Quest'anno ricorrono i 90 anni dalla pubblicazione del risultato dell'esperimento della doppia fenditura con gli elettroni, quello di Clinton Davisson e Lester Germer, fatto nel 1927. Si tratta dell'esperimento che ha mostrato per la prima volta come anche le particelle di materia abbiano un comportamento ondulatorio, e che il mondo è fondamentalmente quanto-meccanico. L'articolo originale del 1927 è disponibile sul sito di Nature, ma non accessibile senza pagare, o con un abbonamento istituzionale. È un peccato (e dell'accesso libero alle pubblicazioni potremmo parlare a lungo), perché andrebbe letto da tutti gli aspiranti fisici. Mi sembra infatti molto importante tornare sempre alle fonti originali, e non soltanto apprendere l'evoluzione della disciplina dai manuali. In questo caso uno può leggere la pubblicazione successiva di Davisson e Germer del 1928, che riporta i nuovi risultati dello stesso esperimento e da cui è tratta la figura là in alto.
A proposito della necessità di leggere le fonti originali, pensate che in questo caso, per esempio, la famosa "doppia fenditura" è soltanto un espediente didattico. Se si trattava di una vera doppia fenditura nell'esperimento di Young fatto con la luce, nel caso degli elettroni il ruolo di reticolo diffrattivo è assunto da un cristallo di nickel. Lo sapevate?
Se ci pensate, novant'anni non sono poi un periodo così lungo per una rivoluzione così radicale del modo di vedere il mondo. L'idea che il comportamento dei componenti fondamentali della materia sia regolato da leggi di probabilità, e che queste probabilità (e il loro interferire) siano le uniche cosa che siamo in gradi di calcolare e predire, è stata ed è ancora dura da digerire. A livello macroscopico il mondo sembra infatti essere deterministico, e il cervello umano si è evoluto per interpretare ciò che lo circonda proprio immaginandone l'evoluzione in un modo che un fisico chiamerebbe "classico".
In realtà anche a livello macroscopico valgono le leggi della meccanica quantistica, ma le distribuzioni di probabilità sono talmente localizzate da rendere i comportamenti indistinguibili dalle loro descrizioni classiche. Per capirci: esattamente come per un elettrone esiste una probabilità non nulla di attraversare una barriera di potenziale che sarebbe classicamente impenetrabile (da cui l'effetto tunnel), anche per un insieme macroscopico di particelle come il corpo di una persone esiste una possibilità finita di attraversare un muro di mattoni altrettanto classicamente impenetrabile. Peccato che nel primo caso la probabilità sia sufficientemente grande da permettere al fenomeno di manifestarsi di tanto in tanto, mentre nel secondo, sebbene non nulla, è talmente piccola da far si che, sulla scala dei tempi della vita dell'universo, il fenomeno non si manifesti mai.
Qualche anno fa, nel periodo delle passeggiate in cui spiegavo la fisica a Oliver, ne avevo scritte cinque dedicate proprio alla meccanica quantistica e alla spiegazione dell'esperimento delle due fenditure. Le raccolgo qui sotto, per chi volesse rileggerle o per chi non le avesse mai lette. Vi prego di notare che contengono anche dei raffinatissimo lavori di manipolazione delle immagini, con Oliver multipli che fanno la guardia alle fenditure (per esempio nella quarta passeggiata).
- La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Prima passeggiata: luce di tanti colori, ognuno con un'intensità diversa. Dove Oliver esprime il desiderio di imparare la meccanica quantistica, si sente raccontare di corpi caldi che emettono luce di vario tipo, capisce che la strada per la comprensione richiederà tempo, e spera di avere una fetta d'arrosto al rientro a casa.
- La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Seconda passeggiata: granelli di luce. Dove Oliver scopre l'imbroglio di Planck, impara che la luce è fatta da granellini, inizia a interrogarsi sulla natura della materia, e finisce per rincorre marmotte in tutta la valle.
- La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Gita al lago: onde che si sovrappongono. Dove Oliver osserva le onde provocate dai sassi lanciati nel lago, impara che cos'è l'interferenza, e insiste per avere una fetta di salame come premio per la sua perspicacia.
- La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Quarta passeggiata: sassi contro la palizzata. Dove Oliver impara che i sassi lanciati attraverso le fessure che separano le assi scrostate del recinto dietro casa si comportano in modo diverso dagli elettroni lanciati attraverso fessure microscopiche, sente la sua povera testolina girare a quest'idea bizzarra, e ripiega verso la sicurezza della pappa che lo aspetta per non svenire.
- La meccanica quantistica spiegata a Oliver. Quinta (e ultima) passeggiata: cani da guardia dietro le fenditure. Dove Oliver si rimpicciolisce per mettersi a guardia delle fenditure e verificare dove passino gli elettroni, resta deluso dalla sparizione della figura di interferenza, e impara che in un mondo gestito da sovrapposizioni di stati possibili è meglio massimizzare la probabilità di ottenere un biscotto.
Recuperare questi link è stato allo stesso tempo un'occasione simpatica e mesta. L'avventura di Oliver su questa terra è infatti arrivata alla fine proprio un anno fa, e, nonostante qui ci ripetiamo quanto la sua sia stata un'esistenza piena, fortunata e lunga, resta quel fondo di tristezza per un compagno fedele che non è più con noi. Ciao Oliver, mi manchi.
(Mi piace pensare che Oliver stia cacciando le talpe in qualche dimensione nascosta dell'Universo).
Il 28 febbraio 2009 l'Alma Mater e il CNR organizzarono a Bologna, per mezzo di Giorgio Lulli, una conferenza e un sito WEB per ricordare l'esperimento sull'interferenza di elettroni singoli realizzato a Bologna nel 1976 da Pozzi, Merli e Missiroli.
Fu interessante e piacevole.
Il link è
http://l-esperimento-piu-bello-della-fisica.bo.imm.cnr.it/index.html
Povera bestia ! Si vede chiaramente che ha freddo !!!
@Mirko: in effetti a quel punto della gita era abbastanza congelato, ma fino a qualche momento prima era impossibile tenerlo lontano dalla neve, che ha sempre amato (come tutti i cani).
Te lo dissi già una volta; resto convinto che l'amore, spt quello per i nostri amici non umani, non sia mai a fondo perduto. A me tutti i piccoli fratelli hanno insegnato ad apprezzare la semplicità e anche a ricercare (ed essere tollerante con) la complessità umana
Grazie, mi hai commosso
Olivier sei bellissimo!
Ecco il mio Oliver.
era in gambo. e faceva silvio ancora in età di riguardo.
Non so se l'espressione 'fare silvio' si conservi intellegibile ancor oggi, ma all'epoca era certamente ben comprensibile e pregna di significato.
ci sono cose, infatti, che bruciano nel tempo i propri contenuti (per fortuna) e altre che
si conservano imperiture oltre ogni ragionevole limite. anche per novant'anni.
la protezione ad libitum del diritti sulla proprietà intellettuale è sicuramente una di queste.
l'esempio dell'articolo scientifico a pagamento, che hai fatto benissimo a segnalare, è solo una goccia nell'oceano delle aberrazioni che pervadono la nostra società di mercato.
a mio parere, la responsabilità della comunicazione scientifica possiede un ruolo particolare nel propugnare i modelli virtuosi di sviluppo aperto dell'economia e della conoscenza, che promuovono la partecipazione di tutti alla costruzione e alla tutela della cultura.
Ritengo ci sia un errore di fondo. L'evoluzione di quello che voi fisici chiamate "funzione d'onda" è deterministica. L'indeterminazione nasce solo all'atto della misura. Ma cosa è l'atto della misura? Come hai anche affermato tu, anche il mondo macroscopico può essere concepito come un mondo quantistico, quindi non esiste un oggetto macroscopico che sia possibile concepire interamente in senso classico e che possiamo utilizzare per fare le misure per stabilire la relazione tra il mondo classico e quello quantistico. L'idea che quando si opera una misura il sistema quantistico collassa nell'autostato (ecc. ecc.) credo sia una interpretazione poco plausibile. In sostanza se è vero che esiste un mondo deterministico (dato dall'evoluzione della funzione d'onda) e un mondo indeterministico dato dalla conoscenza dei risultati delle misure, non vuol dire che la natura sia indeterministica. La natura è deterministica, ma solo una parte di questo mondo deterministico possiamo conoscere. In 90 anni credo si sia consolidata la sensazione che non ne verremo mai a capo, quindi meglio ridurre il concetto alla nostra conoscenza, che è indeterministica, tralasciando concetti ontologici e intriseci della natura stessa. Io però continuo a distinguere i due concetti.
Solo due semplici domande:
1) In riferimento alla relazione di "mass shell", una
particella che non rispetta la: mc^2=hc/lambda ,
può essere definita "particella virtuale?
2)In riferimento alla : mc=h/lambda1 è possibile
ipotizzare, solo concettualmente: ec=kh/lambda2 ?
Ciao Lino, le tue non sono affatto domande semplici. Per come la metti, sembrerebbe che uno possa liquidare certi aspetti della terra dei campi con una formula semplice. Ti rispondo, ma ovviamente bisognerebbe approfondire.
Per quanti riguarda (1), le particelle virtuali di una teoria di campo possono essere o meno "on shell", ovvero avere il proprio quadri-momento quadrato uguale alla propria massa invariante. Vale dunque anche il contrario: una particella "on shell" rispetta sempre la condizione di cui sopra, per cui la risposta breve alla tua domanda è "si". Devi però tenere conto che spessissimo questi stati "on shell" reali hanno una vita media finita molto piccola, cosa che aumenta l'incertezza sul valore della loro massa. Anche per una particella "reale", dunque, la relazione di massa "on shell" non è sempre definita così precisamente.
Per quanto riguarda (2), invece, devo dire che non capisco la domanda, nel senso che non comprendo il significato di certi simboli che usi ("e" è la carica dell'elettrone? Cos'è "k"?), e quali ipotesi hai fatto e per quali particelle, per cui non posso proprio azzardare una risposta.
Ciao Marco, la tua risposta e' una piacevole sorpresa. Non ci speravo piu'. Il fare domande non semplici, a volta imbarazzanti e' una mia croce che mi e' costata non poco al tempo degli studi. La biunivocita' che affermi e' parte di quello che mi interessava. Dal poco che ho letto e che so di QFT e QED , per il momento , mi sono fatto l' idea che una particella virtuale (fotone in questo caso) oltre che a non stare sulla "mass-shell" deve possedere uno stato di polarizzazione non solo trasversale (longitudinale, scalare). Non so se le due cose sono in qualche modo correlate. Il non rispettare la "mass-shell" implica, per il principio di indeterminazione, che le p. virtuali esistono per un tempo brevissimo.
Il discorso fatto in relazione alle particelle reali lo capisco se in riferimento, anche per loro
al principio di determinazione. Non so quanti arrosti ho fatto, se puoi correggimi.
Per il 2° quesito : e= carica dell' elettrone , k= costante che ha le dimensioni di "e/m" e valore unitario, m=massa elettrone, a questo punto ovviamente lamda1 #lamda2. Perché questo arzigogolo? Perché nei miei incubi notturni sostituendo "e" ad "m" vengono fuori un sacco di cose interessanti (calcolate) . Raggio dell' elettrone (non il classico) come misurato ed estrapolato da H.G. Dehmelt (premio nobel per la fisica 1989) , una inusuale interpretazione degli stress di Poicare'....Le cose citate non sono immediatamente derivabili e se per me e' un esercizio speculativo nel campo dell' improbabile, non penso che tu possa essere interessato.
Ti ringrazio della disponibilita'
Lino