Dualismo onda-particella

In fisica con dualismo onda-particella, o dualismo onda-corpuscolo, si definisce la duplice natura, sia corpuscolare sia ondulatoria, del comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica.

Tale evidenza nacque dall'interpretazione di alcuni esperimenti compiuti all'inizio del XX secolo: ad esempio l'effetto fotoelettrico, tramite il fotone, suggeriva una natura corpuscolare della luce, che d'altra parte manifestava chiaramente da tempo proprietà ondulatorie attraverso i fenomeni della diffrazione e dell'interferenza (esperimento di Young). Specularmente, particelle come l'elettrone manifestavano anche un aspetto ondulatorio.

Il paradosso rimase fino alla formulazione della meccanica quantistica, quando si riuscì a descrivere i due aspetti in modo coerente, specificando la modalità di manifestazione del dualismo all'interno del principio di complementarità.

Storia

Newton, Huygens, Fresnel, Young, Maxwell

Il dibattito sulla natura corpuscolare o ondulatoria della materia nasce nel XVII secolo in seguito alla contrapposizione fra le teorie di Isaac Newton e di Christiaan Huygens sulla natura della luce.

In base alle osservazioni effettuate intorno al 1669 del danese Rasmus Bartholin e ai successivi studi del francese Augustin Jean Fresnel, si stabilì che la luce era composta da onde trasversali.

Nel 1801 l'inglese Thomas Young eseguì un esperimento, ormai diventato celebre, che avvalorava la natura ondulatoria: due raggi di luce (originati dalla divisione di un unico raggio di partenza) colpivano due fenditure, successivamente intersecandosi e interferendo tra loro. L'area di intersezione non risultava più luminosa, come ci si sarebbe aspettato da un modello particellare, ma presentava bande più o meno luminose alternate, creando un'immagine di interferenza come prevede il modello ondulatorio.

Con le equazioni di Maxwell si comprese che la luce era solo una parte dello spettro della radiazione elettromagnetica.

Einstein

Il modello ondulatorio di Huygens sembrava quindi quello corretto fino agli inizi del Novecento, quando nel 1905 Einstein, con un lavoro che gli valse il premio Nobel, giustificò l'effetto fotoelettrico postulando l'esistenza di quanti di luce, cioè "pacchetti" indivisibili e discreti di energia, che negli anni venti saranno chiamati da Gilbert N. Lewis fotoni. In tale lavoro, che si ispirava al concetto di quanto di energia introdotto da Max Planck, compariva un'equazione di fondamentale importanza che lega l'energia $E$ di un fotone con la frequenza $\nu$ della luce:

$\ E=h\nu$

(dove $h$ è la costante di Planck).

De Broglie

Nel 1924 Louis de Broglie fece un ulteriore passo, ipotizzando che, come la luce possiede proprietà corpuscolari e ondulatorie, tutta la materia abbia anche proprietà ondulatorie: a un corpo con quantità di moto $p$ veniva infatti associata un'onda di lunghezza $\lambda$:

$\lambda ={\frac {h}{p}}$

Tale equazione è una generalizzazione dell'equazione di Einstein, visto che per ogni onda elettromagnetica valgono le relazioni $\lambda \ ={\frac {c}{\nu }}$ (proprietà delle onde) e $\ p={\frac {E}{c}}$ (momento di un fotone).

Conferma sperimentale

Nel 1927 i fisici Clinton Joseph Davisson e Lester Halbert Germer confermarono le previsioni della formula di De Broglie dirigendo un fascio di elettroni (che erano stati fino ad allora assimilati a particelle) contro un reticolo cristallino e osservandone figure di diffrazione. Esperimenti con risultati analoghi furono eseguiti diversi anni dopo, come quello della variante dell'esperimento di Young condotta con elettroni, protoni e particelle più pesanti (esperimento della doppia fenditura).

Un recente studio, basato su diversi esperimenti di osservazione quantica di un impulso laser collimato su un nanofilo di metallo, ha osservato sia la particella che l'onda e il comportamento del complesso fotonico perturbato dagli elettroni.

Meccanica quantistica

La meccanica quantistica interpreta il dualismo onda-particella abbinando alla natura corpuscolare della materia e della radiazione elettromagnetica la natura probabilistica dell'evento fisico, in cui la probabilità ha un andamento in qualche modo periodico nello spaziotempo analogo al fenomeno ondulatorio. In particolare l'esperimento della doppia fenditura si giustifica con la perdita di valore del concetto di "traiettoria", a favore della sola probabilità che la particella si trovi in un dato punto a un dato istante.

Einstein stesso tentò in tutti i modi, elaborando sofisticati esperimenti mentali, di contrastare questa visione dualistica della realtà fisica, in particolare il probabilismo insito nella teoria quantistica, che precludeva l'idea, tipica della fisica classica, del determinismo assoluto (celebre la sua frase "Dio non gioca ai dadi"). Si dovette però arrendere all'evidenza dei fatti sperimentali e alla potenza predittiva della meccanica quantistica nel mondo microscopico, cui indirettamente diede comunque contributi notevoli.

Voci correlate

• Teoria ondulatoria della luce
• Teoria corpuscolare della luce
• Albert Einstein
• Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie
• Lunghezza d'onda termica di de Broglie
• Diffrazione
• Esperimento della doppia fenditura
• Effetto fotoelettrico
• Effetto Compton
• Luce
• Principio di complementarità
• Meccanica quantistica

Collegamenti esterni

• La natura ondulatoria della materia, su manentscripta.wordpress.com.