Re: onde e il concetto di onda in natura

From: Elio Fabri <mc8827_at_mclink.it>
Date: Wed, 15 Dec 2004 21:07:22 +0100

borg ha scritto:
> Per descrivere il comportamento dei fotoni si ricorre all'uso del
> termine onda-particella intendendo che in alcuni esperimenti i fotoni
> manifestano un comportamento come se si trattesse di particelle ( si
> possono immaginare come proiettili o sassi) mentre in altri
> esperimenti si comportano come onde, ad esempio, l'interferenza nel
> famosissimo esperimento delle due fenditure. In molti testi
> divulgativi si cerca di descrivere un' onda ricorrendo all'esempio
> delle onde dell'acqua che si creano o per effetto della forza delle
> correnti o se si tocca la superficie.
> In natura vi sono diversi tipi di onde e alcune si possono propagare
> nel vuoto come le onde elettromagnetiche. Da quali particelle sono
> costituite e perche' devono propagarsi "ondeggiando"? Cosa in effetti
> crea l'onda? Non riesco a immaginarmi perche' un fotone o un'altra
> particella viaggi nello spazio ondeggiando. La frequenza dell'onda
> associata ad un fotone che ipoteticamente viaggi senza nello spazio
> senza subire alcune interazione, diminuisce col tempo o rimane la
> stessa?
> Non sono un fisico, ho letto dei libri divulgativi di meccanica
> quantistica e nessuno che spiegasse la natura dell'onda, considerata
> quasi come un concetto primitivo. Ringrazio per qualsiasi
> informazione.
Prova un po' a leggere quello che segue.
E' un po' lungo, ma spero possa esserti utile.
Purtroppo e' solo un'introduzione...

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      Abbiamo scritto nella prima parte che la luce non consiste di
onde, bensi' di particelle. Eppure per tutto l'800 i fisici non
avevano dubbi che la natura fisica della luce fosse tutt'altra: che la
luce consistesse di onde. Per di piu', con la costruzione della teoria
di Maxwell, che prevedeva l'esistenza di onde e.m., e con la
successiva dimostrazione sperimentale che le onde e.m. esistono
realmente, la questione sembrava risolta in modo definitivo: quella
che chiamiamo luce non e' altro che un tipo particolare di onde e.m.

      La convinzione del carattere ondulatorio della luce si basava su
di una serie di fatti sperimentali (sempre i fatti!) che ricordiamo
solo con i loro nomi: i fenomeni d'_interferenza_ e di _diffrazione_.
Era noto, ed e' facile anche oggi verificare in laboratorio, che tutte
le onde conosciute in fisica danno luogo a interferenza e diffrazione:
questo vale per le onde sulla superficie di un liquido come per le
onde sonore. Di qui la conclusione: poiche' le onde manifestano
interferenza e diffrazione, e anche la luce manifesta interferenza e
diffrazione, ne segue che la luce consiste di onde.

      E' facile convincersi che sul piano logico tale conclusione e'
ingiustificata: tutti i pesci vivono nell'acqua, i delfini vivono
nell'acqua, quindi i delfini sono pesci? Non vogliamo dire con questo
che per un secolo i fisici avessero commesso un cosi' banale errore di
logica, ma solo che si trattava di un'_induzione_, non di una
_deduzione_: era molto plausibile, sulla base dell'analogia con
fenomeni a carattere ondulatorio, indurre che anche la luce fosse
fatta di onde. Molto spesso le scienze sperimentali procedono in
questo modo, e con successo; ma puo' anche accadere che ricerche
successive mostrino che l'induzione non era giustificata. Questo e'
proprio cio' che e' accaduto con la luce.

      Tuttavia il discorso non finisce qui, perche' se affermiamo che
la luce e' fatta di particelle (i fotoni) ci resta ancora da spiegare
come mai manifesti quei comportamenti che siamo abituati ad attribuire
alle onde. Quanto meno dobbiamo essere preparati ad ammettere che se
di particelle si tratta, sono particelle _sui generis_, molto diverse
dall'idea di particella che ci viene suggerita dall'esperienza
quotidiana.

      Il concetto di particella, come noi lo conosciamo finora, nasce
per generalizzazione e astrazione da oggetti materiali: palline,
piccoli semi, granelli di sabbia. Una particella occupa a ciascun
istante una determinata _posizione_ nello spazio, e quando si muove
descrive una ben determinata _traiettoria_. Quando si pensa a una
particella si suppone di solito di poterne trascurare le dimensioni, e
a maggior ragione la struttura interna.

      E' forse il caso di osservare che il concetto di particella si
applica anche a oggetti che alla nostra scala sono non soltanto
grandi, ma giganteschi: ad es. un astronomo che studi la struttura e
l'evoluzione di una galassia, o l'effetto degli "urti" fra galassie,
trattera' le singole stelle appunto come particelle senza dimensioni e
senza struttura, di cui interessa solo il moto e le traiettorie che
descrivono.

      Tornando alla luce, osserviamo che c'e' una proprieta' che si
spiega nel modo piu' naturale con l'ipotesi dei fotoni: la sua
_propagazione rettilinea_. Anzi e' proprio per questa ragione che i
primi modelli fisici della luce (Newton) furono corpuscolari, e
vennero abbandonati solo quando apparvero incompatibili con altre
proprieta] della luce.

      Un'altra osservazione, che riprenderemo piu' avanti: lo stesso
problema, che delle particelle mostrino quello che siamo abituati a
chiamare "comportamento ondulatorio", si presenta anche in altri casi.
Per cominciare: gli elettroni appaiono, alla luce dei primi
esperimenti, come corpuscoli (particelle) ben descritti dalla
meccanica classica; tanto e' vero che si riesce a determinarne massa e
carica. Ma piu' avanti si capisce (de Broglie, Schroedinger, 1924--26)
che la quantizzazione delle energie atomiche impone di supporre anche
per queste particelle un "comportamento ondulatorio". Nel 1927
Davisson e Germer ne danno la prova diretta.

      In realta' e' ormai accertato che questa non e' una peculiarita'
di alcune specie di particelle: una volta chiariti gli aspetti
quantitativi, cioe' gli ordini di grandezza dei parametri rilevanti in
ciascun caso, tale comportamento risulta un fatto universale. Solo che
il "comportamento ondulatorio" diventa tanto meno importante, e tanto
piu' difficile da mettere in evidenza, quanto piu' cresce la massa o
l'energia cinetica (piu' esattamente la quantita' di moto) della
particella. Riprenderemo meglio questo discorso un po' piu' avanti.
                   

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Elio Fabri
Dip. di Fisica - Univ. di Pisa
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Received on Wed Dec 15 2004 - 21:07:22 CET