21/02/17

I Papalli alla prese con l'esperimento della doppia fenditura -parte 2

La scorsa volta i Papalli avevano usato il giocoso esperimento della doppia fenditura per distinguere il comportamento dei corpuscoli da quello delle onde.

I corpuscolari dardi di PapalSempliciotto si erano distribuiti sullo schermo in due aree corrispondenti alla direzione delle due fenditure, mentre le onde dopo aver interagito tra loro, si erano infrante sullo schermo alternando onde più alte ad assenza di onde (qui).

Flash fotone, però, nonostante l’esperimento di Young sulla presunta natura ondulatoria della luce, continua a sostenere che lui sa comportarsi anche come un microscopico corpuscolo, ossia una particella.

Richard il quantico, per dirimere la questione, propone a Flash fotone di partecipare all’esperimento della doppia fenditura.

Questa volta, però, per prestare estrema attenzione a ciò che accade, invece di proiettare un fascio di luce (composto da moltissimi Flash fotoni) come aveva fatto Young, dalla solita posizione iniziale parte un Flash fotone alla volta.

Lo schermo, invece, è composto da una serie di rilevatori di fotoni, per cui quando un Flash fotone raggiunge lo schermo ed urta qualche atomo del rilevatore viene segnalata la sua presenza e la corrispondente posizione raggiunta sullo schermo.

Uno alla volta, uno dopo l’altro, partono migliaia di Flash fotoni uguali, caratterizzati dalla stessa energia (stessa lunghezza e frequenza d’onda) il cui arrivo sullo schermo viene segnalato dai rilevatori, consentendo così di verificare come si sono distribuiti al loro arrivo.

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Figura 1: I fotoni si comportano come onde e come particelle

Lo schermo indica chiaramente che la distribuzione dei Flash fotoni giunti fin lì ricalca proprio la stessa figura di interferenza a strisce chiare (zone dello schermo raggiunte dai Flash Fotoni) alternate a strisce scure (zone dello schermo non raggiunte dai Flash fotoni) ottenuta da Young con il suo fascio di luce e da PapalMafalda con il suo disegno.

Richard il quantico, però, ci tiene a far notare che se da una parte la figura d’interferenza che appare sullo schermo indica che abbiamo a che fare con delle onde, dall’altra quando i Flash fotoni hanno raggiunto i rilevatori si sono comportati da particelle, poiché solo urtando qualche Ella o Trone il rilevatore può avvertire la loro presenza…. basta pensare all’effetto fotoelettrico (qui ), dove un elettrone viene liberato dall’atomo a cui si era legato grazie all’urto con un Flash fotone dotato della giusta quantità di energia.

Accidenti, esclama PapalPierino, ma allora in questo esperimento Flash fotone riesce a comportarsi sia come un'onda, sia come una particella!

E' un po' che cerco di dirvelo, risponde soddisfatto Flash fotone!

Richard il quantico, prima che PapalPierino riparta con le sue domande invita anche Trone l'elettrone a partecipare al gioco della doppia fenditura... tra l'altro su di lui non c'era tutta quella diatriba sulla natura ondulatoria oppure corpuscolare di Flash fotone, tutti lo consideravano una particella dotata di una piccolissima massa e con carica negativa (qui ).

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Figura 2: Anche gli elettroni possono comportarsi come onde e come particelle

"Per il grande Papallo" esclama nuovamente PapalPierino, ma allora anche Trone sa comportarsi come un'onda e come una particella... già ma di quale strano tipo di onde si tratta?

PapalRichard, non a caso soprannominato Richard il quantico, invita PapalPierino a ricordarsi di tutti quegli strani giochi e discorsi sulle onde di probabilità (qui ).

Ogni volta che un Flash fotone o un Trone l'elettrone parte, ha la possibilità di prendere diverse direzioni e di imboccare una oppure l'altra fenditura per raggiungere lo schermo.

Mentre lui è in viaggio non c'è modo di sapere dove si trovi davvero e quale fenditura ha “deciso” di imboccare, il suo comportamento è come quello di un'onda di probabilità.

Un'onda, come ha raccontato PapalMafalda, può essere più o meno ampia (alta), esattamente come le probabilità possono essere maggiori o minori, ossia più ampie o meno ampie, e quando due gruppi di onde si incontrano, interferiscono tra loro.

Richard il quantico, per rendere più semplice questa strana analogia tra il comportamento delle onde del mare ed il comportamento delle onde di probabilità,  invita a seguire passo dopo passo le diverse onde di probabilità.

Tra i vari Trone che sono partiti quelli che interessano ai fini del gioco sono ovviamente solo quelli che tra le tante direzioni sono riusciti ad imboccare una delle due fenditure, dato che gli altri finiscono contro la barriera.

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Figura 3: L'onda di probabilità ad inizio percorso

In questa prima ipotetica parte del tragitto l'ampiezza di probabilità di giungere allo schermo è massima solo in prossimità di R e B, mentre non vi è alcuna probabilità per i vari Trone che hanno scelto altre direzioni, dato che finiscono contro la barriera...

Perciò il massimo di probabilità di giungere allo schermo si raggiunge in prossimità delle due fenditure.

Una volta oltrepassata una delle due fenditure (pillola Rossa o pillola Blu.. fenditura R o fenditura B?) di nuovo vi sono diverse possibili strade per giungere allo schermo e due diverse onde di probabilità si diramano dalle due fenditure.

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Figura 4: Le onde di probabilità che si diramano dalle due fenditure interferiscono tra loro

Come al solito PapalPierino ha la sua domanda da porre: ma non si era detto che partiva un Trone per volta... allora come fanno ad esserci due onde che si diramano da entrambe le fenditure?

Insomma, un solo Trone non può essere passato contemporaneamente da entrambe le fenditure!

Bella domanda esclama PapalRichard !

In fin dei conti quando un Trone oppure un Flash fotone raggiunge lo schermo non si sa da quale fenditura è passato.

Forse vale la pena di cambiare leggermente le regole del gioco ed andare a vedere da quale fenditura passa il nostro amico Trone.

Perciò PapalMafalda si piazza davanti ad una delle due fenditure ed ogni volta che un Trone raggiunge lo schermo indica se è passato da lì, in caso contrario non può che esser passato dall'altra fenditura.

Figura 5: Le onde di probabilità svaniscono

 Accipicchia, esclama PapalPierino, dove sono finite le onde?

I vari Trone elettroni si sono distribuiti sullo schermo come i dardi di PapalSempliciotto, come un qualunque corpuscolo, comportandosi come particelle...

Non è che è il solito scherzo di PapalScherzone, gridano in coro i papallini?

Io non c'entro nulla dice PapalScherzone, con una faccia serissima.

Magari la presenza di PapalMafalda ha alterato la prova, dice PapalSempliciotto.

Io non ho alterato proprio nulla, ho solo osservato se un Trone passava dalla mia fenditura, risponde un po' seccata PapalMafalda.

Flash fotone e Trone l'elettrone nel frattempo se la ridono e invitano PapalMafalda a rimanere lì, senza osservare nulla, chiudendo semplicemente gli occhi.

Figura 6: PapalMafalda chiude gli occhi e le onde di probabilita ricompaiono

Non è possibile i vari Trone si sono nuovamente distribuiti sullo schermo formando la solita figura d'interferenza, esclama PapalPierino!

Non contenti i papallini, dopo aver tenuto PapalScherzone a debita distanza, ripetono l'esperimento più volte, ma il risultato non cambia: se PapalMafalda chiude gli occhi i vari Trone sembrano comportarsi come onde e si distribuiscono sullo schermo formando una figura d'interferenza, se PapalMafalda osserva da quale fenditura passano i vari Trone, quest'ultimi sembrano comportarsi solo come particelle e si distribuiscono sullo schermo come i dardi di PapalSempliciotto.

Richard il quantico, viste le facce turbate dei papallini, li invita a riflettere su cosa  succede alle onde di probabilità nei due diversi casi.

Quando PapalMafalda ha gli occhi chiusi non è possibile sapere da quale fenditura passano i vari Trone che raggiungono lo schermo.

Perciò è possibile che Trone sia passato da una fenditura piuttosto che dall'altra e si formano due onde di probabilità che possono condurlo allo schermo, una che si dirama dalla fenditura B e una che si dirama dalla fenditura R.

Queste due onde interferiscono tra loro, per cui vi sono strisce dello schermo dove l'ampiezza di probabilità di trovare qualche Trone è aumentata (interferenza costruttiva) ed altre dove si è ridotta a zero (interferenza distruttiva).

Animazione 1: L'esperimento con PapalMafalda ad occhi chiusi

Quando PapalMafalda apre gli occhi e osserva da quale fenditura passa Trone, il fatto stesso di conoscere quale fenditura sta attraversando esclude ogni possibilità che Trone si trovi altrove.

Un po' come era già successo nella Favola delle probabilità”, (qui ), dove due possibili diversi finali coesistono (i PapalCursiosoni la chiamano sovrapposizione di stati) finché non se ne verifica uno e quando ciò accade l'altro finale non può più accadere.

Se Trone viene avvistato mentre attraversa la fenditura B non esiste alcuna probabilità e conseguentemente alcuna onda che si  dirama dalla fenditura R, poiché lui è certamente in B e quindi addio interferenza tra onde.

Se Trone ha raggiunto lo schermo passando dalla fenditura R, PapalMafalda anche se non lo ha visto passare dalla sua fenditura (B) ha la certezza che è sicuramente passato dall'altra (R), dato che solo passando da una delle due fenditure è possibile raggiungere lo schermo.

Come prima, se Trone ha attraversato senza ombra di dubbio la fenditura R, svanisce ogni possibilità che possa aver attraversato l'altra fenditura e con essa svanisce, collassa, ogni altra onda di probabilità.

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Animazione 2: L'esperimento con PapalMafalda ad occhi aperti che osserva da dove passa Trone

Ma allora, dice PapalPierino, il solo fatto di osservare e conoscere da quale fenditura passa Trone distrugge ogni altra possibilità e con essa anche l'onda di probabilità?

Non solo, afferma Richard il quantico, sia Trone che Flash fotone sono capaci di cambiare il loro comportamento da onde (che interferiscono tra loro) a particelle anche se PapalMafalda li osserva di nascosto dopo che sono passati dalle due fenditure...

Anche se non c’è nessuno che li avvisa, tanto meno PapalScherzone che non farebbe mai la spia, sembra quasi che Trone e Flash conoscano in anticipo che oltre la fenditura qualcuno li attende per osservare da dove sono passati e questo basta e avanza per assumere il tipico comportamento da particelle, poiché le onde di probabilità sono allergiche alle certezze, anche se queste derivano da osservazioni indirette legate a logiche deduzioni, come nell'esperimento compiuto  all’inizio degli anni ’90 da Mandel,  che i Papalcursioni possono trovare qui , insieme ad un approfondimento su questi inusuali comportamenti degli abitanti del mondo subatomico !

Flash fotone e Trone l'elettrone, sghignazzando, non possono far altro che ribadire che loro li avevano avvisati (qui ) che sanno comportarsi sia come onde sia come particelle, ma si comportano anche... per come li si vuol vedere...

Il vostro giocoso esperimento invece di ridurci ad una delle due cose, alla fine ha dimostrato che sappiamo essere entrambe... e che non ci piace molto metterci in mostra, preferiamo mantenere un'aria un po' bizzarra e misteriosa, come tutti gli altri abitanti del mondo subatomico...

I nostri mondi anche se strettamente legati sono molto diversi, dice Flash fotone ed a volte ciò che accade qui può sembrare strano per un papalliano o un terricolo, ma io spero che ci verrete nuovamente a trovare poiché ci sono moltissimi altri giochi che possiamo fare insieme.

I Papalli sono quasi commossi.

PapalScherzone si è rattristato, Scatti scodinzola a più non posso, Richard il quantico avrebbe voluto trattenersi ancora e i papallini salutano in coro i loro nuovi amici mimando l'onda e urtandosi tra loro come particelle.

Purtroppo per i papalli è giunto il momento di tornare a casa, salire sulla piattaforma del Miniaturizzatore e invertire il processo che li aveva rimpiccioliti, tornando alle solite dimensioni papalliane.

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Figura 7: Partenza

Alla prossima!

 

I super-curiosoni che desiderino conoscere ancora meglio questo fondamentale esperimento, troveranno all'inizio di questo approfondimento sulla MQ una spiegazione più tecnica di questa, ma sempre molto semplice.

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