AstroLeo

Fotone - Interferenza

Con questo post rispondo a una richiesta di “GabriellaLaura”, ma data la difficoltà tecnica della materia se sono presenti delle imprecisioni vi sono grato se potete correggere. Veniamo al problema in questione: la natura del mondo non è che sia stata capita in tutto e per tutto e lo sanno bene i fisici dal 1600 che si sono trovati a discutere su cosa fosse esattamente la luce. In pratica gli scienziati erano divisi in due fronti, chi sosteneva che la luce fosse particellare (piccole palline solide) come Cartesio e Newton, chi riteneva che fosse un’onda (simile al propagarsi dell’acqua o del suono) come Huygens e Young. Nei secoli successivi lo scontro è stato altamente stimolante a tal punto da produrre enormi risultati in entambe le teorie che sono progredite alternativamente ma senza mai poter evidenziare un vincitore definitivo. Ad oggi la battaglia ha avuto una tregua decretata nel settembre del 1927 nel congresso di Como,  con l’introduzione del “Principio di Complementarità” esposta da Niels Bohr. In pratica si tratta della teoria della “Dualità della Luce” la quale accetta che le manifestazioni della realtà possono essere multiple. E’ stato identificato un  compromesso che possa mettere a tacere entrambi i fronti, per mezzo di un’azione degna di un politico e non di uno scienziato. In pratica viene definito che il fotone si propagherebbe come un’onda ma interagisce come una particella ed il gioco è fatto. Entrando nel merito, una caratteristica della propagazione delle onde è l’interferenza. Nella propagazione di due fronti d’onda, quando le varie componenti si incontrano, non abbiamo alcuna interazione fra essi ma si osserverà una sovrapposizione degli effetti sul materiale che ne è attraverato. A titolo di esempio di seguito un immagine di interferenza da due fonti di onde.

Dato che il portatore della luce, il fotone, si ritiene si propaghi come un’onda, si comporta allo stesso modo.

Ed eccoci arrivati all’esperienza delle due fenditure. Se prendiamo una bacinella d’acqua e vi poniamo una lamina a tagliare la superficie con due aperture a distanza variabile, si può vedere come la sovrapposizione delle due onde che passano dalle fessure genera la figura sottostante.

Se sostituiamo all’acqua il fotone, la figura che osserviamo è identica e viene evidenziato con delle righe più grosse in funzione della intensità relativa alla sovrapposizione delle onde.

Benissimo, abbiamo capito che la luce si propaga come un’onda, ma per il “Principio di Complementarità” è anche una particella. Pertanto siamo in grado di suddividere il fronte d’onda luminoso in tante uniche componenti che sono i fotoni. I fotoni, in quanto uniche particelle, se sparati attraverso le fenditure devono per forza passare dentro una o l’altra fenditura e andranno a sbattere contro la parete non come un’onda ma come una particella. Pertanto un’unica particella non potrà disegnare tutta la figura di diffrazione, ma solo un punto sulla parete. Ma per mantenere la natura di onda si distribuirà al di là delle fenditure con una probabiltà dettata dalla figura di interferenza fra due onde. Ecco che se spariamo, anche se uno alla volta, migliaia di fotoni, alla fine il disegno ottenuto coincide con la figura di interferenza di due onde. La figura d’onda d’interferenza risultante in pratica non è altro che l’insieme di tutte le particelle della luce appiccicate alla parete. A rendere l’esperienza della natura della luce più intrigante interviene la Meccanica Quantistica che per poter spiegare il fenomeno, anche alla singola particella fotone, obbliga a passare contemporaneamente entrambe le fessure.

Di seguito un simpatico cartone animato che spiega quanto sopra esposto.

Sicuro di non aver risolto ogni aspetto, ma di avere indotto nuove domande, sono a disposizione per ulteriori chiarimenti.

Buon dubbio a tutti!

Al seguente Link potete provare a sperimentare virtualmente l'interferenza variando la distanza fra le due fenditure:

http://www.lucevirtuale.net/percorsi/c1/interferenza.html