Esperimento della doppia fenditura

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L'esperimento della doppia fenditura è una variante dell'esperimento di Young che permette di dimostrare la dualità onda-particella della materia.

Richard Feynman era solito ripetere che questo esperimento rappresenta la chiave per la comprensione della meccanica quantistica, oltre a essere il fondamento della formulazione dell'integrale sui cammini da lui introdotta.

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

In origine la luce fu ritenuta da Newton di natura corpuscolare, motivando la realizzazione di esperimenti che cercassero la conferma di tale ipotesi. All'inizio dell'Ottocento appariva invece sempre più suggestiva l'idea che fosse composta da onde, e per questa ragione nel 1801 Young concepì un esperimento, basato su due sorgenti luminose e due fenditure, che ne metteva in evidenza in maniera inequivocabile la natura ondulatoria. I successivi sviluppi teorici, dovuti essenzialmente a Maxwell, con la formulazione delle equazioni che descrivono la luce come onda elettromagnetica, sembravano aver definitivamente chiuso la questione.

Animazione dell'esperimento di Young.

Agli inizi del Novecento, dopo che Planck ebbe formulato il corretto comportamento di un corpo nero, iniziarono però a comparire le prime contraddizioni, in quanto in certe situazioni, come messo in evidenza nel 1905 da Einstein con l'ipotesi del fotone nell'effetto fotoelettrico, la luce si comportava decisamente come composta da particelle. Gli esperimenti di Millikan del 1916 dimostrarono la correttezza dell'ipotesi fotonica, che fu poi definitivamente confermata dalla scoperta dell'effetto Compton nel 1922. Questo creò nella fisica una situazione problematica in quanto la luce sembrava presentare una sorta di dualismo, apparendo come onda o particella in esperimenti diversi. La difficoltà venne in qualche modo generalizzata da De Broglie nel 1924, con l'ipotesi che tutta la materia manifestasse tale dualismo, aprendo così le porte al superamento del problema con lo sviluppo della meccanica quantistica.

La prova sperimentale di tale "strano" comportamento venne ottenuta nel 1927 da Davisson e Germer[1], che osservarono figure di diffrazione facendo attraversare un cristallo di nichel da un fascio di elettroni.

Scaturiva da ciò la possibilità di utilizzare fasci di particelle per eseguire esperimenti di interferenza con due fenditure, proprio come Young aveva fatto con la luce.

Esperimento[modifica | modifica sorgente]

L'esperimento viene condotto sullo schema classico di Young, nel quale, tra una sorgente di luce e una lastra fotografica, si dispone una barriera opaca con due fenditure parallele di larghezza opportuna.

Schema di esperimento a due fenditure.

Nell'esperimento della doppia fenditura si adottano però lastre rilevatrici moderne, molto più sensibili di quelle disponibili nell'Ottocento, e una sorgente estremamente debole di luce o elettroni, fino all'emissione di un unico fotone[2] o elettrone per volta. Si verifica in tal modo che, in entrambi i casi, la lastra non viene impressionata in maniera continua, ma che si formano inizialmente singoli punti luminosi indicativi di un comportamento corpuscolare. Essi risultano dapprima diradati e dall'apparente distribuzione caotica, ma, aumentando man mano di numero, vanno a formare le frange di interferenza tipiche del comportamento ondulatorio (ultima figura in basso a destra). Analogo risultato si ottiene anche utilizzando particelle di maggiori dimensioni, come si vedrà nel paragrafo successivo. Ciò dimostra inequivocabilmente l'esistenza del dualismo onda-corpuscolo, sia della materia che della radiazione elettromagnetica.

Un altro aspetto essenziale dell'esperimento delle due fenditure è la mancanza di conoscenza di quale fenditura la particella abbia effettivamente attraversato: l'osservazione della figura di interferenza è garantita infatti nel solo caso in cui non si aggiungano all'esperimento apparati di misura atti a determinarlo. Se si interviene in tal modo si ottiene un esperimento "which-way" e il risultato finale è la scomparsa della figura di interferenza, ossia del comportamento ondulatorio, a favore di quello corpuscolare. Questo effetto ha motivato Niels Bohr ad introdurre il principio di complementarità, secondo il quale i due aspetti, corpuscolare e ondulatorio, non possono essere osservati contemporaneamente in quanto escludentisi a vicenda, ovvero il tipo di esperimento determina il successivo comportamento delle particelle in esso coinvolte.

Figura di interferenza da luce laser.
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.

Ha destato scalpore al riguardo il cosiddetto esperimento di Afshar, in cui l'autore ha dichiarato di aver dimostrato una violazione del principio di complementarità[3][4].

Interferenza con particelle[modifica | modifica sorgente]

L'esperimento della doppia fenditura fu eseguito per la prima volta utilizzando elettroni da Claus Jönsson dell'Università di Tubinga nel 1961[5]. Fu quindi ripetuto nel 1974 a Bologna da Pier Giorgio Merli, Gianfranco Missiroli e Giulio Pozzi, che però inviarono un elettrone alla volta sulla lastra fotografica.[6] L'idea di Merli e dei suoi collaboratori fu quella di utilizzare un microscopio elettronico sia come interferometro che come sorgente di elettroni, facendo passare gli stessi attraverso un biprisma elettronico, come originariamente concepito da Gottfried Möllenstedt. I risultati dell'esperimento del 1974, nonostante fossero stati pubblicati e nonostante fosse anche stato realizzato un documentario in proposito, andarono pressoché ignorati, tant'è che, quando nel 1989 Akira Tonomura e collaboratori ripeterono l'esperimento, lo si considerò erroneamente il primo ad aver verificato questo risultato previsto dalla meccanica quantistica[7].

I primi esperimenti in cui si utilizzano neutroni, dovuti ad Helmut Rauch, risalgono al 1974[8]. In questo caso si utilizzò un cristallo di silicio per sfruttare la diffrazione di Bragg ed avere due fasci neutronici coerenti da inviare all'interferometro.

L'interferometria con la tecnica delle due fenditure per le particelle ha raggiunto oggi livelli di eccezionalità. Nel 1999 Anton Zeilinger e i suoi collaboratori all'università di Vienna riuscirono ad effettuare l'esperimento di Young utilizzando molecole di fullerene[9], composte da 60 atomi di carbonio. L'eccezionalità dell'esperimento è dovuta al fatto che mai si era osservato il dualismo onda-corpuscolo con particelle di queste dimensioni. Nel 2003 gli stessi autori hanno esteso l'esperimento di interferenza a molecole più pesanti, le tetrafenilporfirine o fluorofullereni con 60 atomi di carbonio e 48 di fluoro, confermando ancora una volta l'evidenza del dualismo[10][11].

Gli esperimenti sono proseguiti, sempre all'università di Vienna, sotto la direzione di Markus Arndt. La tecnica sperimentale sviluppata da questo autore fa uso di un interferometro di Talbot-Lau e costituisce una profonda innovazione nel campo dell'interferometria. Essa è stata in grado di dimostrare il dualismo onda-corpuscolo con oggetti molto vicini al mondo macroscopico. Nel 2012 al Vienna Center for Quantum Science and Technology tale gruppo di ricerca ha pubblicato uno studio che fa uso di ftalocianina e suoi derivati: queste molecole si sono rivelate le prime a esibire un comportamento quantistico alle rispettive scale di grandezza di 514 AMU e 1298 AMU[12]. Un esperimento del tipo "a doppia fenditura" ha reso visibile in tempo reale il dualismo onda-particella, mostrando manifestazioni ondulatorie in un fascio coerente di particelle[12]. L'emersione della figura d'interferenza ha richiesto, oltre alla produzione di un fascio di particelle dotato della necessaria coerenza, anche l'eliminazione degli effetti distruttivi dovuti all'interazione delle particelle con le forze di Van der Waals[12]. Oltre alla valenza didattica e divulgativa (il formarsi della figura di interferenza è visibile in un video pubblicato su YouTube dagli stessi autori della ricerca[13]), l'esperimento riveste un certo interesse per la possibilità di indagare su molecole di grandezza simile o superiore e per la possibilità di esplorare i confini tra comportamento classico e comportamento quantistico[12].

Diverse interpretazioni[modifica | modifica sorgente]

La particolarità degli esperimenti di interferenza come quelli sin qui discussi ha motivato diverse interpretazioni dei risultati. Si tratta di risultati controintuitivi, in cui i concetti classici di onda e particella sembrano in qualche modo combinarsi per fornire qualcosa che sfugge al senso comune. La conseguenza di ciò è che si sono sviluppate interpretazioni della meccanica quantistica diverse dalla classica interpretazione di Copenaghen, che cercano di dare un'interpretazione dei fenomeni osservati che si adatti anche agli schemi di comprensione più usuali. Da un punto di vista strettamente sperimentale non è possibile decidere quale sia l'interpretazione corretta, ma coesistono tutte, ognuna con i suoi pro e contro.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) Clinton J. Davisson, Lester H. Germer, The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel in Nature, vol. 119, nº 2998, aprile 1927, pp. 558-560, DOI:10.1038/119558a0.
  2. ^ Il primo esperimento con emissione ripetuta di un unico fotone venne eseguito dal fisico inglese Geoffrey Ingram Taylor nel 1913
  3. ^ (EN) S. Afshar, Violation of the principle of complementarity, and its implications in Proceedings of SPIE, vol. 5866, 4 agosto 2005, pp. 229–244, DOI:10.1117/12.638774.
  4. ^ (EN) S. Afshar, Violation of Bohr's complementarity: one slit or both? in AIP Conference Proceedings, vol. 810, 4 gennaio 2006, pp. 294–299, DOI:10.1063/1.2158731.
  5. ^ (DE) C. Jönsson, Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten in Zeitschrift für Physik, vol. 161, nº 4, agosto 1961, pp. 454-474, DOI:10.1007/BF01342460.
  6. ^ (EN) P. G. Merli, G. Missiroli, G. Pozzi, Electron interferometry with the Elmiskop 101 electron microscope in Journal of Physics E: Scientific Instruments, vol. 7, nº 9, settembre 1974, pp. 729-732, DOI:10.1088/0022-3735/7/9/016.
  7. ^ (EN) A. Tonomura, J. Endo, T. Matsuda, T. Kawasaki, H. Ezawa, Demonstration of single-electron buildup of an interference pattern in American Journal of Physics, vol. 57, nº 2, febbraio 1989, pp. 117-120, DOI:10.1119/1.16104.
  8. ^ (EN) H. Rauch, W. Treimer, U. Bonse, Test of a single crystal neutron interferometer in Physics Letters A, vol. 47, nº 5, 22 aprile 1974, pp. 369-371, DOI:10.1016/0375-9601(74)90132-7.
  9. ^ (EN) A. Zeilinger, M. Arndt, O. Nairz, J. Vos-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, Wave-particle duality of C60 molecules in Nature, vol. 401, nº 6754, 14 ottobre 1999, pp. 680-682, DOI:10.1038/44348.
  10. ^ (EN) A. Zeilinger, M. Arndt, L. Hackermüller, S. Uttenthaler, K. Hornberger, E. Reiger, B. Brezger, Wave Nature of Biomolecules and Fluorofullerenes in Physical Review Letters, vol. 91, nº 9, 28 agosto 2003, p. 090408, DOI:10.1103/PhysRevLett.91.090408.
  11. ^ (EN) Anu Venugopalan, Quantum interference of molecules Probing the wave nature of matter in Resonance, vol. 15, nº 1, 2010, pp. 16-31, DOI:10.1007/s12045-010-0002-z.
  12. ^ a b c d AA.VV., Real-time single-molecule imaging of quantum interference, «Nature Nanotechnology», 7, 2012, pp. 297-300 DOI: 10.1038/nnano.2012.34
  13. ^ Single molecules in a quantum interference movie, da QuantumnanoVienna

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Testi tecnici[modifica | modifica sorgente]

  • A. F. French, Edwin F. Taylor, An Introduction to Quantum Physics, Norton, 1978, ISBN 0-393-09106-6.
  • Max Born, Emil Wolf, Principles of Optics, 6°, Cambridge University Press, 1980, ISBN 0-521-63921-2.
  • Paul Tipler, Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics, 5°, W. H. Freeman, 2004, ISBN 0-7167-0810-8.

Testi divulgativi[modifica | modifica sorgente]

  • 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.
  • 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 0-521-56457-3.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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