La particella interagisce con il suo Campo Ondulatorio!

Il famoso esperimento della doppia fenditura, eseguito inizialmente da Thomas Young nel 1801, dirige una luce coerente verso uno schermo con 2 fenditure. Young scoprì che avvicinando ad una certa distanza le fenditure, la luce che le attraversava, interagiva e produceva delle bande distinte di luce e ombra, che chiamò frange di interferenza ed è fenomeno tipico del comportamento ondulatorio.

La natura di onda e particella della luce venne confermata solidamente nei primi anni del 900 da de Broglie ed Einstein, natura che Bohr interpretò nel suo principio di complementarietà, affermando che ad ogni istante la luce deve comportarsi come onda o particella, ma mai in entrambi i modi, suggerì che lo stato osservato è molto probabilmente determinato dal dispositivo di misura usato. Questa idea, assieme al principio di incertezza di Heisenberg e all’esperimento mentale di Schrodinger, ha portato al corrente consenso sulla teoria quantistica, per cui ogni atto di osservazione influenza la realtà osservata.

In meccanica quantistica ogni particella è rappresentata da una “onda di probabilità”, distribuzioni pesate di probabili possibilità.

L’Interpretazione di Copenhagen lo spiega dicendo che tutte le particelle si trovano in tutti gli stati possibili, una sovrapposizione di stati, fino al momento dell’osservazione (misura), quando la funzione d’onda è detta collassare in uno stato definito. Come questa particella solidifichi nello stato “osservato” è domanda che non ha ancora risposta.

E’ importante ricordare che questa idea della probabilità appoggia sulla matematica. Il fatto che le equazioni standard della meccanica quantistica siano definite in termini di onde di probabilità non implica che la natura sia intrinsecamente probabilistica. Invece è la nostra incapacità di verificare cosa stia facendo la natura, che risulta in una soluzione probabilistica. Per esempio, basandoci su ciò che sappiamo in “questo” momento, possiamo dedurre un attributo o misura di un sistema, dove il quanto sappiamo del sistema limita il grado di precisione della nostra deduzione.

Quindi per un semplice sistema potremmo predirre un valore esatto, che combacia esattamente con la misura. Maggiore è la complessità del sistema e più ampia è la predizione, non possiamo predirre un valore esatto, ma solo una gamma di valori, una probabilità.

L’esperimento della doppia fenditura è stato ripetuto molte volte, sparando elettroni uno per uno verso uno schermo con 2 fenditure.

Come atteso emergono le frange di interferenza, implicando che gli elettroni siano passati attraverso entrambe le feritoie simultaneamente, comportandosi come onde. Tuttavia usando un rilevatore di percorso (“which path” detector o WP) davanti alle fenditure, come dimostrato da Buks (1997), la natura ondulatoria scompare e la stranezza quantistica dell’Interpretazione di Copenhagen sarebbe confermata.

Questa idea della sovrapposizione di stati nel mondo quantistico sembra però slegata da quanto vediamo nel mondo solitamente. Per esempio pensiamo ad una classe scolastica di ragazze. La porta è chiusa e non sappiamo nulla di loro, ma solo che hanno 15-16 anni. Se volete determinare l’altezza di Sheila, se non entrate per misurarla o la leggete dai suoi documenti, allora potete solo fare un calcolo delle probabilità! Potete quindi determinarla trattandola come onda di probabilità secondo una distribuzione Gaussiana (curva di Bell). Questo non significa che lei ha tutte le possibili altezze e ne fissiamo una precisa solo entrando e misurandola.

Allora perchè il mondo quantistico dovrebbe essere diverso?

Un approccio più intuitivo e classico per capire l’esperimento di Young, venne spiegato da de Broglie, che nel 1927 suggerì che l’elettrone passasse attraverso una sola fenditura, ma venisse influenzato da una onda pilota. L’onda pilota quindi attraversa entrambe le feritoie generando le frange di interferenza e la particella è attratta dalle interferenze costruttive e non da quelle distruttive. L’elettrone quindi si trova solo nelle interferenze costruttive.

La teoria dell’onda pilota quindi riesce a fare le stesse predizioni dell’Interpretazione di Copenhagen, senza usare la stranezza quantistica. Diversamente dall’Interpretazione di Copenhagen, la teoria di de Broglie suggerisce che le particelle hanno una traiettoria definita, ma che noi non sappiamo come dedurne il percorso esatto.

Questo introduce le variabili nascoste nell’equazione dell’onda, che per Von Neumann era impossibile. Le sue affermazioni vennero poi falsificate da John Stewart Bell e nel 1952 Bohm ristabilì la teoria dell’onda pilota che divenne famosa come teoria de Broglie-Bohm o meccanica Bohomiana.

onda pilotaEsperimenti recenti eseguiti da Couder e colleghi (2005) mostrano gli effetti affascinanti delle onde pilota e delle caratteristiche quantistiche che ne emergono. Il gruppo ha mostrato che una goccia di olio rimbalza indefinitamente sulla superficie di un fluido vibrante (Walker 1978) e anche che il fluido di silicone vibrante ad una specifica frequenza, guida il rimbalzo della goccia e crea ondulazioni.

Si osserva quindi che aumentando l’ampiezza della vibrazione, la goccia entra in risonanza con il suo campo ondulatorio di Faraday e viene sospinta lungo la superficie. Quando la goccia o “walker”, interagisce con queste onde, l’interazione particella-onda fa da guida e si forma l’onda-pilota.

I risultati di questo esperimento sono in accordo con le predizioni di de Broglie e forniscono una spiegazione alternativa alla stranezza quantistica:

Esperimento della doppia fenditura
– La goccia passa in una o l’altra fenditura, ma la sua onda pilota passa in entrambe e crea le frange di interferenza, manifestando la dualitù onda-particella.
– L’onda pilota guida sempre la particella in punto di interferenza costruttiva, come predetto dalle equazioni della meccanica quantistica, che ci permettono di calcolare la sua onda di probabilità.
– Ogni disturbo dell’onda pilota distrugge l’interferenza, come la presenza di un rilevatore WP induce lo sfasamento, in modo che non si osserva lo schema di interferenza quando si accerta la traiettoria della particella.
Tunnel Quantistico
Eddi et al. (2009) hanno indagato il moto della “walker” quando collide con barriere di vario spessore e hanno scoperto che passa in una forma di tunneling, dove la probabilità di attraversamento decresce esponenzialmente con l’aumento dello spessore.
– La frequenza del fluido vibrante è dipendente dalla profondità, in modo che una accelerazione imposta può formare una walker nell’estremità profonda, ma non in quella poco profonda. Questa dipendenza dalla profondità crea una barriera tra le estremità, quindi se una walker dall’estremità più profonda raggiunge il bordo della regione meno profonda, viene riflessa. Questa repulsione viene dall’interazione della goccia con le onde riflesse dal confine. Quando arriva vicino al confine, si osserva un’onda esponenzialmente smorzata.
– La probabilità di fuga dalla barriera decrementa con l’incremento della velocità e il decremento dello spessore della barriera stessa. L’interazione non-locale con le onde riflesse porta a traiettorie divergenti. Quando le traiettorie divengono disordinate, le collisioni con le pareti mostrano una varietà ampia di angolazioni, dove quelle con quasi normale incidenza possono portare alla fuga. La trasmissione parziale delle sue onde attraverso barriere sottili, risulta in un superamento probabilistico dell’intera struttura!
– Quindi praticamente l’onda associata alla goccia camminatrice è trasmessa attraverso barriere sottili e questo può trasmettere la goccia assieme all’onda, a seconda della traiettoria. L’onda trasmessa è di ampiezza inferiore, si riduce esponenzialmente come predice la teoria quantistica.

Creazione e Annientamento Spontaneo
Le bolle sotto superficie si formano nel bagno di silicone e si annientano in contatto con la particella/goccia. Questo effetto ricorda la distruzione tra materia e anti-materia.

Occupazione di Livelli Energetici Discreti
– Confinate in cavità circolari o recinti (“corrals”), le “walker” esplorano la cavità spinte dall’onda pilota lungo un percorso caotico a velocità variabile. Ogni rimbalzo lascia uno stampo o “memoria di percorso” in forma di increspature, che poi influenzano il percorso futuro della goccia nella cavità. Infine emerge una struttura di anelli concentrici e questa corrisponde alla modalità ondulatoria di Faraday della cavità ed equivale alla distribuzione di probabilità predetta dalla meccanica quantistica.

– Se un magnete viene posizionato al centro della cavità, la goccia va ad occupare orbite discrete attorno al magnete, ognuna con livello energetico e momento angolare caratteristico. Questo assomiglia ad un elettrone che occupa livelli discreti attorno ad un nucleo.

Se questi effetti vengono osservati nella dinamica di un fluido ed una goccia fatta dello stesso fluido, allora non è irragionevole assumere che sarebbe lo stesso possa valere per il vuoto ed una particella fatta dello stesso vuoto. In ogni caso, queste scoperte sono molto significative, ma possiamo aspettare molto prima che la meccanica quantistica accetti tale cambio di prospettiva, almeno abbiamo altro modo per comprendere i risultati sperimentali.

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La particella interagisce con il suo Campo Ondulatorio! ultima modifica: 2017-05-04T18:07:44+00:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l’incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all’autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)