Una delle idee più autorevoli, ma allo stesso tempo controintuitive, in tutta la fisica è la dualità onda-particella: afferma che ogni volta che un quanto si propaga liberamente nello spazio, senza essere osservato e misurato, mostra un comportamento ondulatorio, facendo cose come diffrangere e interferire non solo con altri quanti, ma con se stesso.
Sempre per quanto riguarda la dualità onda-particella, ogni volta invece che lo stesso quanto viene osservato e misurato, o costretto a interagire con un altro quanto in un modo che ne riveli lo stato quantico, perde le sue caratteristiche ondulatorie e si comporta invece come una particella. Scoperto per la prima volta all’inizio del XX secolo in esperimenti che coinvolgono la luce, ora è noto che si applica a tutti i quanti, compresi gli elettroni e persino le particelle composite come i nuclei atomici.
Dualità onda-particella: una teoria che risale ai tempi di Isaac Newton
La storia di come abbiamo scoperto la dualità onda-particella non inizia e non finisce all’inizio del XX secolo, ma risale piuttosto a centinaia di anni fa: ai tempi di Isaac Newton. Tutto è iniziato con una discussione sulla natura della luce, che è rimasta irrisolta, nonostante entrambe le parti abbiano dichiarato “vittoria” in vari momenti, finché non siamo arrivati a comprendere la particolare natura quantistica della realtà.
Mentre la dualità onda-particella deve la sua origine alla natura quantistica dell’Universo, la storia umana di come l’abbiamo rivelata è stata piena di passi importanti e passi falsi, guidati in ogni momento dall’unica fonte di informazione che conta: esperimenti e osservazioni dirette. Ecco come siamo finalmente arrivati alla nostra immagine contemporanea della realtà.
Bisogna provare ad immaginare un’onda che si propaga attraverso l’acqua, come nell’oceano: sembra muoversi linearmente, ad una peculiare velocità e con una particolare altezza, solo per cambiare e schiantarsi contro la riva quando la profondità dell’acqua diminuisce.
Già nel 1678, lo scienziato olandese Christiaan Huygens ha riconosciuto che queste onde potevano essere trattate piuttosto che come entità lineari e coerenti, come una somma di un numero infinito di onde sferiche, dove ciascuna di esse si sovrapponeva l’una all’altra lungo il fronte d’onda di propagazione.
Huygens ha notato l’esistenza di fenomeni come l’interferenza, la rifrazione e la riflessione, e ha osservato che si applicavano altrettanto bene alle onde dell’acqua come alla luce, e così ha teorizzato che anche la luce è un’onda. Questa intuizione ha fornito la prima spiegazione riuscita della propagazione delle onde sia lineare che sferica, sia per le onde dell’acqua che per le onde luminose. Tuttavia, il lavoro di Huygens presentava dei limiti, tra cui:
• Non poteva spiegare perché le onde si propagassero solo in avanti e non anche all’indietro;
• Non riusciva a spiegare gli “effetti bordo” o perché e come si verificava la diffrazione;
• La sua idea di luce non poteva spiegare l’esistenza della polarizzazione, che è facilmente osservabile quando la luce solare si riflette sui corpi d’acqua.
L’idea che “la luce è un’onda” è nata con Huygens ed è divenuta molto popolare in tutto il continente europeo dopo la pubblicazione del suo trattato nel 1690, ma non ha preso piede altrove a causa della presenza di un concorrente molto più famoso.
Nel 1704 Newton ha pubblicato il suo trattato sull’ottica, basato su esperimenti presentati per la prima volta nel 1672. Invece di un’onda, Newton è stato in grado di descrivere la luce come una serie di raggi, o corpuscoli, che si comportavano in modo particellare. Le deduzioni fatte nell’Ottica dello scienziato nascono come inferenze dirette dagli esperimenti eseguiti e focalizzati sui fenomeni di rifrazione e diffrazione.
Facendo passare la luce attraverso un prisma, Newton è stato il primo a dimostrare che la luce non è “intrinsecamente bianca” e alterata per assumere colore a causa delle sue interazioni con la materia, ma piuttosto che la luce bianca stessa è composta da tutti i diversi colori dello spettro, cosa che ha dimostrato facendo passare la luce bianca attraverso un prisma.
Lo studioso ha eseguito esperimenti sulla rifrazione con prismi e lenti, sulla diffrazione con lastre di vetro ravvicinate e sulle miscele di colori sia con luci di singoli colori accostati che con polveri di pigmenti. Newton è stato il primo a coniare la tavolozza di colori “ROY G. BIV”, notando che la luce bianca poteva essere suddivisa in rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola.
Non solo, è stato il primo a capire che quello che ci appare come colore nasce dall’assorbimento, riflessione e trasmissione selettiva delle varie componenti della luce: quello che oggi conosciamo come lunghezza d’onda, un’idea antitetica alla concezione di Newton.
Dualità onda-particella: il contributo di Thomas Young
Nel corso del 1700, le idee di Newton sono diventate popolari in tutto il mondo, influenzando significativamente Voltaire, Benjamin Franklin e Lavoisier, tra gli altri. Ma alla fine del secolo, dal 1799 al 1801, lo scienziato Thomas Young ha iniziato a produrre esperimenti con la luce, facendo così due importanti progressi nella nostra comprensione di essa.
Young ha eseguito per la prima volta quello che è noto come esperimento della doppia fenditura con la luce. Facendo passare la luce di un colore monocromatico attraverso due fenditure ravvicinate, Young è stato in grado di osservare un fenomeno che è spiegabile solo attraverso il comportamento delle onde: l’interferenza costruttiva e distruttiva di quella luce nello schema che produce, in un modo che dipende dal colore della luce utilizzata.
Young è riuscito inoltre a dimostrare, attraverso un’indagine quantitativa, che quello che percepiamo come colore della luce è, in effetti, determinato dalla lunghezza d’onda di quella luce: lunghezza d’onda e colore, escludendo la miscela di colori diversi, erano direttamente correlati a uno un altro.
Sebbene la concezione newtoniana della luce avesse ancora i suoi vantaggi, era chiaro che anche la teoria ondulatoria della luce aveva la sua utilità, ed è riuscito laddove la teoria corpuscolare di Newton non riusciva. Il mistero sarebbe diventato ancora più profondo con lo svolgersi del XIX secolo.
Dualità onda-particella della luce: legge di Planck
Nel 1900 Max Planck ha formulato la cosiddetta teoria di Planck per spiegare la distribuzione dell’energia spettrale di un corpo nero. Un corpo nero è una sostanza ipotetica, che assorbe tutta l’energia radiante che la colpisce, si raffredda fino a una temperatura di equilibrio e riemette l’energia con la stessa rapidità con la quale la riceve.
La maggior parte della radiazione emessa da un corpo nero a temperature fino a diverse centinaia di gradi si trova nella regione dell’infrarosso dello spettro elettromagnetico. All’aumentare della temperatura, l’energia totale irradiata aumenta e il picco di intensità dello spettro emesso cambia in lunghezze d’onda più corte, con conseguente rilascio di luce visibile in quantità maggiori.
Mentre Planck ha utilizzato atomi e un campo elettromagnetico quantizzato per risolvere la crisi ultravioletta, la maggior parte dei fisici moderni ha concluso che il modello di Planck dei “quanti di luce” presentava incoerenze.
Dualità onda-particella: la svolta di Albert Einstein
Nel 1905, Albert Einstein ha preso il modello del corpo nero di Plank e lo ha sfruttato per sviluppare la sua soluzione per un altro enorme problema: l’effetto fotoelettrico: quando gli atomi assorbono energia dalla luce, gli elettroni vengono emessi dagli atomi.
Einstein ha fornito una spiegazione per l’effetto fotoelettricopostulando l’esistenza dei fotoni, quanti di energia luminosa con qualità particellari e ha inoltre affermato che gli elettroni potevano ricevere energia da un campo elettromagnetico solo in unità discrete.
Era come se la luce fosse composta da singoli “pacchetti” di energia, oggi conosciuti come fotoni, che trasportano energia in proporzione alla loro frequenza, o, inversamente proporzionale alla loro lunghezza d’onda. Anche se la luce si propagava come un’onda, interagiva con la materia come un corpuscolo (o particella), dando vita all’idea moderna della dualità onda-particella.
Si scopre che i fotoni, gli elettroni e tutte le altre particelle mostrano questo strano comportamento quantistico della dualità onda-particella, dove se li osservi e li misuri durante il loro viaggio, o altrimenti li costringi a interagire e scambiare energia e quantità di moto con gli altri quanti si comportano come particelle, altrimenti si comportano come onde.
La dualità onda-particella è forse esemplificata dalla versione moderna dell‘esperimento della doppia fenditura di Young, dove non si basa sulla luce monocromatica, ma può anche essere eseguito con singole particelle, come fotoni o elettroni, fatti passare attraverso una doppia fenditura del tempo uno alla volta.
Per eseguire questo esperimento per verificare la dualità onda-particella senza misurare le particelle finché non raggiungono lo schermo, si noterà che, in effetti, riproducono il classico schema di interferenza una volta accumulati abbastanza quanti individuali. I punti luminosi, che corrispondono ai punti in cui atterrano un gran numero di particelle, sono distanziati da bande scure, dove atterrano poche o nessuna particella, in linea con la nozione di figura di interferenza.
Se si misura tuttavia se il quanto passa attraverso la “fessura n. 1” o la “fessura n. 2” durante il suo percorso, non si ottiene più una figura di interferenza sullo schermo, ma semplicemente due grumi: un grumo corrispondente alle particelle che sono passate attraverso il quanto prima fenditura e l’altra corrispondente alle particelle che passavano attraverso l’altra.
Quando non si misura un quanto, ma gli si permette semplicemente di propagarsi, si comporta come un’onda: un’onda classica che interferisce non solo con le altre onde ma anche con se stessa, esibendo un comportamento ondulatorio come la diffrazione e la sovrapposizione.
Quando misuri un quanto tuttavia, o lo costringi in altro modo a interagire con un altro quanto di energia sufficientemente elevata, il tuo quanto originale si comporta come una particella, con una traiettoria deterministica, simile a quella delle particelle, che segue, proprio come le tracce nella fisica delle particelle, confermando la dualità onda-particella.
Quindi,per quanto riguarda la dualità onda-particella, la luce è un’onda o una particella?La risposta è entrambe le cose. È simile a un’onda quando si propaga liberamente, ed è simile a una particella quando interagisce, dando vita alla dualità onda-particella.
Un insieme di fenomeni che sono stati indagati in un’enorme varietà di modi negli ultimi circa 100 anni circa. Nonostante la proposta di variabili nascoste per tentare di riconciliare la dualità onda-particella in un unico quadro deterministico, tutti gli esperimenti indicano che la natura è ancora non deterministica, poiché non è possibile prevedere il risultato di una prova non misurata, simile a un’onda, con una precisione maggiore di quella l’approccio probabilistico dell’equazione di Schrödinger.
La dualità onda-particella ha avuto inizio nel 1600 e, nonostante i nostri tentativi di definire la vera natura della realtà, la risposta che l’Universo stesso rivela è che la nostra realtà quantistica è entrambe le cose, simultaneamente, e dipende davvero dal fatto che lo misuriamo o interagiamo o meno.
