La dinamica dei fluidi può offrire approfondimenti nella meccanica quantistica?

Facendo vibrare un contenitore di olio siliconico si formano le cosiddette onde di Faraday sulla superficie del fluido. Esperimenti recenti in cui gocce di liquido riproducono il comportamento delle particelle subatomiche hanno richiesto che l'intensità della vibrazione rimanesse appena sotto il limite dell'onda di Faraday. Credit: John Bush

Esperimenti in cui gocce di fluido mimano lo strano comportamento delle particelle subatomiche richiamano una interpretazione abbandonata della meccanica quantistica.
Larry Hardesty, MIT News Office http://web.mit.edu/newsoffice/2010/quantum-mechanics-1020.html
20 Ottobre 2010

Nei primi decenni del 20° secolo, i fisici dibattevano animatamente per dare un senso allo strano fenomeno della meccanica quantistica, come la tendenza delle particelle atomiche a comportarsi sia come particelle che come onde. Una prima teoria, chiamata teoria onda-pilota, propose che le particelle in movimento nascessero lungo qualche tipo di onda quantistica, come tronchi sulla marea. Questa teoria infine lasciò la strada alla cosiddetta interpretazione di Copenhagen, che esclude l'onda portante e con essa la nozione intuitiva che una particella in movimento segua un definito percorso attraverso lo spazio. Recentemente, Yves Couder, fisico all'Université Paris Diderot, ha condotto una serie di esperimenti in cui delle gocce di fluido in scala millimetrica, rimbalzano su un bagno di liquido in vibrazione e sono guidate dalle onde che loro stesse producono. Per molti aspetti, le gocce si comportano come le particelle quantistiche e in un recente commento in Proceedings of the National Academy of Sciences, John Bush, un matematico al MIT che si è specializzato in dinamica dei fluidi, suggerisce che gli esperimenti come quelli di Couder facciano luce su alcune peculiarità della meccanica quantistica.

La dualità onda-particella è meglio illustrata da un esperimento canonico in meccanica quantistica che viene chiamato in genere l'esperimento delle due fessure o del doppio-foro. Come descritto dal fisico Richard Feynman nel '39, “Ogni altra situazione in meccanica quantistica, risulta, può sempre essere spiegato dicendo, “Ricordi il caso dell'esperimento con i due fori? E' la stessa cosa.” Supponiamo di avere un contenitore pieno d'acqua e in mezzo troviamo una barriera con due aperture. Ad un estremo del contenitore c'è una sbarra vibrante e all'altro estremo un sensore di pressione. La vibrazione della sbarra invia onde lungo la superfice dell'acqua e quando queste passano attraverso le aperture nella barriera, si formano due nuove onde nel lato opposto.
Lungo la via verso il sensore di pressione, queste onde corrono una sull'altra. Dove una cresta d'onda incontra l'altra cresta, si combinano per produrre una cresta più grande. Quando però una cresta incontra un avvallamento, questi si annullano. Il sensore di pressione quindi registra uno “schema di interferenza”, striscie di varia dimensione che rappresentano creste forti, con divari fra esse, dove le onde si sono annullate a vicenda. Quindi cosa avviene quando invii della luce ad un rilevatore, attraverso una barriera con due fori in essa? Ancora, ottieni uno schema di interferenza: la luce sembra comportarsi come un'onda. Però la luce arriva anche in particelle o fotoni, che possono essere sparati ad un rilevatore uno alla volta. Cosa avviene allora? Appena i primi fotoni colpiscono il rilevatore, lasciano una diffusione di punti apparentemente casuale, come i fori di pallottola lasciati su un obiettivo da un tiratore mediocre. Però nel tempo, i punti formano uno schema, lo stesso schema di interferenza prodotto da un raggio di luce. Com'è possibile, dato che i fotoni sono stati sparati uno alla volta?

Storie diverse

La teoria dell'onda-pilota propone che i fotoni corrano sulla schiena di un qualche tipo di onde misteriose, che interagiscono fra loro, indipendentemente dal numero di fotoni che passano attraverso i fori. Questa interazione è ciò che guida i fotoni ai rilevatori. Quando il fisico Australiano Erwin Schrödinger propose la sua famosa equazione d'onda, che rimane l'equazione fondamentale della fisica quantistica, stava in realtà descrivendo l'onda pilota. L'interpretazione di Copenhagen considera questa equazione come fosse la descrizione della probabilità che il fotone venga trovato in un dato punto. Inoltre, finchè il fotone non colpisce il rilevatore, si trova in una sorta di limbo metafisico, senza una definita locazione. Passando attraverso i fori, può quindi interferire con sè stesso, spiegando così lo schema di interferenza. Nel formulare la sua equazione d'onda, Schrödinger fu ispirato dalle teorie di Louis de Broglie, che diede origine alla teoria onda-pilota e il cui lavoro sulla dualità onda-particella gli valse il Premio Nobel in Fisica nel 1929. La teoria dell'onda-pilota venne ripresa negli anni '50 dal fisico David Bohm e ha ancora alcuni sostenitori, ma per gran parte ha perso attenzione.

Saliamo di scala

Nel sistema di Couder – che Bush pianifica di esplorare ulteriormente al MIT – un contenitore pieno di fluido viene messo su una superficie vibrante. L'intensità delle vibrazioni viene tenuta appena sotto il limite in cui causerebbe delle onde – le cosiddette onde di Faraday – sulla superficie del fluido. Quando una goccia dello stesso fluido viene messa sulla superficie, un cuscino d'aria tra la goccia e il fluido evita che essa affondi. La goccia così può rimbalzare sulla superficie. Il rimbalzo causa delle onde e queste onde, a loro volta, spingono la goccia lungo la superficie. Couder e i suoi co-autori chiamano “walkers” queste gocce in movimento. “Uno dei loro primi esperimenti riguardavano l'invio di walkers verso una fessura”, dice Bush. “Nel passare attraverso la fessura, sembravano deviate in modo casuale, ma se provi molte volte, emerge uno schema di diffrazione”. Ovvero, le goccie colpiscono la parete lontana del contenitore in schemi che riproducono quelli di interferenza delle onde. “Il loro sistema è una versione macroscopica dei classici esperimenti di diffrazione con singolo fotone”, dice Bush.

Le gocce di fluido mimano anche altri fenomeni quantistici, dice Bush. Uno di questi è il tunneling quantistico, l'abilità apparente delle particelle subatomiche di poter passare attraverso le barriere. Una goccia che cammina e si avvicina alla barriera, solitamente rimbalzerà da essa, come il disco dell'hockey contro un muro. Però occasionalmente, la goccia otterrà sufficente energia dall'onda per riuscire a saltare oltre la barriera. In un documento pubblicato nello stesso numero di PNAS, soggetto del commento di Bush, il gruppo di Couder riporta la sua più impressionante scoperta. Se il contenitore di fluido vibrante viene anche fatto ruotare, una goccia in movimento si bloccherà in un'orbita determinata dalla sua onda. La nozione che una particella subatomica possiede solo pochi orbitali permessi è chiamata “quantizzazione”, il fenomeno che da alla meccanica quantistica il suo nome. Nei primi del 1800, lo scienziato Inglese Thomas Young condusse esperimenti per convincere la comunità scientifica che la luce fosse un'onda. “Col sistema di Couder, ora possiamo esplorare aspetti della dualità onda-particella in un sistema fluido”, dice Bush. “Quanto sarebbe stato diverso lo sviluppo della meccanica quantistica se il sistema di Couder fosse stato conosciuto ai suoi padri fondatori?”

Fonte: http://web.mit.edu/newsoffice/2010/quantum-mechanics-1020.html
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Vedi: http://www.nature.com/news/2011/110602/full/news.2011.344.html

Reprinted with permission of MIT News http://web.mit.edu/newsoffice/

La dinamica dei fluidi può offrire approfondimenti nella meccanica quantistica? ultima modifica: 2010-12-30T23:51:50+00:00 da Richard
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