La luce è un’onda o una particella?

12 Giugno, 2022
il dualismo onda particella

Foto di Gerd Altmann da Pixabay 

Qua scatta il problema

Ma ciao mio caro lettore, siamo giunti all’epilogo della vicenda. Alby Einstein era riuscito a risolvere l’enigma dell’effetto fotoelettrico capendo che la luce trasmette la sua energia in pacchetti, piccolissimi ma ben definiti. Come se fosse fatta da tante piccole sferette.

Qua scatta il problema però: si perchè fino a quel momento era ben chiaro a tutti che la luce fosse un’onda, più o meno come il suono, continua nello spazio e non frammentata in piccole sferette. E quindi, la luce, è un’onda o una particella?

Io sono Jane White, ormai ci conosciamo bene, e vedremo che la luce non è cosí semplice da definire.

Il dualismo onda particella

Ti è chiaro l’enorme problema qui? Tutto il mondo sapeva che la luce era un’onda. Non solo lo dimostravano delle equazioni usate in lungo ed in largo, ma lo dimostravano anche degli esperimenti.

Quindi non si discute, la luce è un’onda. Ce lo dice la matematica e ce lo dicono degli esperimenti.

Eppure, questa assunzione, porta eperimenti come la radiazione del corpo nero e l’effetto fotoelettrico ad essere inspiegabili. Planck prima ed Einstein poi, sono riusciti a spiegarli ipotizzando una luce composta da piccoli pacchetti, sferette, di energia finita, non continua.

Come è possibile che certi esperimenti ed equazioni indichino la luce come un’onda ed altri come una particella? Non può certo essere entrambe le cose. O è un’onda o una particella. Questo viene indicato come il dualismo onda particella.

La diffrazione

Facendo esperimenti con onde di vario genere, tra cui il suono, gli studiosi notarono un curioso effetto che chiamarono diffrazione: sostanzialmente, facendo passare un’onda, un suono, attraverso un foro ben congegnato, quel foro si comporterà come se fosse lui a generare il suono.

luce onda particella: la diffrazione

E se mettiamo 2 fori nel muro? Si comporteranno come 2 sorgenti, che generano quindi 2 onde, che ad un certo punto si scontreranno.

Ora, mio curioso lettore, che succede quando 2 onde si scontrano? Interferiscono, vale a dire che potrebbe risultarne un’onda amplificata, oppure potrebbe annullarsi completamente o tutte le sfumature nel mezzo tra questi 2 estremi.

Laddove un picco incontra un altro picco, l’onda risultante avrà un mega picco. Se valle incontra valle, mega valle. Se però picco incontra valle, si annullano e l’onda si cancella. Questo effetto, tipico delle onde che interferiscono, si chiama diffrazione e si può sperimentare per esempio con il suono: dove le onde interferiscono cancellandosi non si sentirà nulla, diversamente si sentirà.

luce onda particella: la diffrazione con doppia fenditura
luce onda particella: l'interferenza di due onde

La luce è un’onda: l’esperimento di Young

Primissimi del 1800. Thomas Young vuole capire se la luce sia un’onda o meno e ha un’idea brillante: rispolverare l’esperimento della doppia fenditura, ma con la luce invece che con il suono.

Se la luce oltre le 2 fenditure avesse mostrato interferenza, proprio come succedeva al suono, allora per forza di cose, proprio come il suono, sarebbe stata un’onda.

Così fece passare della luce attraverso una doppia fenditura e l’immagine che fu proiettata oltre le fenditure era un’alternanza di bande luminose e scure.

La luce prodotta da una fenditura si scontra con quella prodotta dall’altra. Laddove si annullano le bande sono scure, laddove si rinforzano le bande sono luminose.

La luce si comporta come il suono, il suono é un’onda, la luce è un’onda.

luce onda particella: l'esperimento di Young

Onda E particella: doppia fenditura 2.0

Passa un secolo, siamo ai primi del 900 e Einstein mette in dubbio la natura ondulatoria della luce affermando che sia composta da corpuscoli che lui chiama fotoni.

Ma quindi è un’onda o è una particella? Bisognava rispondere a questa domanda con la massima urgenza perchè una grossa fetta di fisica poggiava sulla convinzione che la luce fosse un’onda continua.

Fu rispolverato il buon vecchio esperimento della doppia fenditura di Young, ma con una modifica: sparare verso la doppia fenditura un singolo fotone alla volta invece che un flusso di luce continuo.

Mumble

“E questo in cosa dovrebbe aiutare Jane?”

Se la luce davvero è composta da queste particelle e le tiro verso la doppia fenditura, allora l’esperimento diventa come se stessi tirando dei palloni: qualcuno passerà in una fenditura, qualcuno nell’altra, qualcuno non le centrerà. I palloni che centreranno le fenditure passeranno oltre andando a sbattere su un muro dove lasceranno il segno dell’impatto.

Dopo aver tirato un enorme numero di palloni, uno alla volta, mi aspetto di vedere sul muro questi segni da impatto.

luce onda particella: la doppia fenditura con i fotoni

Ma, come sempre accade, dopo un numero immenso di fotoni lanciati, questo videro i ricercatori sul muro oltre le fenditure:

luce onda particella: la doppia fenditura con i fotoni risultato

Mumble

“No no aspetta Jane, questo è il risultato di 2 onde che si sovrappongono. Come fanno a sovrapporsi 2 fotoni sparati singolarmente uno dopo l’altro?”

Esatto, come è possibile? Non lo si sa! Concettualmente è come se la freccia che è già arrivata sul bersaglio, lanciata un minuto fa, interferisca nel tragitto di quella che stai per lanciare ora.

Possibile che il fotone passi contemporaneamente in entrambe le fenditure?

Allora i ricercatori misero un rilevatore su una fenditura che facesse un “bip” se fosse passato lì un fotone.

Qui le cose diventarono da pazzi.

Il rilevatore, proprio come loro immaginavano, suonò il 50% delle volte. I fotoni passavano metà delle volte in una fenditura e metà nell’altra. Ma quando andarono a vedere i segni sul muro trovarono questo.

luce onda particella: la doppia fenditura con i fotoni e l'osservatore

Sia onda che particella?

Mumble

“Fermi tutti Jane, qui sicuro devo aver capito male… Non mi starai mica dicendo chi i fotoni con il rilevatore si comportano in un modo e senza in un altro?”

Purtroppo è proprio questo che ti sto dicendo. Il solo fatto di osservare dove passano i fotoni altera il loro comportamento.

Come se tu, misurando il tavolo della cucina, lo trovassi lungo 1 metro se fossi solo e 1,20 metri se con un tuo amico.

Conclusione

So che adesso non ti saresti aspettato una conclusione. Non si è concluso un bel niente, qua le domande tracimano e le risposte scarseggiano, giusto?

Sta luce è onda o particella? La risposta ad oggi migliore che possiamo dare è entrambe contemporaneamente.

E ti dirò di più, se non riesci a capire come sia possibile, allora sei esattamente allo stesso punto dei ricercatori di oggi.

La fisica quantistica, cioè la fisica alla scala dei fotoni o degli atomi sfugge alle leggi che governano il mondo macroscopico che vediamo con gli occhi. Particelle che si teletrasportano, che si comportano in un modo se le guardi e in un altro se le ignori, che se ne vuoi sapere l’esatta posizione allora non ne saprai mai la velocità e vice versa.

Pensa che nella fisica una corrente di pensiero afferma che capire perchè le particelle facciano così, sia solo fatica sprecata visto che è una battaglia persa.

D’altronde, se hai la sensazione di aver capito la fisica quantistica, allora non hai capito nulla della fisica quantistica.

Jane

BIBLIO

Scarica la Mappa Mentale dell'articolo

Clicca sul bottone qui sotto e visualizza la mappa mentale di riepilogo dell’intero articolo. Ti basta cliccare con il tasto destro sull’immagine e salvarla dove vuoi così da fissare i concetti in memoria più facilmente ed averla sempre a portata di mano… NON SI SA MAIwink

Sai perchè il cielo è azzurro?

Sai perchè il cielo è azzurro?

Iscriviti alla nostra newsletter ed in regalo ti sveleremo questa insieme ad altre 9 curiosità 

Grazie per esserti iscritto. Controlla la mail!

Pin It on Pinterest

Share This