L’elettrone permaloso il principio d’indeterminazione della meccanica quantistica

Una delle teorie scientifiche più discusse è senza dubbio la teoria della meccanica quantistica, soprattutto per la rivoluzione che ha determinato nel pensiero scientifico.

Rimane celebre l’aspro dibattito tra i pionieri della fisica moderna riguardo i principi e l’interpretazione del modello matematico della meccanica quantistica. Albert Einstein, in merito all’interpretazione probabilistica della funzione d’onda di Schrödinger, affermò: “Dio non gioca a dadi con l’universo!”, e Niels Bohr rispose, si immagina piuttosto stizzito, “Piantala di dire a Dio che cosa fare con i suoi dadi!”.

Per quanto mi sia possibile, proverò a fare “più luce” sulla teoria della meccanica quantistica e vi racconterò la bizzarra vicenda dell’elettrone permaloso.

La meccanica quantistica è la descrizione del comportamento della materia su scala atomica. Su scala molto piccola le cose si comportano in un modo sorprendente. Semplicemente sorprendente, perché non hanno davvero niente a che fare con i fenomeni che osserviamo abitualmente e che coinvolgono oggetti comuni. Per cercare di spiegare il comportamento quantistico dell’elettrone vi descriverò dei semplici esperimenti  con oggetti più familiari come le pallottole e le onde dell’acqua. Poi vi racconterò cosa combina l’elettrone e spero ne rimarrete stupiti.

Facciamo un esperimento con delle pallottole. Per fare l’esperimento sono necessari un fucile, una barriera con due fori e uno schermo di arresto, posto al di là della barriera. I fori nella barriera hanno dimensioni che permettono il passaggio di una sola pallottola alla volta  Spariamo una raffica di pallottole contro la barriera, alcune di esse passano attraverso uno dei due fori e si conficcano nello schermo di arresto. Non abbiamo dubbi riguardo il risultato di questo esperimento: le pallottole che hanno attraversato la barriera si troveranno sullo schermo di arresto esattamente dietro i fori. Siccome siamo dei pacifisti, non abbiamo mai preso in mano un fucile e perciò la raffica di pallottole è andata casualmente in tutte le direzioni. Allora è ragionevole pensare che siano state raccolte circa lo stesso numero di pallottole dietro ciascun foro sullo schermo di arresto. La somma totale delle pallottole raccolte è massima al centro tra i due fori.

pallottole Facciamo un esperimento simile ed al posto delle pallottole utilizziamo delle onde. Ci serve uno specchio di acqua calmo, una sorgente di onde, nella forma di un motorino che oscilla in verticale, una barriera galleggiante con due fori e una serie di galleggianti posti in linea dietro la barriera. Azionando il motorino, si propagano da esso delle onde circolari che raggiungono la barriera galleggiante. L’onda incidente passa attraverso ognuno dei due fori, che a loro volta diventano sorgenti di due nuove onde circolari.

In generale le onde si sommano tra loro in modo molto semplice. Se in un punto sulla superficie dell’acqua si incrociano due massimi, l’ampiezza dell’oscillazione aumenta, ma se si incrociano un massimo ed un minimo l’ampiezza dell’oscillazione si annulla. Questo fenomeno è noto come interferenza, e nel primo caso si parla di “interferenza  costruttiva”, mentre nel secondo di “interferenza distruttiva”.

Per mostrare con chiarezza quali sono le conseguenze del fenomeno di interferenza, chiudiamo uno dei due fori sulla barriera e misuriamo l’oscillazione dell’onda con i galleggianti. Il valore massimo dell’oscillazione si misura esattamente dietro il foro aperto e lo stesso accade se apriamo l’altro foro e chiudiamo il primo. Ora ripetiamo l’esperimento tenendo entrambi i fori aperti e vediamo cosa accade. In questa condizione il valore massimo dell’oscillazione si osserva ancora al centro tra i due fori. Ma attenzione qualcosa è cambiato! La cosa sorprendente è che osserviamo una successione di punti sullo schermo di rilevazione, elegantemente distanziati tra loro, dove l’ampiezza dell’oscillazione è nulla.

onde

La causa di questo  fenomeno è proprio l’interferenza. Una combinazione di fattori, la lunghezza dell’onda che si propaga unitamente alla distanza del punto di osservazione dalla sorgente del moto ondoso, fa si che alcuni dei nostri galleggianti rivelatori rimanga sempre fermo quando i due fori sono aperti.

Fin qui tutto bene. Le onde dell’acqua e le pallottole sono oggetti macroscopici di cui tutti abbiamo un’esperienza diretta, bene nel caso delle pallottole spero non sia proprio diretta.

Ora è il momento di fare un simile esperimento con i nostri elettroni permalosi. Questo è un esempio di “esperimento ideale”, significa che non è possibile replicare esattamente tutti i dettagli di questo esperimento, ma sappiamo benissimo come va a finire ! Come negli esperimenti precedenti, abbiamo bisogno di un cannone elettronico (sembra un aggeggio alla Star Trek, ma tutti ne abbiamo visto uno, per esempio il tubo catodico delle vecchie televisioni) una barriera con due fori e uno schermo di arresto dove è possibile rilevare l’arrivo di un elettrone. Teniamo un solo foro aperto e incominciamo a sparare elettroni. Ancora una volta rileviamo il maggior numero di arrivi proprio dietro il foro aperto, la stessa cosa accade se apriamo solo l’altro foro. Ora apriamo entrambi i fori e osserviamo cosa accade.

elettronr_onda

Credetemi, ciò che accade è davvero strano. Dove abbiamo misurato una certa quantità di elettroni quando  un solo foro era aperto, adesso non ne vediamo nessuno; inoltre dove non era arrivato quasi nessun elettrone adesso invece ne vediamo un gran numero. La cosa stupefacente è che sullo schermo di rilevazione osserviamo la stessa figura di interferenza tipica dell’esperimento con le onde. Ma come è possibile? Gli elettroni si sono messi incredibilmente d’accordo per compiere delle strane giravolte in modo da andare a colpire lo schermo in questo modo, ci deve essere un segreto accordo tra questi cospiratori del senso comune che li obbliga a seguire tali traiettorie!

Fermatevi un momento, provate a pensarci e trovate una vostra spiegazione. Smettete anche di leggere.

Sarà passata qualche frazione di secondo, il tempo di alzare gli occhi al cielo, o qualche ora, non importa. Perché adesso arriva la parte davvero divertente. Non ci è sicuramente chiaro in quale modo gli elettroni abbiano percorso le loro strade per arrivare al rilevatore, allora tentiamo di raccogliere qualche informazione in più. Siamo astuti, perciò vogliamo capire attraverso quale dei due fori passa un elettrone prima di arrivare sullo schermo di arresto. In questo modo potremmo misurare se l’elettrone è passato dal foro 1 o 2 ed inoltre dove è andato a finire sullo schermo di rilevazione. Per fare questo disponiamo due sorgenti di luce dietro ogni foro, così quando l’elettrone passa per un certo foro in corrispondenza si vedrà un flash di luce.

elettrone_pallottole

L’elettrone permaloso riserva una sorpresa. La figura di interferenza ora è sparita ed è stata sostituita da una distribuzione simile a quella osservata nell’esperimento delle pallottole. In altre parole l’azione di “osservare” attraverso quale foro sia passato l’elettrone ha modificato il suo comportamento: non esiste più alcuna interferenza ed il suo comportamento è del tutto simile a quello di una ordinaria pallottola. Bisogna accettare un fatto fondamentale il comportamento dell’elettrone permaloso cambia a seconda che lo si guardi oppure no !

Letture Consigliate
Feynmann R. “The Feynmann Lectures on Physics”

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One comment

  1. […] Scientists demonstrate the full realization of famous Feynman’s double slit thought experiment. […]

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