Dualismo onda-particella

Dualismo onda-particella Proprietà fisica quantistica della materia che consiste nel manifestare comportamenti diversi – ondulatorio o corpuscolare – a seconda dei processi o degli esperimenti a cui prende parte. Il dualismo onda-particella è alla base di quella branca della meccanica quantistica che prende il nome di meccanica ondulatoria, formulata dal fisico francese Louis-Victor de Broglie a partire dal 1924 e confermata sperimentalmente nel 1927 con gli esperimenti di Clinton Davisson e Lester Germer negli Stati Uniti e di George Thomson in Inghilterra.

Così come una radiazione elettromagnetica, tradizionalmente descritta come un’onda, in talune interazioni con la materia di carattere quantistico può assumere comportamenti tipici di una particella e meritare il nome di un corpuscolo (fotone), così anche una particella come l’elettrone può, in alcune situazioni, assumere comportamenti tipici di un’onda, e più precisamente di un’onda di frequenza ν = E/h, con E energia della particella. In sostanza, uno sciame di particelle, in opportune condizioni, può andare incontro a fenomeni ondulatori tipici quali la rifrazione, la diffrazione, l’interferenza.

Il dualismo onda-particella risulta evidente nel cosiddetto esperimento delle due fenditure, che consiste nell'inviare un fascio di particelle, ad esempio di elettroni, contro una parete in cui siano state praticate due sottili fenditure, e nell'osservare l'immagine che si crea su uno schermo sensibile posto oltre la parete. Un esperimento del tutto analogo era stato allestito nei primi anni del XIX secolo dallo scienziato britannico Thomas Young appunto per dimostrare la natura ondulatoria della luce. Dopo il passaggio di un numero molto alto di particelle, si osservano sullo schermo le 'frange di interferenza', una serie di strisce luminose intervallate da zone buie, nelle quali la luminosità si distribuisce in modo regolare e prevedibile, tipico delle figure di interferenza dei fasci luminosi. Questo fenomeno si può spiegare solo se si pensa che, al momento di attraversare la parete, le particelle assumano un comportamento tipico delle onde: oltrepassata la parete attraverso una o l’altra fenditura, le onde-particelle si combinano, sommandosi o annullandosi, a seconda che le loro forme d’onda siano in fase o meno, secondo le regole dell’interferenza dei moti ondulatori.

Il dualismo onda-particella implica il principio di indeterminazione, una delle leggi fondamentali della meccanica quantistica, nella quale si afferma l'impossibilità di conoscere simultaneamente, con precisione arbitraria, determinate grandezze fisiche associate a un sistema (dette 'grandezze coniugate'). In particolare, il principio afferma che non è possibile determinare contemporaneamente la posizione e il momento lineare di una particella. Per individuare una di queste grandezze, il sistema deve necessariamente interagire con un apparato di misura, ed è proprio la natura di questa interazione a impedire la conoscenza esatta della grandezza che si voleva misurare. Infatti, durante la misura, la particella mostra anche il suo aspetto ondulatorio, e sfugge alla determinazione delle sue proprietà particellari.

La posizione è infatti una caratteristica tipicamente corpuscolare: solo le particelle possono essere localizzate, ovvero essere associate a una posizione ben precisa nello spazio; le onde invece sono infinitamente estese e, pur avendo un momento definito, non occupano un unico punto spaziale. Per definire la posizione di un'onda, è necessario sovrapporre numerose onde, ovvero costruire un 'pacchetto' di onde che viaggiano contemporaneamente, nella medesima direzione e con la stessa velocità di propagazione. Queste onde si sommeranno solo in un intervallo ben determinato della loro estensione, annullandosi nel resto del dominio spaziale, e definendo con tale intervallo la 'regione' delle posizioni possibili. Anche con questo metodo, dunque, non si riesce ad associare a un'onda un punto dello spazio preciso, ma solo l'intervallo di valori possibili della localizzazione.

La lunghezza d'onda λ e il momento p di un’entità quantistica, sono legate dalla relazione pλ = h, dove h è una costante nota come costante di Planck.