.youtube.com/watch?v=J1yIApZtLos
https://www.youtube.com/watch?v=0b0axfyJ4oo

 

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