3/03/15

Fotografata la doppia natura della luce ****

Per riuscire in qualcosa che sembrava ancora impossibile è stato usato un nanowire (nanofilo, in italiano). Il nanofilo può essere considerato una struttura quasi unidimensionale di sezione cilindrica (come un filo della luce), ma con dimensione dell’ordine del nanometro (10-9 metri). A queste scale gli effetti quantistici diventano dominanti e mostrano tutte le loro caratteristiche che verrebbero nascoste lavorando con strutture macroscopiche.   Potremmo chiamarli più semplicemente fili quantici.

La MQ ci ha dimostrato che la luce può comportarsi simultaneamente come onda e come particella. Tuttavia, mai si era riusciti a cogliere questa doppia natura nello stesso istante. Einstein lo aveva dimostrato con l’effetto fotoelettrico, ma le doppia natura della luce appariva in “tempi” diversi. Quando la radiazione ultravioletta (onda) colpisce un metallo essa causa un’emissione di elettroni, dichiarando inconfutabilmente che il fotone deve comportarsi come una particella, anche se sottoforma di pacchetto di energia (massa e energia sono la stessa cosa). Esperimenti successivi hanno individuato sempre meglio la luce sotto le sue due forme, ma mai contemporaneamente. Il nuovo approccio è drasticamente ribaltato: bisogna usare gli elettroni per identificare la luce e non il viceversa.

Cerco di semplificare e sintetizzare l’esperimento, anche se per comprenderlo appieno bisognerebbe entrare ben più a fondo dei risvolti tecnologi…

Un impulso luminoso laser è inviato su un nanofilo. Il laser aggiunge energia alle particelle mettendole in vibrazione. La luce è libera di scorrere in entrambe le direzioni del filo. Quando quella che torna indietro si scontra con quella che va avanti si ottiene un’interferenza che costruisce un’onda stabile, ossia apparentemente ferma in una certa posizione. Questa onda ultraveloce statica diventa la sorgente luminosa dell’esperimento, attraverso la radiazione che emette. A questo punto si sparano un fascio di elettroni estremamente vicini al nanofilo e proprio loro servono a formare l’immagine. Essi interagiscono con la luce del filo accelerando o decelerando a seconda dell’energia in gioco. Un microscopio ultraveloce riprende questa variazione di velocità descrivendo perfettamente l’onda statica. Tuttavia, tutto ciò capita nello stesso momento in cui gli elettroni colpiscono i fotoni, causando proprio le variazioni di velocità che sono servite a illustrare l’onda. Gli urti, però, e le velocità finali, descrivono immediatamente anche i pacchetti di energia (quanti) che vengono scambiati tra elettroni e fotoni. La loro “visualizzazione” regala l’immagine particellare della luce che è la stessa che è vista al microscopio come onda.

Una fotografia nel sistema energia-spazio della luce confinata all’interno di un nanofilo, mostra simultaneamente l’interferenza spaziale (onda) e la quantizzazione dell’energia (particella). Fonte: Fabrizio Carbone/EPFL
Una fotografia, nel sistema energia-spazio della luce confinata all’interno di un nanofilo, mostra simultaneamente l’interferenza spaziale (onda) e la quantizzazione dell’energia (particella). Fonte: Fabrizio Carbone/EPFL

Questo esperimento ha un interesse davvero fondamentale dato che possiamo concludere che, per la prima volta, è stata ripresa in diretta la meccanica quantistica e la sua struttura paradossale.

Allego il link del articolo originario (per chi vuole provare ad andare tecnicamente più a fondo) e un filmato veramente esplicativo, molto meglio di tutte le mie parole…

16 commenti

  1. Alberto

    se non ci fosse questo blog non potrei mai decodificare certi articoli.
    Per capirli poi...
    Grazie e auguri!

  2. Alberto

    (certi articoli scientifici)

  3. Gaetano

    Enzo, questa notizia aveva colpito molto anche me. Con, in aggiunta, una prima considerazione... Cambia qualcosa in meccanica quantistica in merito alla valutazione dell'intervento umano negli esperimenti, se consideriamo la doppia natura contemporanea invece che alternativa? Cioè l'esperimento, per esempio, della doppia fenditura si può spiegare in un modo ...comprensibile?

  4. caro Gaetano,
    da un punto di vista concettuale cambia relativamente poco. La teoria della MQ ammette che la luce sia contemporaneamente particella e onda (si può facilmente assimilare a pacchetti d'onda), ossia ha due stati. L'esperimento è riuscito a evidenziare questo doppio stato senza bisogno di farlo collassare in uno solo. Una misurazione contemporanea e non tale da risultare alternativa. La doppia fenditura dice la stessa cosa e mostra il doppio stato a seconda di come si effettua la misurazione. La vera novità dell'esperimento è nell'essere riusciti a non fare collassarne uno dei due per visualizzare l'altro vestito . L'intervento umano riesce a evidenziarne uno alla volta, anche se, nella QED, Feynman riesce a spiegare una possibile ragione dell'apparente alternativa: cambia proprio il fenomeno in sé...
    La doppia natura, ossia il doppio stato e le sue conseguenze, restano, comunque, logicamente assurdi!

  5. Paolo

    Caro Enzo, davvero molto, molto interessante.

    C'è una cosa, però, che non so se ho capito davvero.

    Nell'articolo si afferma che la ricostruzione del comportamento degli elettroni che interagiscono con i fotoni precedentemente sparati dal laser nel nanoscopico filamento, consente di “ricostruire” l'immagine dell'onda, anzi una ricostruzione particellare di un'onda.

    Se non ho capito male tale ricostruzione basata sull'interazione tra elettroni e quanti di energia trasportati dai fotoni, dimostra sia che si ha a che fare con particelle (la cui differente energia determina una variazione di velocità degli elettroni che assorbono tale energia in più, o che la riemettono decelerando), sia con un onda (quella statica creatasi dopo l'irradiazione del filamento con il laser), mostrata dalle immagini del particolare e veloce microscopio.

    Quindi questo esperimento consentirebbe di rilevare contemporaneamente il duplice comportamento della luce, particelle/onda, senza che un'onda probabilistica annulli automaticamente l'altra (o onda o particella, o interferenza o fotoni che si comportamento come proiettili).

    Una tale situazione, però, se da una parte conferma quanto sostenuto dalla MQ, dall'altra introduce la possibilità che due diverse onde di probabilità (due stati diversi della luce) possano coesistere senza annullarsi (un bel rompicapo, insomma, anche per la MQ).

    In ultimo, recentemente alcuni ricercatori di Harvad sostengono di aver realizzato una nuova “lente” definita piatta (in realtà è una pellicola infinitamente sottile, con presenza di nanoparticelle metalliche)), capace di far convergere la luce di differenti lunghezze d'onda nel medesimo punto di fuoco..... a loro dire sfruttando sia proprietà note della luce, sia il suo quantico comportamento.

    Paolo

  6. Paolo,
    io direi che coesistono un'onda e una sua manifestazione corpuscolare data dai pacchetti d'energia rivelati in base alla velocità degli elettroni che hanno interagito con l'onda. In qualche modo direi che si rivelano entrambi gli stati...

  7. Alvermag

    Dear friends, quiet and chalk!
    Vediamo di capirci qualcosa.

    Il nanofilo è colpito da radiazione laser che eccita le particelle (elettroni?) componenti il nano filo stesso ponendole in vibrazione.
    La radiazione incidente nel frattempo dà origine ad un’onda d’interferenza “ferma” nel filo: in ciascun punto del filo si avrà (se ho ben capito) un determinato valore di energia che si mantiene, mercè il continuo moto dei fotoni.

    Ora, quest’onda elettromagnetica ultraveloce emette radiazione. Qui avrei da chiedere la ragione per cui l’onda elettromagnetica emette … radiazione elettromagnetica! Si tratta forse di fotoni transfughi che abbandonano il nanofilo? Direi di no altrimenti gli elettroni utilizzati nell’esperimento darebbero luogo ad una “figura” piuttosto caotica. Dunque? I fotoni si muovono nell’intorno del nanofilo estendendo all’esterno di esso l’onda “ferma”?

    Successivamente si sparano elettroni contro la radiazione (… che contorna il nanofilo?) valutandone la variazione di moto in funzione dell’energia elettromagnetica ricevuta: più energia si trasferisce all’elettrone più questo accelera e viceversa.
    Tutti gli elettroni compongono l’immagine dell’onda “ferma”.

    Ho l’impressione che il passaggio di “stato” della radiazione, da onda a particella, somigli a quanto accaduto al maresciallo De La Palisse il quale, notoriamente, prima di morire era ancora in vita!

    Voglio dire che quest’idea della simultaneità – che già ci fa impazzire in relatività – la trovo molto sfuggente. E se la figura fissata dagli elettroni seguisse di un ultra-nanosecondo quella originaria (microscopio ultraveloce? Rispetto a cosa, alla velocità della luce? mmh)?
    Insomma, mi pare si sconfini nel filosofico. Oltretutto come si fa a tenere sotto controllo simultaneamente due fenomeni diversi? Chi ci assicura la simultaneità delle osservazioni?

    Devo ammettere che l’idea della simultaneità della doppia natura della luce mi manda al manicomio. Siamo sicuri che sia proprio necessaria? 8-O

  8. caro Alvy, per capire esattamente come viene svolto l'esperimento bisognerebbe entrare nei dettagli tecnologici che sono ben lontani dalle mie capacità... Ciò che trovo fondamentale è la possibilità di creare un'immagine contemporanea sia di un'onda che di un sistema di particelle. Non un effetto causale tipo l'effetto fotoelettrico, ma un effetto statico. Come se vedessimo onda e pacchetto di energia nel momento dell'emissione dell'elettrone. O... qualcosa del genere...

  9. Alvermag

    Caro Enzo,
    sicuramente non ti dispiacerai se, compenetrandomi nel ruolo che mi hai ritagliato nel blog, continuo a propormi nella veste che più mi è congeniale, quella del rompiscatole! :evil:

    E allora, da perfetto scrotoclasta mi sembra che ci si muova su due piani distinti.

    Il primo afferma che stiamo osservando contemporaneamente un'onda elettromagnetica ed un insieme di elettroni che acquistano una certa configurazione energetica causata dall'interazione corpuscolare con quella stessa onda elettromagnetica. Fin qui nulla da obiettare.

    Il secondo punto è quello su cui mi sofferma il mio interesse, perchè il mio modo d'intendere la contemporaneità prevede che l'effetto sia simultaneo alla causa. Non mi sembra che l'esperimento risolva questo punto. Il generico elettrone viene "disturbato" da un fotone originante dall'onda. Se dall'onda "sparisce" un fotone si avrà la riduzione del pacchetto d'onda. Visto che l'onda è mantenuta costante dal continuo flusso di radiazione laser noi osserviamo l'effetto ma non possiamo vedere cosa accade effettivamente all'onda e quando.

    Sarebbe diverso se - non so con quale tecnologia e neanche so se fisicamente possibile - si osservasse contemporaneamente la presenza dell'onda e del disturbo all'elettrone ma evitando di supportare continuamente l'onda: insomma un sistema chiuso ed isolato onda ed elettrone.
    C'è poi sempre la questione dell'interazione oggetto-osservatore!
    Tra l'altro una eventualità del genere non porrebbe a rischio la conservazione dell'energia? L'onda è sempre lì e l'elettrone ha subito un'accelerazione!

    Non so, ma sospetto che la natura ne abbia inventata un'altra per non consentirci di sondare quest'altro mistero.

    Ti chiedo Enzo solo un tuo personale giudizio sulle mie idee e qualche bacchettata per eventuali considerazioni fuori posto. :roll:

    Come hai giustamente scritto una volta, per entrare in queste faccende bisognerebbe avere un cervello quantistico, mentre io ho solo una mente bacata! :oops:

  10. caro Alvy,
    non penso che coloro che hanno fatto l'esperimento siano degli sprovveduti... Se dicono di avere ottenuto lo scopo, un motivo ci deve essere. Che ne dici di leggerti a fondo l'articolo originale? Magari riesci a dare informazioni tecniche aggiuntive. Io ho solo riportato il succo generale che deriva dal semplice filmato che è stato prodotto... Se la presenza di un'onda luminosa comporta l'immediata riproduzione di pacchetti d'energia quantizzati, mi sembra che la doppia natura sia stabilita... (si parla anche di "immagine").
    Buon divertimento! :wink:

  11. Alvermag

    No Enzo, non credo affatto che siano sprovveduti, sarebbe la fine del mondo.

    I miei sono solo i dubbi di un dilettante allo sbaraglio.

    Seguirò il tuo consiglio anche perchè la questione è assai stuzzicante.

    Grazie

  12. Dai Alvy... illuminaci d'immenso! Dopo Gio e Peppe perché non inseriamo anche Alvy (dall'altra parte del palcoscenico...)? :wink: Sempre tenendolo a bada, ovviamente....

  13. Alvermag

    ... ovviamente ...

  14. Mario Fiori

    Grande notizia Enzo, vediamone gli sviluppi e naturalmente nuove ripetizioni dell'esperimento. L'osservazione a questo punto non avrebbe influito. Grandi.

  15. Gaetano

    Enzo, siamo sicuri che non cambi niente. Anche Mario Fiori dice: "L'osservazione a questo punto non avrebbe influito". N.B. senza punto interrogativo.

  16. stiamo attenti...
    l'osservazione influisce quando cambia lo stato. In questo caso sembra un'osservazione che non lede il principio di Heisenberg. Non si cerca di determinare posizione o velocità, ma tutto il sistema... Penso che il succo sia nel non cercare di determinare qualcosa. Il vero problema del collasso non è tanto l'osservazione, ma la determinazione di una certa caratteristica... Tutto torna a bomba, al solito insostituibile Heisenberg...

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