Dualismo onda-particella

Il dualismo onda-particella descrive la duplice natura della materia e della radiazione, che in alcuni esperimenti si comportano come corpuscoli localizzati e in altri come onde in grado di interferire e diffrangere.

E' il principio fondamentale della meccanica quantistica secondo cui radiazione e materia presentano simultaneamente proprietà ondulatorie e corpuscolari.

Fenomeni come interferenza e diffrazione rivelano la natura ondulatoria, mentre gli urti localizzati e i quanti di energia mostrano la natura corpuscolare.

In termini moderni, entrambe le manifestazioni derivano dalla descrizione unitaria tramite una funzione d’onda.

Nota. L’esperimento della doppia fenditura è il test più famoso per dimostrare il dualismo onda-particella della materia e della radiazione. Mostra che fotoni ed elettroni possono comportarsi sia come onde sia come particelle, a seconda delle condizioni di osservazione.

L'esperimento della doppia fenditura

Nel Settecento prevaleva l’idea che la luce avesse natura corpuscolare, sostenuta con forza da Isaac Newton.

Secondo Newton la luce era composta da piccolissime particelle (corpuscoli) emesse dai corpi luminosi.

All’inizio dell’Ottocento, nel 1801, l’esperimento della doppia fenditura di Thomas Young portò invece gli scienziati a riconoscerne la natura ondulatoria.

Young fece passare un raggio di luce attraverso due fenditure parallele praticate su uno schermo opaco.

Sul pannello posto dietro le fenditure non apparvero due bande luminose, come ci si aspettava,  ma un disegno di frange alternate chiare e scure, tipico delle interferenze ondulatorie.

La luce si comportava dunque come un’onda, capace di sovrapporsi e di creare interferenza costruttiva e distruttiva.

• Nei punti di interferenza costruttiva le due onde si sommano, producendo un aumento dell’intensità.
• Nei punti di interferenza distruttiva le onde si annullano parzialmente o totalmente, riducendo l’intensità.

Osservando le barriere dall’alto, si nota chiaramente che in alcuni punti le onde si sovrappongono rafforzandosi (punti rossi), mentre in altri si annullano a vicenda. Questo genera più barre verticali sullo schermo.

Questo risultato portò gli scienziati del XIX secolo a ritenere che la luce, e più in generale le radiazioni elettromagnetiche, avessero esclusivamente una natura ondulatoria, abbandonando l’ipotesi corpuscolare.

Il ritorno dell'ipotesi corpuscolare

Il ritorno dell’ipotesi corpuscolare avvenne all’inizio del '900 con la teoria dei quanti di Max Planck, che introdusse l’idea dell’energia quantizzata: una grandezza suddivisa in unità minime e discrete (il quanto di energia).

Nel 1905 Albert Einstein utilizzò con successo la teoria dei quanti per spiegare l'effetto fotoelettrico concependo la luce composta da particelle indivisibili dette fotoni.

Gli scienziati iniziarono a considerare la luce come un fenomeno dotato di duplice natura: corpuscolare (fotoni) e ondulatoria.

Fu Louis de Broglie, nel 1924, ad avanzare l'ipotesi che anche gli elettroni avessero una duplice natura ondulatoria e particellare.

Quindi, il dualismo onda-particella non riguardava solo le radiazioni ma anche la materia.

Il dualismo onda particella degli elettroni

L’esperimento di Young fu ripetuto impiegando non più fasci di luce, ma elettroni lanciati contro una barriera con due fenditure.

Se gli elettroni si comportassero soltanto come particelle materiali, ci si aspetterebbe di osservare sullo schermo due bande nette corrispondenti alle fenditure.

In realtà, comparve invece un disegno di interferenza, identico a quello prodotto dalla luce: ogni elettrone sembrava attraversare simultaneamente entrambe le fenditure, manifestandosi come un’onda.

Per escludere che il fenomeno fosse dovuto all’interazione reciproca tra particelle, gli scienziati ripeterono l’esperimento inviando un solo elettrone alla volta.

Ma sorprendentemente, anche in questo caso emerse lo stesso schema di interferenza, confermando così la natura ondulatoria degli elettroni.

Quando però si introdusse un rivelatore per stabilire attraverso quale fenditura passasse l’elettrone, il disegno di interferenza scomparve, lasciando soltanto due bande distinte, proprio come se gli elettroni fossero semplici corpuscoli.

Questo esperimento dimostra che:

• in assenza di osservazione gli elettroni si comportano come onde, dando luogo a figure di interferenza;
• in presenza di osservazione si manifestano invece come particelle localizzate, producendo due sole tracce.

Secondo la meccanica quantistica, questo fenomeno si spiega con la funzione d’onda, che descrive le probabilità di trovare la particella in un certo punto. L’atto di osservare provoca il “collasso” della funzione d’onda, eliminando la sovrapposizione e rivelando uno stato determinato.

Nota. Per osservare da quale fenditura passa una particella si usano fotodiodi o sensori elettronici in grado di registrare il passaggio di un fotone o di un elettrone, oppure tecniche di scattering che interagiscono con la particella lungo il suo percorso. Il punto cruciale è che qualunque metodo si usi per determinare da quale fenditura passa, introduce inevitabilmente un'interazione con la particella. Questa interazione distrugge la figura di interferenza, modificando il comportamento della particella da ondulatorio a corpuscolare.

Questo significa che la luce e, più in generale, la materia non possono essere descritte solo come onde o solo come particelle, ma possiedono una natura duplice di onda-particella (dualismo onda-particella) che si manifesta in modo diverso a seconda del tipo di osservazione o di esperimento compiuto. 

E così via.