Re: Frequenza di un singolo fotone

From: Elio Fabri <elio.fabri_at_fastwebnet.it>
Date: Thu, 21 Jul 2022 18:35:41 +0200

Davide ha scritto:
> Buongiorno. Nella relazione E=hf che esprime l'energia di un singolo
> fotone, come è possibile che ci sia anche la frequenza dell'onda
> elettromagnetica? In che modo il singolo fotone porta con sé
> informazioni sull'onda elettromagnetica? In altre parole, cosa
> rappresenta f per il singolo fotone?
Ottima domanda. Per questo ti faccio passare avanti in una lunga lista
d'attesa :-)

Ho dovuto pensarci un po' e direi che ci sono diverse possibili
risposte.
Eccotene una.

Meglio dire
1) un'onda e.m. (osservabile con mezzi macroscopici, per es. uno
spettroscopio) si rappresenta mediante campi che variano nel tempo, e
se l'onda è monocromatica la variazione nel tempo è periodica con una
ben definita frequenza.
2) E' anche possibile dimostrare (sperimentalmente) che quell'onda è
un insieme di moltissimi fotoni, e se riesci rivelarli separatamente
puoi misurarne l'energia E.
I fatti mostrano che tra le due grandezze f ed E sussiste la relazione
che hai scritto.

Questo però non dimostra che si possa parlare di frequenza di un
singolo fotone.
Ma il discorso non è finito (anzi, è appena cominciato, anche
storicamente).

Per es. non avrei remore ad attribuire a un fotone una determinata
lunghezza d'onda.
Questo perché la l. d'onda si può misurare in esperimenti
d'interferenza, e certo saprai che l'interferenza si vede anche quando
nell'apparato sperimentale entra un fotone alla volta.
Ma mi aspetto una domanda: lunghezza d'onda sì e frequenza no? Comìè
possibile?

Non credo di averti risposto in modo convincente, e del resto ci sono
cose che ho dovuto lasciare non chiare, perché altrimenti ci perderemmo
senza arrivare a una conclusione definita.

Per es. sopra ho scritto che un'onda e.m. "è un insieme di moltissimi
fotoni", usando di proposito una parola vaga come "insieme".
Il fatto è che non si può essere più precisi senza addentrarsi nella
teoria quantistica del campo e.m., che sicuramente va al di là delle
tue attuali possibilità.
Se sei uno studente, se vorrai seguire un corso di laurea in fisica,
se arriverai in fondo con successo, quasi certamente capirai meglio le
mie oscure parole :-)
Prima di ciò si possono solo fare delle chiacchiere che non sono
fisica.

Ho accennato sopra all'aspetto storico.
Il fatto è che i fotoni sono stati una spina per tutti i fisici dei
primi 20 e anche 30 anni del secolo scorso.
Ben pochi erano disposti ad accettarli, proprio per le proprietà
strane, contraddittorie, che mostravano di avere.
C'è un episodio molto noto che forse non conosci, e anche se altri
l'hanno già sentito voglio raccontarlo di nuovo.

Nal 1913 i fisici tedeschi discussero la candidatura di Einstein a
membro dell'Acccademia Prussiana delle Scienze. (E. aveva 34 anni; il
primo articolo dove si parla dei quanti come "particelle della luce" è
di 8 anni prima.)
Come usa in questi casi, fu nominata una commissione (composta da
fisici eminenti) perché portassero ai soci dell'Accademia un parere
informato e meditato.
Il parere fu favorevole, ma ecco le precise parole (come compaiono nel
libro di Pais "Sottile è il signore..."):

"In breve, si può dire che non c'è quasi nessuno dei grandi problemi
di cui la fisica moderna è così ricca al quale Einstein non abbia dato
un contributo rilevante. Che possa a volte aver mancato il bersaglio
nelle sue congetture, come, per esempio, nel caso dell'ipotesi dei
quanti di luce, non può essere in realtà considerato troppo grave: è
impossibile infatti introdurre idee veramente nuove, neppure nelle più
esatte delle scienze, senza correre a volte qualche rischio."

Nota che questa non fu una cantonata dei commissari: lo stesso
pensavano la stragrande maggioranza dei fisici del tempo.
Einstein non aveva affatto "mancato il bersaglio", ma ci sarebbe
voluto ancora tempo prima che questo fatto diventasse conoscenza
comune e accettata dei fisici.
-- 
Elio Fabri
Received on Thu Jul 21 2022 - 18:35:41 CEST

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