“È un’onda o una particella?” Mai una domanda così semplice ha avuto una risposta così complicata, come nel mondo quantistico.
La risposta dipende da come viene posta la domanda. Se si fa passare un fascio di luce attraverso due fessure, esso si comporta come un’onda. Se lo stesso fascio di luce viene sparato contro un piano metallico conduttore, esso si comporterà come una particella. Sotto determinate condizioni, è possibile misurare sia il comportamento ondulatorio che quello corpuscolare dei fotoni – il quanto fondamentale della luce – a conferma della natura duale, e molto strana, della realtà.
Questa caratteristica duale della realtà non è stata riscontrata solamente sulla luce, ma è stata osservata su tutte le particelle quantistiche: elettroni, protoni, neutroni, oltre che su un ampio spettro di atomi. Infatti, siamo in grado di quantificare il preciso livello di natura ondulatoria di un insieme di particelle. Persino un intero essere umano, sotto determinate condizioni, può comportarsi come un’onda quantistica.
Il dibattito sulla natura ondulatoria o corpuscolare della luce iniziò già nel diciassettesimo secolo, quando due rilevanti figure della storia della fisica, proposero le loro opposte visioni. Da una parte, Isaac Newton propose una teoria corpuscolare della luce, nella quale essa manifestava le stesse proprietà di un qualunque corpo materiale: un moto rettilineo, capacità di riflessione, di rifrazione e possesso di un momento. In questo modo Newton era riuscito a prevedere diversi fenomeni, riuscendo anche a spiegare perché la luce bianca era costituita da molti altri colori.
In contrapposizione a Newton, Christiaan Huygens optava per una teoria ondulatoria della luce, notando che essa possedeva delle proprietà di interferenza e di diffrazione, tipiche delle onde. Le deduzioni di Huygens sulla natura ondulatoria non riuscivano a spiegare alcuni fenomeni che venivano invece spiegati dalla teoria corpuscolare di Newton, e vice versa. Le cose cominciarono a farsi più interessanti nei primi anni del 1800, quando nuovi esperimenti iniziarono a rivelare i modi in cui la luce aveva un comportamento ondulatorio.
Se si prende un recipiente pieno di acqua e si creano al suo interno delle onde, poi si pone una barriera con due feritoie che permette alle onde di passare da una parte all’altra, si noterà che le increspature delle onde interferiscono fra di loro. In alcuni punti, queste increspature si andranno a sommare, dando origine a delle increspature di maggiore intensità rispetto a quanto potrebbe permettere una singola onda. In altri punti, le increspature invece si annullano, lasciando l’acqua piatta, anche al passaggio delle stesse increspature. Questa combinazione di schema di interferenza – con un’alternanza di zone a interferenza costruttiva (somma di increspature) e distruttiva (annullamento di increspature) – è una caratteristica tipica di un comportamento ondulatorio.
Thomas Young, in una serie di esperimenti condotti più di 200 anni orsono, aveva notato che la luce presentava proprio queste tracce ondulatorie. Dopo le osservazioni di Young, gli scienziati iniziarono a scoprire alcune delle proprietà ondulatorie della luce, che lasciavano un po’ interdetti; si ricordi un esperimento in cui una luce monocromatica brilla attorno a una sfera, creando non solo un tracciato ondulatorio sull’esterno della sfera, ma anche un picco centrale nel mezzo dell’ombra.
Nella seconda metà del 1800 la teoria dell’elettromagnetismo di Maxwell ci ha permesso di derivare una forma della radiazione senza carica: un’onda elettromagnetica che viaggia alla velocità della luce. Si era ottenuta, per l’onda di luce, una base matematica, in relazione alla quale essa diventava una conseguenza dell’elettricità e del magnetismo, un risultato inevitabile di una teoria autoconsistente. Prendendo in considerazione queste onde, Einstein riuscì a dedurre e stabilire la teoria della relatività speciale. La natura ondulatoria della luce era una realtà fondamentale per l’universo.
Ma la luce, in diversi contesti, si comporta anche come una particella quantistica.
- La sua energia è quantizzata in singoli pacchetti chiamati fotoni, dove ogni fotone contiene una quantità specifica di energia.
- Sopra un certo valore di energia, i fotoni sono in grado di estrarre gli elettroni fuori dagli atomi; sotto quel valore di energia, indipendentemente dall’intensità della luce, questa ionizzazione non è possibile.
- Inoltre, è possibile creare e spedire singoli fotoni, uno alla volta, attraverso ogni apparato sperimentale.
Questi sviluppi, sintetizzati insieme, hanno condotto alla più sconvolgente dimostrazione delle stranezze quantistiche.
Si consideri un fotone e lo si spari verso una barriera, nella quale sono posizionate due fessure; è possibile misurare il punto in cui il fotone colpisce uno schermo posto a una certa distanza, dall’altra parte della barriera. Inviando i fotoni uno alla volta, si andrà a delineare un tracciato di interferenza. Lo stesso tracciato che era stato rilevato in presenza di un fascio continuo di luce – dove si era assunto che molti fotoni differenti interferissero l’uno con l’altro – lo si trova quando si inviano i fotoni, uno alla volta, attraverso questo apparato. In qualche modo, è come se il singolo fotone interferisse con sé stesso.
Normalmente, intorno a questo esperimento si discute sulle varie configurazioni sperimentali che si possono realizzare per cercare di misurare (o di non misurare) quale fenditura sarà attraversata dai fotoni, distruggendo o mantenendo lo schema di interferenza nel processo. Questa discussione rappresenta una parte vitale della ricerca sulla natura duale dei quanti, i quali si comportano come onde o come particelle in base al modo in cui si interagisce con essi. Possiamo provare a fare qualcosa di più affascinante: sostituire i fotoni dell’esperimento con particelle della materia dotate di massa.
Il primo pensiero che si può esprimere è che i fotoni riescono a comportarsi sia come onde che come particelle, perché essi sono quanti di radiazione senza massa. Essi possiedono una lunghezza d’onda, che giustifica il loro comportamento ondulatorio, ma trasportano pure una determinata quantità di energia, il che giustifica il loro comportamento corpuscolare. E quindi, ci si aspetta che le particelle di materia abbiano sempre un comportamento corpuscolare, dal momento che hanno una massa, trasportano energia, e, sono definite come particelle!
Ma nei primi anni del 1920, il fisico Louis de Broglie aveva un’altra idea. Egli notò che, per i fotoni, ogni quanto possiede un’energia e un momento, grandezze collegate alla costante di Planck, alla velocità della luce e alla frequenza e lunghezza d’onda di ogni singolo fotone.
Anche ogni quanto di materia possiede un’energia e un momento, e sperimenta anche gli stessi valori della costante di Planck e di velocità della luce. Ordinando i termini nello stesso modo in cui erano stati scritti per i fotoni, de Broglie fu in grado di definire un valore della lunghezza d’onda sia per i fotoni che per le particelle di materia: la lunghezza d’onda è semplicemente il rapporto tra la costante di Planck e il momento della particella.
Ovviamente le definizioni matematiche hanno il loro fascino, ma la verifica reale delle idee fisiche deve sempre passare attraverso la sperimentazione e le osservazioni: è necessario comparare le previsioni con i test dello stesso universo. Nel 1927, Clinton Davisson e Lester Germer lanciarono degli elettroni su un bersaglio che produceva diffrazione per i fotoni, ottenendo la stessa traccia di diffrazione. Nello stesso periodo, George Paget lanciò degli elettroni su sottili fogli metallici, ottenendo le stesse tracce di diffrazione. In qualche modo, anche gli elettroni, pur essendo particelle costituenti la materia, presentavano anche un comportamento ondulatorio.
Esperimenti successivi hanno rivelato questo comportamento ondulatorio per diverse tipologie di materiali, comprese anche delle forme molto più complesse delle particelle puntiformi come gli elettroni. Anche particelle composte, come i protoni e i neutroni, manifestano questo comportamento ondulatorio. Gli atomi neutri, che possono essere raffreddati a temperature prossime ai nanokelvin, hanno manifestato delle lunghezze d’onda di de Broglie più ampie di un micron: alcune decine di migliaia di volte più larghe dello stesso atomo. Persino molecole formate da più di 2000 atomi hanno dimostrato delle proprietà tipiche delle onde.
Nella maggior parte dei casi, il momento di una tipica particella (o di un sistema di particelle) è così ampio che la lunghezza d’onda a esso associata è molto piccola per essere misurata. Una particella di polvere che si muove a circa 1 millimetro al secondo ha una lunghezza d’onda di circa 10^-21 metri: circa 100 volte più piccola della più piccola scala che l’uomo abbia mai raggiunto presso il Large Hadron Collider.
Un essere umano che si muove alla stessa velocità della particella di polvere, avrebbe una lunghezza d’onda di circa 10^-32 metri, qualche centinaio di volte più grande della scala di Planck: ovvero la scala di lunghezze alla quale la fisica non ha più alcun senso.
Tuttavia, in presenza di un’enorme e macroscopica massa – e un corpo umano formato da almeno 10^28 atomi – la lunghezza d’onda quantistica associata allo stesso corpo umano sarebbe abbastanza grande da avere un significato per la fisica. Infatti, per la maggior parte delle particelle reali, solo due elementi determinano la lunghezza d’onda:
