Il dualismo onda-particella non è una licenza poetica: è un fatto sperimentale verificato nei minimi dettagli. L’esperimento più pulito — quello che Feynman chiamava “il cuore di tutta la meccanica quantistica”, il fenomeno che contiene l’unico mistero della teoria — è la doppia fenditura realizzata con elettroni che arrivano uno alla volta.
L’apparato. Una sorgente emette elettroni a energia controllata (tipicamente qualche keV, con lunghezza d’onda di de Broglie intorno a m). Il fascio colpisce una barriera con due fenditure ravvicinate; dietro, uno schermo rivelatore — per esempio un sensore a pixel — memorizza la posizione di ogni singolo elettrone che arriva, come un punto, un click, un pixel acceso.
L’apparato della doppia fenditura con elettroni. Le linee tratteggiate mostrano i due cammini possibili; sullo schermo i punti — ciascuno un singolo elettrone rivelato — si addensano in bande alternate, la figura di interferenza.
L’osservazione più sconvolgente. Anche se gli elettroni sono sparati uno alla volta, con intervalli tanto lunghi da garantire che non ci sia mai più di un elettrone nell’apparato, sullo schermo appare progressivamente una figura di interferenza: l’alternanza di bande chiare e scure identica a quella di un’onda che attraversa due fenditure. I primi elettroni arrivano in posizioni apparentemente casuali; ma già dopo qualche migliaio il pattern si intravede; dopo un milione è nitidissimo. L’informazione sull’onda era in ogni singolo elettrone.
A sinistra: poche decine di elettroni, impatti apparentemente casuali. A destra: dopo decine di migliaia, il pattern di frange emerge con precisione. Ogni singolo elettrone “sapeva” dove andare a costruire le bande.
Il paradosso della fenditura. Poiché al momento dell’impatto ogni elettrone è un “punto” — lascia un singolo click, un singolo pixel — viene naturale chiedersi: da quale fenditura è passato? La risposta della meccanica quantistica è tra le cose meno classiche che si possano sentire: non lo sappiamo e, peggio, non ha nemmeno senso chiederlo. Finché non mettiamo un rivelatore alle fenditure, l’elettrone “passa da entrambe”, nel senso che la sua funzione d’onda — la sua onda di probabilità — attraversa tutte e due le aperture, e le due onde interferiscono tra loro.
Il colpo di scena della misura. Proviamo a barare: mettiamo un piccolo rivelatore accanto a ciascuna fenditura, che segnali il passaggio dell’elettrone. Ora sappiamo, per ogni elettrone, da dove è passato. Accade allora il fatto più sorprendente dell’esperimento: il pattern di interferenza scompare. Lo schermo si copre di una distribuzione piatta — due bande larghe sovrapposte — indistinguibile dal risultato che darebbero pallottole classiche.
Distribuzione degli impatti sullo schermo. A sinistra, senza sapere da quale fenditura passa l’elettrone: frange di interferenza. A destra, con un rivelatore alle fenditure: le frange svaniscono e resta la semplice somma di due gobbe.
Perché? Il semplice fatto di misurare da quale fenditura passa l’elettrone — anche con un rivelatore idealmente poco invasivo — fa “collassare” la funzione d’onda in una delle due alternative: l’elettrone ha attraversato una sola fenditura, e allora non c’è più alcuna seconda onda con cui interferire. La distruzione del pattern non dipende dalla violenza della misura: le frange spariscono non appena l’informazione su quale-fenditura diventa, anche solo in principio, accessibile.
Principio — Complementarità (Bohr, 1928)
Onda e particella sono due descrizioni complementari di uno stesso oggetto quantistico: non possono essere osservate contemporaneamente. Un esperimento che rivela il carattere ondulatorio (frange di interferenza) preclude la conoscenza della traiettoria corpuscolare (quale fenditura); un esperimento che determina la traiettoria distrugge il pattern ondulatorio.
Il "non esistere fino alla misura"
La doppia fenditura a singolo elettrone mostra in modo pulitissimo che, prima della misura, l’elettrone non ha una posizione definita. Non è che noi non la conosciamo: è che essa proprio non esiste come attributo dell’oggetto. Nello stato che produce le frange, l’elettrone non è passato da una fenditura o dall’altra — è passato da entrambe. Solo all’arrivo sullo schermo (o non appena c’è un rivelatore di fenditura) si “decide” dove, con probabilità governata dalla funzione d’onda. È un modo di pensare la realtà che non ha analogia nell’esperienza quotidiana, e sta al cuore della teoria della misura: il mondo microscopico non è “classico nascosto”, ma genuinamente diverso.
Versioni sempre più raffinate di questo esperimento sono state realizzate nel tempo: elettroni singoli (Tonomura, 1989), poi neutroni, atomi, e molecole grandi come il fullerene C (Zeilinger, 1999), fino a molecole di oltre 2000 atomi nel 2019. In nessun caso si è mai osservata una deviazione dalle previsioni quantistiche. Il mondo è davvero così.
Collegamenti
Argomenti: Fisica quantistica Concetti: Interferenza · Dualismo onda-particella · Lunghezza d’onda di de Broglie · Principio di indeterminazione
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