Dualità onda-particella: una panoramica

A prima vista la nozione di dualità onda-particella è davvero strana. Probabilmente hai già imparato a conoscere le onde e sai che sono un disturbo in un mezzo, e probabilmente hai imparato a conoscere le particelle, che sono oggetti fisici discreti. Quindi l'idea che alcune cose abbiano proprietà di entrambi potrebbe sembrare non solo strana, ma fisicamente impossibile.

Questo articolo ti introdurrà all'idea della dualità onda-particella e fornirà una panoramica di come è emerso il concetto e come risulta essere un'eccellente descrizione della realtà in molti casi, specialmente nel regno dei quanti fisica.

Iniziamo esaminando cosa costituisce un'onda. Un'onda è definita come un disturbo in un mezzo che si propaga da un luogo all'altro, trasferendo energia nel processo, ma non trasferendo massa.

Nel mezzo attraverso il quale si muove l'onda, le singole molecole oscillano semplicemente sul posto. Un buon esempio di ciò è una folla in uno stadio che fa "l'onda". Ogni individuo semplicemente si alza e si siede, oscillando sul posto, mentre l'onda stessa viaggia intorno all'intero stadio.

Le proprietà delle onde includono la lunghezza d'onda (la distanza tra i picchi d'onda), la frequenza (il numero di cicli d'onda per secondo), periodo (il tempo necessario per un ciclo d'onda completo e velocità (quanto velocemente viaggia il disturbo).

Le particelle sono oggetti fisici distinti. Hanno una posizione ben definita nello spazio, e quando si spostano da un luogo all'altro, non solo trasferiscono energia, ma anche la propria massa.

A differenza delle onde, non hanno bisogno di un mezzo attraverso cui muoversi. Inoltre, non ha senso descriverli con una lunghezza d'onda, una frequenza e un periodo. Invece, sono solitamente descritti dalla loro massa, posizione e velocità.

Quando il fenomeno della luce era stato studiato per la prima volta, gli scienziati non erano d'accordo sul fatto che si trattasse di un'onda o di una particella. La descrizione corpuscolare della luce di Isaac Newton sosteneva che agisse come una particella e sviluppò idee che spiegava la riflessione e la rifrazione all'interno di questo quadro, anche se alcuni dei suoi metodi non sembravano proprio lavoro.

Christiaan Huygens non era d'accordo con Newton e usò la teoria delle onde per descrivere la luce. Era in grado di spiegare la riflessione e la rifrazione trattando la luce come un'onda.

Anche il famoso esperimento della doppia fenditura di Thomas Young, che ha dimostrato modelli di interferenza nella luce rossa associati al comportamento ondulatorio, supportava la teoria delle onde.

Il dibattito se la luce fosse una particella o un'onda sembrò risolversi quando James Clerk Maxwell arrivò sulla scena e descrisse la luce come onde elettromagnetiche tramite le sue equazioni di Maxwell.

Ma divenne presto evidente che la natura ondulatoria della luce non teneva conto di tutti i fenomeni osservati. L'effetto fotoelettrico, ad esempio, potrebbe essere spiegato solo se la luce fosse trattata come una particella, che agisce come singoli fotoni o quanti di luce. Questa idea è stata avanzata da Albert Einstein, che ha vinto un premio Nobel per questo.

Nacque così la nozione di dualità onda-particella. La luce potrebbe essere veramente spiegata solo se fosse trattata come un'onda in alcune situazioni e come una particella in altre.

Qui è dove le cose si fanno ancora più strane. Non solo la luce mostra questa dualità, ma si scopre che anche la materia lo fa. Questo è stato scoperto da Louis de Broglie.

Questa dualità non può essere vista affatto su una scala macroscopica, ma quando si tratta di lavorare con elementi elementari particelle, a volte sembrano agire come particelle e altre volte come onde, con la loro lunghezza d'onda pari a associato lunghezza d'onda di de Broglie.

Questa nozione ha portato allo sviluppo della meccanica quantistica, che descrive particelle con funzioni d'onda, che possono essere comprese in termini dell'equazione di Schrodinger.