Dualità delle particelle d'onda e come funziona

Il principio di dualità onda-particella di fisica quantistica sostiene che la materia e la luce esibiscono i comportamenti di onde e particelle, a seconda delle circostanze dell'esperimento. È un argomento complesso ma tra i più intriganti in fisica.

Nel 1600, Christiaan Huygens e Isaac Newton proposto teorie contrastanti per il comportamento della luce. Huygens propose una teoria ondulatoria della luce mentre quella di Newton era una teoria della luce "corpuscolare" (particella). La teoria di Huygens presentava alcuni problemi nella corrispondenza dell'osservazione e il prestigio di Newton contribuì a dare supporto alla sua teoria, quindi, per oltre un secolo, la teoria di Newton fu dominante.

All'inizio del diciannovesimo secolo, sorsero complicazioni per la teoria corpuscolare della luce. Diffrazione era stato osservato, per prima cosa, che aveva difficoltà a spiegare adeguatamente. Esperimento di doppia fenditura di Thomas Young risultò in un evidente comportamento ondoso e sembrò supportare fermamente la teoria ondulatoria della luce sulla teoria delle particelle di Newton.

Un'onda generalmente deve propagarsi attraverso un mezzo di qualche tipo. Il mezzo proposto da Huygens era stato etere luminifero (o nella più comune terminologia moderna, etere). quando James Clerk Maxwell quantificato un insieme di equazioni (chiamato Le leggi di Maxwell o Le equazioni di Maxwell) spiegare radiazioni elettromagnetiche (Compreso luce visibile) come propagazione delle onde, assunse un tale etere come mezzo di propagazione e le sue previsioni erano coerenti con i risultati sperimentali.

Il problema con la teoria delle onde era che nessun tale etere era mai stato trovato. Non solo, ma le osservazioni astronomiche sull'aberrazione stellare di James Bradley nel 1720 avevano indicato che l'etere avrebbe dovuto essere stazionario rispetto a una Terra in movimento. Nel corso del 1800, furono fatti tentativi di rilevare direttamente l'etere o il suo movimento, culminando nel famoso Esperimento di Michelson-Morley. Tutti non sono riusciti a rilevare effettivamente l'etere, provocando un enorme dibattito all'inizio del ventesimo secolo. La luce era un'onda o una particella?

Nel 1905, Albert Einstein pubblicato il suo articolo per spiegare il effetto fotoelettrico, che ha proposto che la luce viaggiasse come fasci di energia discreti. L'energia contenuta in un fotone era correlata alla frequenza della luce. Questa teoria divenne nota come teoria dei fotoni di luce (anche se la parola fotone non fu coniata fino a anni dopo).

Con i fotoni, l'etere non era più essenziale come mezzo di propagazione, sebbene lasciasse ancora lo strano paradosso del perché si osservasse il comportamento delle onde. Ancora più peculiari erano le variazioni quantistiche dell'esperimento a doppia fenditura e il Effetto Compton che sembrava confermare l'interpretazione delle particelle.

Man mano che venivano condotti esperimenti e si accumulavano prove, le implicazioni divennero rapidamente chiare e allarmanti:

La luce funziona sia come una particella che come un'onda, a seconda di come viene condotto l'esperimento e quando vengono fatte le osservazioni.

La questione se tale dualità si manifestasse anche nella materia è stata affrontata dagli audaci ipotesi di de Broglie, che ha esteso il lavoro di Einstein per collegare la lunghezza d'onda osservata della materia al suo slancio. Gli esperimenti confermarono l'ipotesi nel 1927, ottenendo un premio Nobel per il 1929 de Broglie.

Proprio come la luce, sembrava che la materia esibisse proprietà delle onde e delle particelle nelle giuste circostanze. Ovviamente, oggetti voluminosi presentano lunghezze d'onda molto piccole, così piccole che è piuttosto inutile pensarle in modo ondoso. Ma per piccoli oggetti, la lunghezza d'onda può essere osservabile e significativa, come attesta l'esperimento a doppia fenditura con elettroni.

Il significato principale della dualità onda-particella è che tutto il comportamento di luce e materia può essere spiegato attraverso l'uso di un'equazione differenziale che rappresenta una funzione d'onda, generalmente nella forma del Equazione di Schrodinger. Questa capacità di descrivere la realtà sotto forma di onde è al centro della meccanica quantistica.

L'interpretazione più comune è che la funzione d'onda rappresenta la probabilità di trovare una determinata particella in un determinato punto. Queste equazioni di probabilità possono diffrarre, interferire ed esibire altre proprietà ondulatorie, risultando in una funzione d'onda probabilistica finale che esibisce anche queste proprietà. Le particelle finiscono per essere distribuite secondo le leggi di probabilità e quindi presentano il proprietà d'onda. In altre parole, la probabilità che una particella si trovi in ​​qualsiasi posizione è un'onda, ma non lo è l'aspetto fisico effettivo di quella particella.

Mentre la matematica, sebbene complicata, fa previsioni accurate, il significato fisico di queste equazioni è molto più difficile da comprendere. Il tentativo di spiegare ciò che la dualità onda-particella "in realtà significa" è un punto chiave di dibattito nella fisica quantistica. Esistono molte interpretazioni per cercare di spiegare questo, ma sono tutte legate dallo stesso insieme di equazioni d'onda... e, in definitiva, deve spiegare le stesse osservazioni sperimentali.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.