Le meraviglie della Meccanica Quantistica – I


La visione del mondo che abbiamo costruito attraverso l’esperienza quotidiana ci regala poche certezze, ma tra queste saremmo ampiamente disposti a scommettere che tempo, spazio siano quantomeno fissi ed immutabili. E, con essi, tutte le relative misurazioni: se lasciamo un oggetto su un tavolo e nessuno lo tocca siamo sicuri che questo resti dov’è; se ogni giorno percorriamo un tratto di strada siamo sicuri che il tempo che impieghiamo e la  lunghezza dello stesso tratto non variano, traffico a parte.

Le scoperte scientifiche del secolo scorso hanno dimostrato, invece, che al livello subatomico tutte queste certezze sono assolutamente effimere. Nell’articolo dedicato al computer quantistico abbiamo iniziato a parlare del bizzarro mondo della meccanica quantistica e dei fenomeni onirici che la caratterizzano: sovrapposizione di stati, entanglement e diversi altri fatti curiosi che distruggono miserevolmente la percezione della realtà che noi, abitanti del mondo macroscopico, abbiamo costruito in migliaia di anni.

Con questo post iniziamo una serie di ampi articoli divulgativi a cadenza circa settimanale dedicati alla meccanica quantistica. Vedremo – ad iniziare da oggi – che non occorrono strumenti sofisticati per sperimentare la realtà quantistica ed arriveremo a condurre esperimenti in casa, per i quali non occorrono costosi dispositivi come gli acceleratori di particelle. Eviteremo di usare il formalismo matematico e terremo unicamente un taglio divulgativo, senza per questo rinunciare ad affrontare tutti i temi più “caldi” e decisamente controintuitivi.

Il determinismo con cui l’umanità guardava i fenomeni fisici ha iniziato a scricchiolare nel 1801, con l’Esperimento di Young della doppia fenditura. Thomas Young, eclettico fisico inglese del XIX secolo, ha dimostrato che la luce è caratterizzata da una natura ondulatoria, cioé che si comporta come un’onda. Fino ad allora, grazie a Newton, la luce veniva trattata come un fenomeno corpuscolare, cioè costituita da tanti minuscoli oggetti assimiabili a biglie infinitesimali. Se la luce avesse natura ondulatoria in qualche modo si dovrebbe sperimentare un comportamento simile a quello delle onde dell’oceano, che si sommano per formare onde complesse fatte di picchi ed avvallamenti. Esperimenti successivi, dimostreranno che la luce mantiene contemporaneamente sia la propria natura ondulatoria che particellare.

Fu Young a trovare il modo, proprio grazie all’esperimento della doppia fenditura. Una cosa semplicissima: si praticano due fori dal bordo netto e molto vicini tra di loro e si fa passare un fascio di luce nel mezzo. Proiettando il fascio su uno schermo non si osserva una luce puntiforme ma una riga luminosa inframmezzata da bande nere. E’ possibile ripetere lo stesso esperimento in casa, usando un puntatore laser (attenzione agli occhi !) e tre refill per matita.

Per comprendere meglio il fenomeno è bene compiere l’esperimento in tre fasi (clicca sulle immagini per ingrandire).

Fase 1: Proiezione diretta del laser su schermo
Proiettate semplicemente il laser sullo schermo. Osservate come la proiezione sia semplicemente costituita da un disco, più luminoso al centro e meno ai bordi.

Fase 2: Proiezione ad una fenditura.
Prendete due mine e, tenendole ravvicinate in una mano, create una sottile fenditura attraverso cui proiettare il fascio laser. La figura sullo schermo tende ad allungarsi ai bordi, ma non appaiono bande di interferenza.

Fase 3: Proiezione a due fenditure.
Usate ora tre mine, creando quindi una seconda fenditura, e proiettate il fascio laser attraverso le mine e verso lo schermo. Restringendo opportunamente le mine si osserva un netto allungamento del fascio laser e la figura di interferenza con le caratteristiche bande nere.

Nell’esperimento delle fenditure si notano due fenomeni distinti. Adottando una fenditura il fascio laser tende ad allungarsi: se la luce fosse composta da corpuscoli, passerebbe “e basta”. Già questa fase dell’esperimento è sufficiente ad evidenziare che i fenomeni del mondo microscopico non sono caratterizzati da un comportamento deterministico. I fotoni che compongono il fascio luminoso, nel passare attraverso la fenditura, vengono deviati di un angolo casuale, ma contenuto entro certi limiti.

Aprendo la seconda fenditura saremmo disposti a scommettere che, pur in presenza dell’allargamento del fascio luminoso, la luce tenda a sovrapporsi generando aree più luminose nella parte comune. E qui la seconda sorpresa: in alcune aree, corrispondenti alle bande nere, i fotoni interferiscono distruttivamente, esattamente come fanno le onde del mare quando si sommano e generano avvallamenti.

L’esperimento di Young non dimostra solo la natura ondulatoria, ma anche il non determinismo intrinseco dei fenomeni fisici. Il punto chiave è che la fenditura genera una diffusione del fascio di luce rappresentata da una vera e propria distribuzione di probabilità. Aprendo una seconda fenditura, lo stesso fenomeno probabilistico ha luogo e le bande nere corrispondono esattamente alle aree dove la probabilità scende a zero.

Alla settimana prossima: parleremo del terremoto che ha scosso la scienza del XX secolo, conseguente alla presa di consapevolezza di questo tipo di fenomeni, e della nascita della meccanica quantistica.

Il lettore che volesse riprodurre in casa l’esperimento può riferirsi a questo video su YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=UANVMIajqlA
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9 risposte a Le meraviglie della Meccanica Quantistica – I

  1. carmelovecchio ha detto:

    Se la mia osservazione modifica la realtà, allora vuol dire che esistono infinite realtà, cioè tante quante sono gli osservatori: umani,animali, vermi, microbi,batteri, vegetali, ecc?
    Allora tutte queste realta sono false, perchè nessuna coincide con le altre!
    Chi può risponda, please!

    • L Baldra ha detto:

      No, a quanto ne so (ho studiato sul Griffiths) la realtà è comunque unica…osservazione nel senso della meccanica quantistica non vuol dire affatto “guardare con gli occhi” ma significa introdurre una nuova variabile nel sistema (un campo elettromagnetico come la luce ad esempio) che permetta di raccogliere informazioni sullo stesso, al prezzo di modificarlo. In realtà la presenza o meno di un essere senziente che osserva gli sviluppi non influisce in alcun modo, ma la luce che utilizziamo per vedere gli oggetti che ci circondano modifica il sistema in modo uguale per tutti gli osservatori che “osservano” utilizzando la luce!

    • lidimatematici ha detto:

      … resta sintonizzato … la risposta è nel prossimo post!

      • carmelovecchio ha detto:

        Ok è assodato che è la luce che modifica la realtà! Pertanto la tua risposta non è logica:
        1) Io posso osservare senza introdurre alcuna luce, quindi la mia realtà sarà un buio assoluto oppure una reltà che non subisce alcuna variazione a causa mia. Se nello stesso istante della mia osservazione senza luce, tu osservi introducendo una luce, allora tu con tale luce modifichi la realtà rispetto alla mia. Cioè percepiamo due realtà diverse.
        2) Ma anche nel caso che entrambi osserviamo introducendo una luce, avremo che le intensità delle due luci sono necessariamente diverse, perchè in qualunque caso partono da due distanze diverse anche se piccolissime (non sovrapponibilità della materia).

  2. Pingback: Le meraviglie della Meccanica Quantistica – II | LidiMatematici

  3. Di Maio Natale ha detto:

    la realtàe sempre una.
    Cambiano solo i punti di osservazione,punti differenti,osservazione differente, realta distorta ma unica realtà.
    scusate la mia intrusione.
    Ciao Ciao

  4. carmelovecchio ha detto:

    Non è affatto vero. Quello che ciascuno di noi vede è solo la sua realtà.
    Il vero mondo è qullo quantistico, cioè l’enormemente piccolo. La luce che ognuno di noi necessariamente riflette e proietta sulle particelle infinitesime le costringe ad assumere una sola realtà, Sono i mnostri fotoni che provocano “il collasso della funzione d’onda”. Ma ciascuno di noi proietta i fotoni dalla sua distanza, che è diversa da quella di tutti gli altri osserevatori (non sovrapposizione della materia).
    Le realtà sono infinite, e sono provocate da tutte le fonti di luce, sia dei viventi che delle cose inanimate.
    E’ un concetto fondamentale: imparalo a memoria!.

  5. Pingback: Le meraviglie della Meccanica Quantistica – V | LidiMatematici

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