domenica 8 marzo 2015

L'ESPERIMENTO DELLA DOPPIA FENDITURA


In meccanica quantistica, la funzione d'onda rappresenta uno stato fisico del sistema quantistico. È una funzione complessa delle coordinate spaziali e del tempo e il suo significato è quello di un'ampiezza di probabilità (da cui l'utilizzo dei termini "funzione d'onda" e "ampiezza di probabilità" come sinonimi, oppure di definizione del primo in funzione del secondo), ovvero il suo modulo quadro rappresenta la densità di probabilità dello stato sulle posizioni.
Più precisamente, è la proiezione di uno stato quantistico sulla base degli autostati di un osservabile, la cui dinamica è descritta dall'equazione di Schrödinger. In rappresentazione delle coordinate lo stato è proiettato sugli autostati della posizione. Nell'ottica vettoriale quindi si può pensare alla funzione d'onda come ad un vettore al limite di infinite (e continue) componenti. La densità di probabilità che lo stato abbia posizione x sarà quindi il modulo quadro della componente x-esima .

La fisica quantistica dice che ci sono infinite possibilità. Tutto può accadere. La probabilità che qualcosa avvenga (in termini tecnici quando avviene il collasso della funzione d’onda) è strettamente legata all’atto di osservazione che diventa coerente con ciò che prevediamo di vedere.
Quando osserviamo e “scegliamo” uno specifico risultato, tutte le altre possibilità diventano incoerenti rispetto a ciò che vediamo e si auto-escludono.

Newton credeva che la luce consistesse di un flusso di piccoli frammenti di materia fisica, o particelle.
Ma nel 1803 con il famoso esperimento della doppia fenditura, Thomas Young scoprì che la luce si comporta come onde che possono urtarsi o interferire l’una con l’altra.
Nel suo esperimento, Young mise due schermi, uno dietro l’altro davanti a una luce.


Un raggio di luce laser monocromatico colpisce un microscopico forellino nel primo schermo e da questo,
in base al principio di Huygens viene diffratto sulle due sottilissime fenditure S1 ed S2 equidistanti dalla fenditura singola. I due fori (di dimensioni paragonabili alla lunghezza d’onda della luce) si comportano come sorgenti puntiformi e coerenti e la luce da essi emessa interferisce come le onde sull’acqua prodotte da una sorgente doppia. Proseguendo, la luce colpisce uno schermo sul quale si visualizza una figura di interferenza caratterizzata da bande chiare e scure, in cui l’interferenza è costruttiva e da nodi in cui l’interferenza è distruttiva. Basandosi sui risultati dell’esperimento, Young provò che la luce non è, come credeva Newton, una particella, ma un’onda che si muove con le stesse modalità del suono.





Approfondendo la rivelazione di Young che la luce si comporta come un’onda, Albert Einstein studiò
l’effetto fotoelettrico, per il quale il metallo colpito da un raggio di luce emette elettroni. Nel 1905, Einstein, usando il concetto di Max Planck di blocchi discontinui di energia, lavorò sulla luce per spiegare l’effetto fotoelettrico e concluse che, se ci si potesse avvicinare a sufficienza, si vedrebbe che le onde di luce sono in effetti particelle, piccoli frammenti di luce chiamati insieme che egli chiamò fotoni. Einstein provò che i fotoni, colpendo gli elettroni, provocano la loro espulsione e il conseguente rilascio di energia durante il processo (effetto fotoelettrico). Young provò per primo che la luce si comporta come delle onde,
ma Einstein provò che la luce è fatta di particelle luminose chiamate fotoni.



La luce è un’onda o una particella?
Il dualismo onda-particella è un paradosso fondamentale della fisica quantistica. Nel 1961 e nel 1989,
gli esperimenti della doppia fenditura di Young vennero ripetuti. Ciò che gli scienziati scoprirono è che se si rallenta l’emissione della luce verso un singolo fotone alla volta e si realizza lo stesso esperimento di Young, i risultati sono sorprendenti. L'esperimento in questione fu eseguito da Feynman utilizzando elettroni al posto dei fotoni. Come ci si poteva aspettare, con una fenditura aperta l'elettrone oltrepassa lo schermo e lascia un punto di luce corrispondente. Con entrambe le fenditure aperte, il modello di interferenza delle onde si manifesta anche con un singolo elettrone.
Come può essere? Come possono esserci onde di interferenza quando gli elettroni passano attraverso una sola fenditura alla volta? Un singolo elettrone dovrebbe essere una particella o dovrebbe poter attraversare una qualsiasi delle due fenditure, ma non entrambe. Invece, quando le due fenditure sono aperte, anche se gli elettroni sono emessi uno alla volta, appare il modello di interferenza che indica la presenza di più di un’onda. Per quanto possa apparire illogico, l’unica conclusione da trarre è che i singoli elettroni passano effettivamente attraverso entrambe le fenditure simultaneamente e che ogni elettrone interferisce solo con se stesso. Un'ulteriore particolarità è che quando si vuole porre un rilevatore dietro alle fenditure (un fascio di luce) per appunto rilevare il passaggio della particella da una delle due fenditure, si ottiene che il fascio di elettroni proietta due fasce sulla lastra fotografica in corrispondenza delle fenditure. Dunque, quando si vuole rilevare il passaggio dell'elettrone, questo si comporta da corpuscolo facendo venire a mancare le frangie d'interferenza; quando invece non si pongono rilevatori l'elettrone si comporta da onda.
La luce (o l'elettrone in questo caso) si comporta a volte come un’onda e a volte come una particella.




John von Neumann, celebre matematico, fu chiamato ad interpretare i risultati sconcertanti dell’esperimento e giunse alla conclusione che l’unica spiegazione possibile fosse la presenza di una variabile nascosta. Secondo il lavoro di Thomas J. McFarlane, Quantum Physics, Depth Psychology and Behond, von Neumann giunse alla fine alla conclusione che quel fattore x fosse la coscienza umana. In pratica , il motivo per cui il fotone o l’elettrone interferiva con se stesso era che la nostra coscienza (quella degli esseri umani) provocava il collasso della funzione d’onda, e ciò produceva la differenza tra la percezione della particella e dell’onda. Se partiamo dal presupposto che gli esseri umani sono composti di elettroni, l’atto stesso di osservare provoca il collasso della funzione d’onda e cambia la struttura concreta della composizione del corpo. Quindi fondamentalmente il nostro universo è un artefatto. In sostanza la coscienza è il fattore x che viene trascurato in tutti quanti gli esperimenti, ma che spiega la maggior parte degli effetti osservabili in fisica quantistica. L’onda probabilistica è basata sul nostro modello di coscienza. Sorprendente. Forse la fisica andrebbe riscritta introducendo oltre ai vettori di spazio, tempo ed energia anche un vettore di coscienza?

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