L’esperimento della doppia fenditura è una variante dell’esperimento di Young che permette di dimostrare la dualità onda-particella di luce e materia. Richard Feynman era solito ripetere che il cuore della meccanica quantistica può essere intuito riflettendo su questo esperimento.
Si dispone tra una sorgente coerente e una lastra fotografica che registri il passaggio della luce una barriera opaca nella quale sono tagliate due fenditure parallele richiudibili (di grandezza superiore alla lunghezza d’onda della luce per evitare effetti di diffrazione). Quindi, si procede col verificare cosa succede aprendo entrambe o soltanto una delle due fenditure. Aprendo soltanto una fenditura (ad esempio, quella di sinistra), sulla lastra fotografica si ottiene la proiezione della fenditura. Aprendo la fessura destra e tenendo chiusa quella di sinistra, si forma una figura speculare a quella precedente. La luce, in questo caso, risponde perfettamente alla teoria corpuscolare di Newton. Ora, provando a prevedere che figura risulterebbe dall’apertura contemporanea di entrambe le fenditure, secondo la teoria corpuscolare si verificherebbe la semplice sovrapposizione delle due figure precedenti. In realtà , quella che si genera è una figura di interferenza, ovvero in questo caso la luce si comporta come un’onda meccanica: sulla lastra fotografica avremmo in alcuni punti sovrapposizioni di picchi o ventri, in altri cancellazioni.
Diffrazione da una doppia fenditura
Yung , sul finire dell’Ottocento, realizzando quest’esperimento concluse con l’invalidità della teoria newtoniana della luce e affermando invece la teoria ondulatoria. Qualche anno dopo, Maxwell ne pose le basi matematiche.
Se però si usano le lastre fotografiche moderne (molto più sensibili di quelle disponibili nell’ottocento) e si ripete l’esperimento con una sorgente estremamente debole si nota che la luce non impressiona la lastra in maniera continua (come previsto dalla teoria ondulatoria) ma che si formano dei puntini piuttosto intensi, inizialmente diradati e dall’apparenza caotica. Man mano che il numero di puntini aumenta questi vanno a formare le frange di interferenza tipiche del comportamento ondulatorio.
Analogo risultato si ottiene se invece di utilizzare una sorgente di luce (e quindi dei fotoni) si utilizzano elettroni, come nella figura che segue.
A: 1 elettrone, B: 3 elettroni, C: 5 elettroni, D: 7 elettroni, E: 13 elettroni, F: migliaia
50.000 elettroni
INTERPRETAZIONE
Questo esperimento mostra come la luce possa comportarsi allo stesso tempo sia come un’onda (infatti le frange di interferenza non sono spiegabili da un comportamento corpuscolare e derivano dal fatto che la luce passi da entrambe le fenditure contemporaneamente) che come una particella (difatti la luce arriva sulla lastra fotografica sotto forma di corpuscoli).
Questa dualità non è spiegabile tramite la fisica classica ma viene descritta dalla meccanica quantistica ed in particolare dall’elettrodinamica quantistica.
Ma com’è possibile che un singolo elettrone si comporti come un’onda e faccia interferenza con se stesso?! E da quale dei due fori passa il singolo elettrone? Per poter produrre l’interferenza, esso deve essere un’onda e passare contemporaneamente dai due fori, il che secondo noi non è possibile per una particella singola. In questo ragionamento chiaramente applichiamo all’elettrone il concetto di “particella classica”, ma esso non è più valido in meccanica quantistica.
In realtà , finché l’elettrone non viene rivelato sul bersaglio, esso non si trova mai in un punto preciso dello spazio, ma esiste in uno stato potenziale astratto descritto da una funzione d’onda, che si propaga appunto come un’onda e non secondo una traiettoria definita.
De Broglie e Schrödinger tentarono di descrivere tutto il mondo quantistico in termini di onde, abolendo il concetto di particella. Bohr ed altri fisici però obiettarono che all’atto della rivelazione l’elettrone si comporta come una particella e non un’onda (la funzione d’onda collassa in un punto) e fecero notare altri aspetti tecnici che rendono vana la spiegazione puramente ondulatoria.
A questo punto possiamo immaginare di “smascherare il trucco” andando a vedere che cosa fa realmente l’elettrone nell’attimo in cui attraversa la maschera. Nella nostra convinzione infatti l’elettrone deve oggettivamente passare da uno dei due fori e non dall’altro (questo è il cosiddetto “realismo” di Einstein), e noi vogliamo “coglierlo” in quell’attimo per scoprire il suo segreto: sarebbe come osservare attentamente un prestigiatore e riuscire a scoprire l’attimo in cui effettua il suo trucco.
Ma per cogliere l’elettrone sul fatto, dobbiamo rivelarlo. Per far ciò, possiamo inviare sull’elettrone una debole luce e verificare se viene riflessa da esso. Quindi poniamo una debole sorgente luminosa dietro uno dei due fori, e vediamo se riusciamo a cogliere l’elettrone. Questo è sperimentalmente possibile, ma così facendo la figura di interferenza scompare! Infatti: o l’elettrone passa dal nostro foro, quindi viene individuato dal nostro rivelatore, e in quell’attimo diventa “particella reale”; oppure passa dall’altro foro, ma quando passa da un foro solo – sia esso onda o particella – non può produrre interferenza!
La meccanica quantistica non ci permette di avere contemporaneamente la figura di interferenza e la conoscenza del singolo foro da cui l’elettrone è passato. O l’uno o l’altro: o l’elettrone viene rivelato come particella oggettiva, e quindi non produce interferenza, o è un’onda estesa, ed in tal caso non passa da un solo foro, bensì da tutte e due (ma anche quest’ultima affermazione ha delle limitazioni e dovremmo dire: “è come se fosse passata da tutte e due“).
