Esperimento della doppia fenditura: differenze tra le versioni

In origine la [[luce]] fu ritenuta da [[Isacco Newton|Newton]] di natura [[Particella (fisica)|corpuscolare]], motivando la realizzazione di esperimenti che cercassero la conferma di talequesta ipotesi. All'inizio dell'Ottocento appariva invece sempre più suggestiva l'idea che fosse composta da [[onda (fisica)|onde]], e per questa ragione nel [[1801]] [[Thomas Young|Young]] concepì un [[Esperimento di Young|esperimento]], basato su due sorgenti luminose e due fenditure, che ne metteva in evidenza in maniera inequivocabile la natura ondulatoria. I successivi sviluppi teorici, dovuti essenzialmente a [[James Clerk Maxwell|Maxwell]], con la formulazione delle [[equazioni di Maxwell|equazioni]] che descrivono la luce come [[Radiazione elettromagnetica|onda elettromagnetica]], sembravano aver definitivamente chiuso la questione.

Agli inizi del Novecento, dopo che [[Max Planck|Planck]] ebbe formulato il corretto comportamento di un [[corpo nero]], iniziarono però a comparire le prime contraddizioni, in quanto, in certe situazioni, come messo in evidenza nel [[1905]] da [[Einstein]] con l'ipotesi del [[fotone]] nell'[[effetto fotoelettrico]], la luce si comportava decisamente come se fosse composta da particelle. Gli esperimenti di [[Robert Millikan|Millikan]] del 1916 dimostrarono la correttezza dell'ipotesi fotonica, che fu poi definitivamente confermata dalla scoperta dell'[[scattering Compton|effetto Compton]] nel 1922. Questo creò nella fisica una situazione problematica in quanto la luce sembrava presentare una sorta di [[dualismo onda-particella|dualismo]], apparendo come onda o particella in esperimenti diversi. La difficoltà venne in qualche modo generalizzata da [[Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie|De Broglie]] nel 1924 con l'[[ipotesi di de Broglie|ipotesi]] che tutta la materia manifestasse tale dualismo, aprendo così le porte al superamento del problema con lo sviluppo della [[meccanica quantistica]].

La prova sperimentale di talequesto "strano" comportamento venne ottenuta nel 1927 da [[Clinton Davisson|Davisson]] e [[Lester Germer|Germer]]<ref name=davger>{{cita pubblicazione

L'esperimento viene condotto sullo schema classico di Young, nelin quale, tra una sorgente di luce e una lastra fotografica,cui si dispone una barriera opaca con due fenditure parallele di larghezza opportuna tra una sorgente di luce e una lastra fotografica.

Nell'esperimento della doppia fenditura si adottano però lastre rilevatrici moderne, molto più sensibili di quelle disponibili nell'Ottocento, e una sorgente estremamente debole di luce o elettroni, fino all'emissione di un unico fotone<ref>Il primo esperimento con emissione ripetuta di un unico fotone venne eseguito dal fisico inglese [[Geoffrey Ingram Taylor]] nel 1913</ref> o di un unico elettrone per volta. SiIn verificaquesto inmodo talsi modoverifica che, in entrambi i casi, la lastra non viene impressionata in maniera continua, ma si formano inizialmente singoli punti luminosi indicativi di un comportamento corpuscolare. I punti però non rispettano la distribuzione corpuscolare classica che li vorrebbe localizzati in corrispondenza delle fenditure, ma risultano dapprima diradati e dall'apparente distribuzione caotica, per poi, aumentando man mano di numero, evidenziare le frange di interferenza tipiche del comportamento ondulatorio (ultima figura in basso a destra). Analogo risultato si ottiene anche utilizzando particelle di maggiori dimensioni, come si vedrà nel paragrafo successivo. Ciò dimostra inequivocabilmente l'esistenza del [[dualismo onda-corpuscolo]], sia della materia chesia della [[radiazione elettromagnetica]]. In particolare si può notare come la posizione della particella sullo schermo risente della presenza delle due fenditure "come se" essa, comportandosi come un'onda e passando attraverso entrambe, venisse scissa in due nuove onde che interferiscono fra loro (vedi [[Esperimento di Young]]), mentre, nel momento in cui la particella viene "osservata" tramite la rilevazione sullo schermo, appare solamente come corpuscolo. La dimostrazione del fenomeno d'interferenza risulta quindi possibile solo attraverso l'osservazione di più particelle.

A ciò si collega un altro aspetto essenziale dell'esperimento delle due fenditure: la mancanza di conoscenza di quale fenditura la particella abbia effettivamente attraversato. L'osservazione della figura di interferenza è garantita infatti nel solo caso in cui non si aggiungano all'esperimento apparati di misura atti a determinarlo; senel si interviene in talqual modocaso, con un esperimento di tipo "''which-way''" (quale via), il risultato finale è la scomparsa della figura di interferenza, ossia del comportamento ondulatorio, a favore di quello corpuscolare. Questo effetto ha motivato [[Niels Bohr]] ad introdurre il [[principio di complementarità]], secondo il qualecui i due aspetti, corpuscolare e ondulatorio, non possono essere osservati contemporaneamente in quanto escludentisisi escludono a vicenda, ovvero il tipo di esperimento determina il successivo comportamento delle particelle in esso coinvolte.

Ha destato scalpore al riguardo il cosiddetto [[esperimento di Afshar]], in cui l'autore ha dichiarato di aver dimostrato una violazione del principio di complementarità<ref name="Afshar2005">

}}</ref>. Fu quindi ripetuto nel [[1974]] a [[Bologna]] da [[Pier Giorgio Merli]], [[Gianfranco Missiroli]] e [[Giulio Pozzi]], che però inviarono un elettrone alla volta sulla lastra fotografica.<ref name=pozzi>{{cita pubblicazione

}}</ref>. In questo caso, si utilizzò un cristallo di [[silicio]] per sfruttare la [[legge di Bragg|diffrazione di Bragg]] ed avere due fasci neutronici coerenti da inviare all'interferometro.

L'[[interferometria]] con la tecnica delle due fenditure per le particelle ha raggiunto oggi livelli di eccezionalità. Nel [[1999]], [[Anton Zeilinger]] e i suoi collaboratori all'[[università di Vienna]] riuscirono ad effettuare l'esperimento di Young utilizzando [[molecola|molecole]] di [[fullerene]]<ref name=zeilinger>{{cita pubblicazione

}}</ref>, composte da 60 atomi di [[carbonio]]. L'eccezionalità dell'esperimento è dovuta al fatto che mai si era osservato il dualismo onda-corpuscolo con particelle di queste dimensioni. Nel [[2003]], gli stessi autori hanno esteso l'esperimento di interferenza a molecole più pesanti, le [[Tetrafenilporfirina|tetrafenilporfirine]] o [[fluorofullereni]] con 60 atomi di carbonio e 48 di [[fluoro]], confermando ancora una volta l'evidenza del dualismo<ref name=zeilinger2>{{cita pubblicazione

Gli esperimenti sono proseguiti, sempre all'università di Vienna, sotto la direzione di [[Markus Arndt]]. La tecnica sperimentale sviluppata da questo autore fa uso di un [[interferometro di Talbot-Lau]] e costituisce una profonda innovazione nel campo dell'interferometria. Essa è stata in grado di dimostrare il [[dualismo onda-corpuscolo]] con oggetti molto vicini al mondo macroscopico. Nel 2012 al ''Vienna Center for Quantum Science and Technology'' talequesto gruppo di ricerca ha pubblicato uno studio che fa uso di [[ftalocianina]] e suoi derivati: queste molecole si sono rivelate le prime a esibire un comportamento quantistico alle rispettive scale di grandezza di 514 [[unità di massa atomica|AMU]] e 1298 [[unità di massa atomica|AMU]]<ref name="nnano.2012.34"/>. Un esperimento del tipo "a doppia fenditura" ha reso visibile in tempo reale il dualismo onda-particella, mostrando manifestazioni ondulatorie in un fascio [[Luce coerente|coerente]] di particelle<ref name="nnano.2012.34">AA.VV., [http://adsabs.harvard.edu/abs/2012NatNa...7..297J ''Real-time single-molecule imaging of quantum interference''], «''Nature Nanotechnology''», '''7''', 2012, pp. 297-300 {{DOI|10.1038/nnano.2012.34}}</ref>. L'emersione della [[figura d'interferenza]] ha richiesto, oltre alla produzione di un fascio di particelle dotato della necessaria [[Luce coerente|coerenza]], anche l'eliminazione degli effetti distruttivi dovuti all'interazione delle particelle con le [[forze di Van der Waals]]<ref name="nnano.2012.34"/>. Oltre alla valenza didattica e [[Divulgazione scientifica|divulgativa]] (il formarsi della figura di interferenza è visibile in un video pubblicato su [[YouTube]] dagli stessi autori della ricerca<ref>[http://www.youtube.com/watch?v=vCiOMQIRU7I ''Single molecules in a quantum interference movie''], da QuantumnanoVienna</ref>), l'esperimento riveste un certo interesse per la possibilità di indagare su molecole di grandezza simile o superiore e per la possibilità di esplorare i confini tra [[meccanica classica|comportamento classico]] e [[meccanica quantistica|comportamento quantistico]]<ref name="nnano.2012.34"/>.

La particolarità degli esperimenti di interferenza come quelli sin qui discussi ha motivato diverse interpretazioni dei risultati. Si tratta di risultati controintuitivi, in cui i concetti classici di [[onda (fisica)|onda]] e [[particella elementare|particella]] sembrano in qualche modo combinarsi per fornire qualcosa che sfugge al senso comune. La conseguenza di ciò è che si sono sviluppate [[Interpretazione della meccanica quantistica|interpretazioni della meccanica quantistica]] diverse dalla classica [[interpretazione di Copenaghen]], interpretazioni che cercano di darefornire un'interpretazioneuna spiegazione dei fenomeni osservati che si adatti anche agli schemi di comprensione più usuali. Da un punto di vista strettamente sperimentale non è possibile decidere quale sia l'interpretazione corretta, ma coesistono tutte, ognuna con i suoi pro e contro.