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La traiettoria della palla e dell’onda (parte seconda)


Ci siamo lasciati mentre giocavi a palla in giardino; bravo, fai bene a giocare anche se sei adulto, il gioco è il modo più efficace per imparare cose nuove.

Adesso però rendiamolo più interessante: invece di lanciare una palla attraverso due porte, proviamo a lanciarne un frammento piccolissimo, addirittura una molecola, attraverso fenditure ridotte delle debite proporzioni (ti ricordo che la molecola è la più piccola parte in cui puoi dividere una sostanza mantenendone inalterate le caratteristiche: una molecola di acqua possiede tutte le proprietà dell’acqua ed è, a tutti gli effetti, acqua; se procedi oltre nella sua scomposizione in atomi, invece, perdi l’identità della sostanza di origine: nella fattispecie ti ritroverai con atomi di ossigeno e idrogeno, molto diversi dall’acqua).

Ora, siccome il concetto di ‘molecola di palla’ è piuttosto indefinito, ti suggerisco di provare l’esperimento seguendo le tracce dei fisici, che lo hanno eseguito usando molecole di fullerene, composte da 60 atomi di carbonio (non so dove si possa comprare del fullerene a buon mercato, lascio a te i dettagli di implementazione).

Le condizioni dell’esperimento sono di fatto le stesse, cambia solo la scala, che adesso è a livello microscopico. Dopo un bel po’ di lanci di queste ‘piccole palline’ ci dovremmo pertanto attendere,  nella parete retrostante (che adesso è qualcosa di simile ad una lastra fotografica, in grado di registrare i punti di impatto delle molecole), due strisce più marcate in corrispondenza delle due fenditure.

E invece, sorpresa! Un puntino dopo l’altro, quello che si viene a comporre non è una doppia striscia, ma una serie di strisce di interferenza, come se invece di utilizzare palline avessimo usato onde!

Esperimento della doppia fenditura

Come dobbiamo interpretare tutto questo? Le particelle a livello microscopico hanno dunque un comportamento ondulatorio, che diventa corpuscolare quando le dimensioni aumentano? Se le cose stanno così, a che scala avverrebbe il cambiamento?

Ma lo sconcerto aumenta se si riflette bene su quello che è successo: noi abbiamo lanciato una molecola alla volta, e ciò è testimoniato chiaramente dal fatto che dall’altra parte appare un singolo puntino per volta; quindi, quando arriva a destinazione, la molecola è chiaramente ‘una pallina’. Però, la sua traiettoria viene decisa come se fosse un’onda: detto in altri termini, sembra che la particella interferisca con sé stessa. Sembra cioè che parta come particella, diventi onda mentre è in viaggio (e non interagisce con alcunché) e si ritrasformi in particella alla prima interazione con qualche altra sostanza (la lastra fotografica).

A questo punto ti potresti chiedere: ma da quale delle due fenditure è passata la molecola-pallina? Quando giocavo felice nel mio giardino la traiettoria era piuttosto evidente, ed era chiaro che era passata da una oppure dall’altra parte. Ebbene, lascia da parte le tue certezze: in questo caso, la risposta è che la pallina è passata da entrambe le fenditure, oppure da nessuna, oppure meglio ancora che la domanda che hai fatto è priva di senso e pertanto non ha risposta!

yinyang

La verità che ha sconvolto i fisici del primo novecento è proprio questa: finché non effettui una misurazione, la realtà sottostante è indeterminata; ma attenzione: quando dico indeterminata, non intendo in senso blando (la traiettoria esiste, ma io non la conosco), intendo proprio indeterminata: la traiettoria non esiste, e solo la sua misurazione la porta ad esistenza.

A livello microscopico, dunque, non esiste una realtà fatta in un modo o nell’altra indipendentemente dal fatto che la si osservi o meno; l’osservatore contribuisce alla creazione della realtà attraverso il processo di misurazione.

Young

Se tutto questo ti risulta nebuloso, proseguiamo con l’esperimento, non può che peggiorare.

Non sei convinto di quanto dico, e alla fine pretendi una risposta alla domanda ‘da che parte è passata la molecola?’. Quindi, furbo come una faina, piazzi un rilevatore di fullereni, preso in un negozio di cineserie, nei pressi di una delle due fenditure, in modo che ti informi se la pallina è passata di lì, pur lasciandola proseguire indisturbata (questo almeno è quello che credi). Ovviamente viene fuori che nel cinquanta per cento dei casi la molecola passa da una parte, e nel restante cinquanta passa dall’altra (“Visto? lo sapevo!”, dici trionfante).

Certo, ma osserva cosa succede nella lastra fotografica: la figura di interferenza è sparita, adesso è come se non ci fosse più comportamento ondulatorio! Sembra proprio che le particelle ti prendano per i fondelli; siccome volevi conoscere un’informazione circa lo stato corpuscolare della particella, questa ti ha accontentato, ma al prezzo di nasconderti le informazioni di tipo ondulatorio. Essa possiede entrambe le caratteristiche, ma tu sei condannato a conoscerne solo una per volta, non entrambe allo stesso tempo! Fra l’altro ti domandi: ma come faceva la molecola a sapere, quando è partita, che poco dopo la fenditura avrebbe trovato un rilevatore e quindi che doveva assumere aspetto corpuscolare?

Esperimento delle due fenditure senza interferenza

Quello che succede, in termini non rigorosi, è questo: la molecola parte dal nostro ‘fucile a fullereni’ ed assume una traiettoria indeterminata, propagandosi come un’onda in tutte le direzioni; finché non incontra nessun’altra particella, l’indeterminazione persiste, ed è come se la molecola esistesse in più posti allo stesso tempo, anche se solo a livello ‘potenziale’; non appena avviene un’interazione significativa con altre particelle (quello che noi chiamiamo ‘misurazione’), l’indeterminazione scompare, e tutti questi diversi stati potenziali sovrapposti (la pallina è qua, là, altrove tutto allo stesso tempo) collassano in un’unico stato (la pallina è là), lo stato che ci è tanto familiare.

Ed il collasso è probabilistico: la pallina apparirà là con una certa probabilità. Più ripetizioni dello stesso esperimento non condurranno a stessi risultati: ecco che quello che la teoria della relatività sembrava averci tolto, il libero arbitrio negato da una realtà predeterminata e bloccata, adesso ci viene restituito a piene mani dalla fisica quantistica, ed in un modo così sconcertante e affascinante al tempo stesso!

Ma la teoria, che a questo punto diventa piuttosto speculativa, ci porta ancor più giù nella tana del Bianconiglio: un possibile modo di interpretare le cose è che esistano infiniti mondi, uno in cui la palla va a destra, uno in cui va un po’ più a sinistra, uno in cui va su, ecc. ecc.; quando effettui la misurazione, ti scindi in tanti te stesso, ed ogni copia di te percepisce una delle possibili traiettorie come reale (mentre in realtà tutte lo sono, e per ognuna esiste una copia di te convinta di essere unica e di aver colto in flagrante la pallina nel suo passaggio, ad esempio, per la fenditura di destra!).

Gli esperimenti che qui ti ho riportato sono reali e fuori discussione, e sono stati eseguiti per la prima volta usando fotoni (l’unità fondamentale di luce), quindi elettroni e, solo da ultimo, molecole quali i fullereni; le spiegazioni del loro perché sono invece più controverse; è indubbio tuttavia che le implicazioni sul nostro modo di percepire il mondo siano notevoli, che si voglia o meno credere alla teoria dei molti mondi. Per ora non andrei oltre, spero comunque di averti lasciato qualche spunto di riflessione e, perché no, la voglia di approfondire la tematica, che per me è estremamente affascinante e coinvolgente.

E le sorprese non finiscono qui: ma ne parleremo in uno dei prossimi articoli.

Riferimenti bibliografici:

Colin Bruce – I conigli di Schrödinger. Fisica quantistica e universi paralleli

David Lindley – La luna di Einstein. Chi ha detto che è impossibile capire la meccanica quantistica?

La traiettoria della palla e dell’onda (parte prima)


Immagina di essere in giardino con una palla; davanti a te, ad una ventina di passi, un muro bianco. Calci la palla in modo deciso e questa, seguendo una traiettoria rettilinea, colpisce il muro in un qualche punto. La palla è sporca di fango, per cui lascia un evidente segno nella zona di contatto. Immagina di ripetere più volte l’esperimento (magari prima che arrivi il proprietario del muro): alla fine questo risulterà macchiato in un modo che dipende dal numero e dalla posizione delle collisioni: marcatamente dove è stato colpito più volte, moderatamente altrove.

Adesso complichiamo le cose: mettiamo un altro muro fra te ed il precedente, con una porta aperta; il gioco consiste nel ‘fare goal’, ossia far passare la palla attraverso l’apertura. E’ evidente che a questo punto le collisioni nel muro retrostante andranno a disegnare una figura che riflette la posizione dell’apertura: ci sarà una zona maggiormente segnata e le tracce di fango degraderanno via via che ci si allontana da essa.

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Bene. Adesso cambiamo gioco. Sei in riva ad un laghetto; un muro ne delimita il bordo dalla parte opposta a quella in cui ti trovi. Sulla superficie galleggia del materiale fangoso. La giornata non è ventosa, pertanto il lago è in quiete, non vedi una sola increspatura. A questo punto prendi un sasso e lo getti in acqua. Dal punto in cui il sasso si è immerso puoi notare che si dipartono delle onde concentriche, che sollevano e abbassano la superficie dell’acqua, fino a smorzarsi ai bordi del lago. Le onde raggiungono ovviamente anche il muro, lasciandovi tracce di fango in modo più evidente nei punti dove è arrivata la cresta dell’onda. Lanci più sassi nel lago: anche in questo caso si viene a creare una figura nel muro, che dipende dal numero di sassi e dalla posizione in cui questi hanno incontrato l’acqua.

Come prima, introduciamo una complicazione: un muro al centro del lago, che lo separa in due metà comunicanti attraverso la solita apertura. Le onde che generi con i tuoi sassi adesso raggiungeranno il muro retrostante solo dopo essere passate per il varco, che le ‘costringerà’ a colpirlo in modalità più prevedibili: otterrai, come nel caso della palla, una zona centrale maggiormente segnata che degraderà via via che ci si sposta verso la periferia.

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Il risultato ottenuto è simile, anche se i fenomeni appartengono a categorie che, almeno a prima vista, sono concettualmente molto distanti.

Dove sta la grossa differenza fra i due fenomeni? Per capirlo, devi pensare di avere non una, ma due aperture nel muro. Cosa succede nel caso della palla? Ebbene, tu deciderai di farla passare ora di qua, ora di là: dall’altra parte si verranno ad evidenziare due zone distinte, individuate dai punti a più frequente contatto.

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E nel caso dell’onda? Attenzione: in questo caso succede una cosa completamente diversa, perché la singola onda, che si diparte dal sasso, raggiunge le due aperture del muro intermedio; dall’altra parte si dipartiranno due movimenti ondosi, che interferiranno l’un l’altro: se l’avvallamento di un’onda si somma alla cresta dell’altra, il risultato è zero: le onde, in quel punto, si annullano a vicenda; viceversa, se due creste si incontrano, il risultato è doppio: si rafforzano a vicenda. Nel muro non troverai pertanto due segni marcati, ma delle strisce di interferenza, la cui struttura è funzione del fatto che i due movimenti ondosi in quel punto si siano reciprocamente rafforzati, annullati o depressi.


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Tieni presente che ho descritto il fenomeno con parole mie, in un modo che mi aiuta a capirlo anche se sicuramente non rigoroso dal punto di vista scientifico. Se risultasse chiaro anche a te, preoccupati: potresti avere una struttura cerebrale simile alla mia. Se invece non risultasse poi così chiaro, prova a gettare contemporaneamente due sassi nell’acqua e osserva come si comportano i due treni di onde che si vengono a creare: noterai qualcosa di simile al mio disegno.

A questo punto ti chiederai dove voglio arrivare; forse risulterà più chiaro nel seguito della mia dissertazione, anche se per ora i punti fermi a cui siamo giunti sono: esistono due entità profondamente diverse, le onde e le particelle, e nella nostra visione dualistica del mondo le une escludono le altre; o mi trovo di fronte ad un fenomeno ondoso, e questo ha caratteristiche ben precise, oppure di fronte ad un fenomeno corpuscolare, con tutt’altre regole di funzionamento.

Ma siamo proprio sicuri che la realtà sia questa?

Per il momento credo di averti annoiato a sufficienza, mi fermerei qui. In uno dei prossimi articoli dirò come questi concetti, ora applicati su scala macroscopica, possano riferirsi anche a particelle subatomiche, su scala microscopica: se avrai la pazienza di seguirmi, vedremo che questo ci riserverà parecchie sorprese!

Riferimenti bibliografici:

Colin Bruce – I conigli di Schrödinger. Fisica quantistica e universi paralleli