Esperimento della doppia fenditura

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

L'esperimento della doppia fenditura è una variante dell'esperimento di Young che permette di dimostrare la dualità onda-particella di luce e materia. Richard Feynman era solito ripetere che il cuore della meccanica quantistica può essere intuito riflettendo su questo esperimento.

Esperimento della doppia fenditura effettuato con elettroni. Le immagini sono prese dopo l'invio di 10 (a), 200 (b), 6000 (c), 40000 (d), 140000 (e) elettroni.

Indice

[modifica] Esperimento

Si dispone tra una sorgente coerente e una lastra fotografica che registri il passaggio della luce una barriera opaca nella quale sono tagliate due fenditure parallele richiudibili. Quindi, si procede col verificare cosa succede aprendo entrambe o soltanto una delle due fenditure. Aprendo soltanto una fenditura (ad esempio, quella di sinistra), sulla lastra fotografica si ottiene la proiezione della fenditura. Aprendo la fessura destra e tenendo chiusa quella di sinistra, si forma una figura speculare a quella precedente. La luce, in questo caso, risponde perfettamente alla teoria corpuscolare di Newton. Ora, provando a prevedere che figura risulterebbe dall'apertura contemporanea di entrambe le fenditure, secondo la teoria corpuscolare si verificherebbe la semplice sovrapposizione delle due figure precedenti. In realtà, quella che si genera è una figura di interferenza, ovvero in questo caso la luce si comporta come un'onda meccanica: sulla lastra fotografica avremo in alcuni punti sovrapposizioni di picchi o ventri, in altri cancellazioni.

Young, nel 1801, realizzando quest'esperimento concluse con l'invalidità della teoria newtoniana della luce e affermando invece la teoria ondulatoria. Qualche anno dopo, Maxwell ne pose le basi matematiche.

Se però si usano le lastre fotografiche moderne (molto più sensibili di quelle disponibili nell'Ottocento) e si ripete l'esperimento con una sorgente estremamente debole si nota che la luce non impressiona la lastra in maniera continua (come previsto dalla teoria ondulatoria) ma che si formano dei puntini piuttosto intensi, inizialmente diradati e dall'apparenza caotica. Man mano che il numero di puntini aumenta questi vanno a formare le frange di interferenza tipiche del comportamento ondulatorio.

Analogo risultato si ottiene se invece di utilizzare una sorgente di luce (e quindi dei fotoni) si utilizzano elettroni, come nella figura a destra. L'esperimento della doppia fenditura fu eseguito per la prima volta utilizzando elettroni da Claus Jönsson dell'Università di Tubinga nel 1961. L'esperimento fu quindi ripetuto nel 1974 da Pier Giorgio Merli, Gianfranco Missiroli e Giulio Pozzi, che però inviarono un elettrone alla volta sulla lastra fotografica. I risultati dell'esperimento del 1974 nonostante fossero stati pubblicati e nonostante fosse anche stato realizzato un documentario in proposito non ricevettero particolare attenzione, tant'è che quando nel 1989 Akira Tonomura ripeté l'esperimento lo si considerò erroneamente il primo ad aver verificato questo risultato previsto dalla meccanica quantistica

[modifica] Interpretazione

La Meccanica Quantistica afferma che non ha senso porsi a priori la domanda su cosa sia "realmente" un oggetto quantistico. Questo è il senso del principio di sovrapposizione che afferma che onda e corpuscolo sono solo categorie del nostro liguaggio mediante le quali descriviamo ciò che osserviamo in un esperimento quanto meccanico. Solo l'esperimento ci manifesta la natura ondulatoria o la natura corpuscolare e questo "o" deve essere inteso nel senso esclusivo dell'Aut aut (espressione latina). Questo è il senso del principio di dualità onda-corpusocolo. Premesso questo, i risultati dell'esperimento con gli elettroni (l'oggetto quantistico) illustrato qui sopra e visualizzato nelle figure qui accanto, mostrano delle evidenze che non possono essere considerate in accordo con le previsioni quanto meccaniche e i principi appena citati. Infatti, in questo esperimento nel caso in cui entrambe le fenditure sono aperte, si vedono sia evidenze corpuscolari (i puntini sullo schermo) sia evidenze ondulatorie (le frange di interferenza) all'interno dello stesso apparato sperimentale. Se pensiamo alla funzione d'onda letta secondo l'interpretazione di Copenhagen di Bohr, abbiamo che essa è la sovrapposizione di tutti gli autostati del sistema quantistico che si sta studiando sperimentalmente e che è anche la densità di probabilità (trattandosi di elettroni liberi) di questi autostati. Solo l'atto sperimentale e cioè l'interazione dell'ente quantistico con le fenditure e lo schermo determinano il collasso della funzione d'onda e quindi in questo caso la forma della figura che si viene a manifestare sullo schermo fotografico. Secondo questo schema, le eviddenze sperimentali presentano delle difficoltà interpretative. Infatti la presenza della figura di interferenza, tipica di un fenomeno ondulatorio, implica che la misura (fenditure + schermo) abbia messo in evidenza la natura ondulatoria dell'oggetto quantistico e quindi abbia fatto collassare la funzione d'onda in modo tale da selezionare proprio quei vettori d'onda che, propagandosi attraverso entrambe le fenditure, hanno dato luogo alla suddetta figura di interferenza. Viceversa la presenza di puntini sullo schermo, implica che la misura (fenditure + schermo) abbia fatto collassare la funzione d'onda in un punto rivelando la nautra corpuscolare dell'ente quantistico. Queste due affermazioni sono valide all'interno dello stesso esperimento. Tuttavia la seconda affermazione è però in contrasto con la prima perchè contemporaneamente l'ente quantistico manifesta la sua natura ondulatoria, che è estesa in tutto lo spazio antistante lo schermo fotografico dopo le fenditure, e manifesta anche la sua natura corpuscolare che invece è localizzata nello spazio del puntino luminoso. Anche dal punto di vista del collasso della funzione d'onda questo presenta delle difficoltà riguardo al tempo di collasso della fuzione d'onda. Essa viene già misurata in qualche modo dalle fenditure che ne individuano la natura ondulatoria estesa quindi in tutto lo spazio davanti lo schermo fotografico. In tal senso il suo collasso in un puntino luminoso deve quindi essere istantaneo. Molto altro potrebbe essere aggiunto riguardo alla natura non locale Principio di località della Meccanica Quantistica e altre riflessioni possono essere fatte considerando che sia la figura di interferenza che i puntini luminosi appaiono sullo schermo al trascorrere del tempo e questo mostrerebbe altre difficoltà di accordo con le previsioni quanto-meccaniche. In conclusione, quindi, l'esperimento qui proposto presenta delle peculiarità che, in qualche modo ad una attenta analisi e meditazione dei principi della Meccanica Quantistica e dei risultati sperimentali, sono in non completo accordo con le previsioni quanto-meccaniche e sono quindi spunto per maggiori riflessioni serie sui fondamenti di questa così importante teoria. Esistono ovviamente esperimenti in cui la natura ondulatoria e quella corpuscolare dell'ente quantistico sono ben separati e in accordo perfetto con la Meccanica Quantistica, ma non è questo il caso. Attenzione! Molti studiosi, riguardo a questo esperimento, tagliano corto dicendo che non c'è alcun tipo di disaccordo con i principi della Meccanica Quantistica. Tuttavia i suddetti principi sono chiari, le evidenze sperimentali anche. Ogni mente critica libera e umile può riflettere sui fondamenti di tale Teoria e su quale sia la vera natura del fenomeno fisico.

[modifica] Voci correlate

[modifica] Bibliografia

  • Richard P. Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press, 1988. ISBN 0-691-02417-0
  • Philipp Frank, Philosophy of Science, Prentice-Hall, 1957.
  • John Gribbin, Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z, Weidenfeld & Nicolson, 1999. ISBN 0-7538-0685-1
  • A.F. and Edwin F. Taylor French, An Introduction to Quantum Physics, Norton, 1978. ISBN 0-393-09106-6
  • Brian Greene, The Elegant Universe, Vintage, 2000. ISBN 0-375-70811-1
  • Brian Greene, The Fabric of the Cosmos, Vintage, 2005. ISBN 0-375-72720-5
  • Tony Moy, The New Quantum Universe, Cambridge University Press, 2003. ISBN 0-5215-6457-3
  • Francis Weston Sears, Optics, Addison Wesley, 1949.
  • Paul Tipler, Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics, 5th ed., W. H. Freeman, 2004. ISBN 0-7167-0810-8

[modifica] Altri progetti

[modifica] Collegamenti esterni

  • Fisica Portale Fisica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di Fisica
Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Esperimento_della_doppia_fenditura"
Strumenti personali