La luce

In questa sezione viene trattata la luce. Vengono presentati una serie di esperimenti fatti con animazioni riguardanti il comportamento duale della luce come onda elettromagnetica e come particella (fotone).

Onde o particelle?

La domanda cruciale che attende ancora risposta è:

la luce è davvero costituita da particelle elementari puntiformi, così come le

analisi di Max Planck, Albert Einstein e Arthur Holly Compton sembrano confermare?

La risposta non è semplice.

Si supponga vera l'ipotesi corpuscolare: la luce è composta da particelle. Si prenda ora in considerazione l'esperimento di interferenza da due fenditure e si considerino le seguenti tre situazioni:

A. La fenditura a destra è chiusa:

B. La fenditura a sinistra è chiusa:

C. Entrambe le fenditure sono aperte:

Quando entrambe le fenditure sono aperte, la figura che si ottiene dovrebbe essere la somma delle figure che si ottengono quando è aperta solo una fenditura alla volta, poiché come tutte le particelle ciascun fotone può passare attraverso una sola delle due fenditure.
Si pensi ad esempio a un po' di sabbia che cade da un contenitore con un foro sul fondo: essa forma una piccola piramide sul terreno. Se i fori sono due, si vengono a formare due piramidi, ovvero la somma delle due piramidi che si otterebbero se venisse aperto un foro alla volta. I due fori devono essere sufficientemente distanti fra loro per distinguere le due piramidi; allo stesso tempo non devono essere troppo distanti in modo che parte delle due piramidi si sovrappongano.

Eppure nel caso dei fotoni il risultato è differente.
Sotto opportune condizioni, la figura di interferenza con entrambe le fenditure aperte è diversa dalla somma delle due figure di diffrazione corrispondenti a ciascuna delle due fenditure singolarmente aperte. Inoltre, questo comportamento è caratteristico dei fenomeni ondulatori.

L'insegnamento della meccanica quantistica quindi è il seguente.
Se il modello ondulatorio non è in grado di spiegare tutte le proprietà della luce, nemmeno il modello corpuscolare da solo è sufficiente per comprendere il comportamento dei fotoni. In qualche modo entrambi i modelli sono necessari.
Il modo in cui fenomeni ondulatori e fenomeni corpuscolari risultano intrecciarsi fra loro e il modo in cui spiegare correttamente le proprietà quantistiche della luce è ancora oggetto di dibattito tra i fisici che si occupano dei fondamenti della meccanica quantistica.

Per completare il quadro dei fenomeni quantistici è utile ricordare che negli stessi anni in cui l'ipotesi ondulatoria della luce cominciava a vacillare, anche la teoria

corpuscolare della materia veniva messa in discussione. Nel 1924 Luis de Broglie ipotizzò che le particelle materiali esibissero aspetti ondulatori; gli esperimenti successivi confermarono la sua idea.

Questo significa che anche le particelle elementari di materia (elettroni, protoni, neutroni, ...) sono caratterizzate da un'ambiguità simile a quella dei fotoni: accanto ai tipici fenomeni corpuscolari che sono loro propri, le particelle di materia mostrano anche proprietà ondulatorie.
Tutti i sistemi microscopici non sono quindi né delle semplici particelle né delle semplici onde. Come già accennato, la discussione sulla loro vera natura è ancora aperta.