Il dualismo onda-particella: un enigma quantico!
Scienza e Fisica Quantistica
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La Storia della Luce dal punto di vista di alcuni grandi geni del passato
Redazione - Scienza e Conoscenza - 17/09/2021
A cura della redazione della Collana di libri Scienza e conoscenza
La luce è fatta di minuscoli corpi!
Isaac Newton 1642- 1726
Nel lontano XVII secolo Newton decise che la luce era un flusso di minuscole particelle. Aveva delle ottime prove a sostegno della sua tesi. Proprio come gli oggetti che obbediscono alla sua legge universale del moto, anche la luce viaggia in linea retta finché non incon-tra qualcosa che esercita una forza su di essa. In realtà, Newton nutriva un dilemma interiore. Aveva studiato approfonditamente una proprietà della luce che attualmente definiamo “interferenza”, un fenomeno caratteristico in via esclusiva delle onde estese. Tuttavia, propendeva molto di più per la natura corpuscolare della luce.
Altri scienziati sostenevano che la luce fosse un’onda ed elaborarono teorie a riguardo, ma l’immensa fama di cui godeva Newton fece sì che la sua “teoria corpuscolare” abbia potuto dominare le scene almeno fino al 1800.
La luce è un’onda!
Thomas Young 1773-1829
All’inizio del XIX secolo, Young fornì al mondo la prova convincente che la luce era un’onda. Su una superficie di vetro resa opaca con del sego, Young tracciò due linee parallele distanziate tra loro di pochissimo. La luce, quando attraversava le due fessure, raggiungeva il muro producendo quello che oggi chiamiamo “pattern di interferenza”, ossia una serie di bande chiare e scure.
La luce che proviene da una piccola fonte, come per esempio una stretta fessura, si diffonde in tutte le direzioni e, se incontra uno schermo, lo illumina in modo abbastanza uniforme. Ci si aspetterebbe che la luce che attraversa due fessure ravvicinate illumini l’eventuale schermo del doppio. Ma, quando Young fece passare la luce attraverso le due fessure, sulla parete individuò una serie di bande illuminate e ombreggiate. E, particolare ancor più cruciale, si rese conto che la distanza tra le bande chiare e le bande scure dipendeva dalla distanza che separava le due fessure. Un flusso di particelle indipendenti, ognuna delle quali proveniente da una fessura singola, non poteva giustificare tale comportamento.
L’interferenza è un fenomeno fondamentale per la teoria dei quanti e per l’enigma quantistico. L’interferenza, in fisica, è considerata la dimostrazione definitiva del comportamento delle onde estese.
Ecco come funziona l’interferenza: nel punto centrale dello schermo, il punto A, le onde luminose provenienti dalla fenditura in alto percorrono esattamente la stessa distanza di quelle che attraversano la fenditura in basso. Di conseguenza, le creste di una fenditura arrivano sullo schermo assieme alle creste dell’altra. Allo stesso modo, anche le valli provenienti da entrambe le fenditure raggiungono simultaneamente il punto A.
Le onde identiche che si propagano dalle due fenditure si sommano in corrispondenza del punto A creando una luminosità maggiore rispetto a quella che si originerebbe da una sola fenditura. Ma per raggiungere un punto sopra il centro dello schermo (poniamo il punto B), le onde della fenditura inferiore devono percorrere una distanza leggermente maggiore rispetto a quelle della fenditura superiore.
Per questo motivo, in corrispondenza del punto B, le creste della fenditura inferiore arrivano leggermente dopo rispetto a quelle che attraversano l’altra. In corrispondenza del punto B le creste provenienti dalla fenditura inferiore arrivano simultaneamente alle valli della fenditura superiore. Le creste e le valli che arrivano contemporaneamente si annullano a vicenda producendo oscurità.
La luce combinata ad altra luce può infatti produrre il buio.
In un punto ancora più in alto sullo schermo (il punto C ) si formerà un’altra banda luminosa perché, ancora una volta, le creste provenienti da una fenditura arriveranno assieme alle creste provenienti dall’altra. Continuando a salire lungo lo schermo, le bande chiare si alterneranno alle bande scure man mano che le onde provenienti dalle fenditure si rinforzeranno o cancelleranno a vicenda formando il pattern di interferenza.
Stiamo assumendo che le onde che provengono dalle due fenditure presentino la stessa frequenza, la stessa distanza tra le creste e la stessa lunghezza d’onda. Se riflettete in termini geometrici, potete dedurre che, più grande è la distanza che separa le fenditure, minore è lo spazio tra le bande chiare del pattern di interferenza.
Secondo Young, dato che la quantità di luce in ogni punto dello schermo dipende dalla distanza tra le fenditure, ogni punto dello schermo riceve la luce da entrambe. Presumibilmente, se la luce fosse un fascio di particelle, non si creerebbe alcun pattern di interferenza. Quando Young presentò l’idea alla comunità scientifica sorse un forte dibattito. Tuttavia, gli esperimenti successivi misero a tacere ogni obiezione e il mondo accettò che la luce fosse un’onda.
La morale della favola è che l’interferenza dimostra la natura ondulatoria di un’entità. [continua...]
CONTINUA LA LETTURA DI QUESTO ARTICOLO SU SCIENZA E CONOSCENZA N.77 e leggerai:
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