Il fissaidee

Nelle precedenti sezioni abbiamo richiamato una delle colonne concettuali della fisica quantistica: l’idea che la radiazione elettromagnetica (cioè un’entità fisica di natura strettamente ondulatoria nella fisica classica: le onde elettromagnetiche) in alcune circostanze si comporta come se fosse invece costituita da corpuscoli, i fotoni. Esiste quindi un’entità fisica per descrivere la quale occorre utilizzare talvolta il modello corpuscolare, talaltra quello ondulatorio. A questo punto ci si potrebbe chiedere se questa sorta di “ambivalenza” riguardi anche altri enti fisici; per esempio quelli che ordinariamente si comportano (e quindi sono descritti) come particelle, come gli elettroni. Questa domanda se la pose un giovane fisico francese, Louis de Broglie che, nella sua tesi di dottorato nel 1924, avanzò l’ipotesi che la duplice natura (particellare e ondulatoria) fosse caratteristica anche degli oggetti fisici usualmente considerati come corpuscoli. In particolare, partendo dalla relazione che lega lunghezza d’onda, energia e quantità di moto (impulso) nel caso dei fotoni, per analogia ipotizzò che a una particella materiale corrispondesse un’onda di lunghezza d’onda \( \lambda = h/p \) dove \( p \) è la quantità di moto della particella e \( h \) come al solito è la costante di Planck. Questa ipotesi aveva conseguenze molto curiose. Infatti, se le particelle – per esempio gli elettroni – potevano comportarsi come onde, allora avrebbero potuto dar luogo a fenomeni caratteristici delle onde, come la diffrazione, fino ad allora considerati del tutto estranei alla materia. In effetti, pochi anni dopo la pubblicazione dell’ipotesi di de Broglie, nel 1927 due fisici statunitensi, Davisson e Germer, osservarono fenomeni di diffrazione con gli elettroni che consentirono di misurarne la lunghezza d’onda, confermando quanto previsto da de Broglie. È curioso ricordare che i due non stavano cercando di verificare la supposta natura ondulatoria dell’elettrone. Essi stavano smanettando con fasci di elettroni per altri motivi, allorché per un caso fortuito si imbatterono in un fenomeno inspiegabile, se non alla luce dell’ipotesi di de Broglie. Certo, c’entrò il caso… ma soprattutto la capacità dei due sperimentatori di riconoscere la vera natura di quello che altri avrebbero potuto scartare etichettandolo magari come un errore nell’esperimento. Come diceva Louis Pasteur: “la fortuna aiuta le menti preparate”!  

La duplice natura della luce e delle particelle, nota come dualismo onda-corpuscolo, è uno degli aspetti della fisica quantistica più “difficili da digerire” sul piano intuitivo. Il nostro armamentario di categorie mentali, cui attingiamo per farci un’idea intuitiva della realtà, si è sviluppato sulla base delle nostre esperienze sensoriali, che sono essenzialmente macroscopiche. Per cui non deve stupire più di tanto che alla scala atomica e sub-atomica (della quale non abbiamo mai avuto, né verosimilmente avremo, esperienza sensoriale diretta) le cose vadano in modi incompatibili con la intuizione. Peraltro, la difficoltà a accettare alcuni aspetti della descrizione quantistica della natura era ben presente anche tra coloro che tale descrizione hanno contribuito a creare, a cominciare dallo stesso Einstein. A questo proposito vogliamo chiudere il nostro lungo – e speriamo piacevole – viaggio nel mondo della fisica con la citazione di un verso da una poesia scherzosa composta dal fisico Enrico Persico, amico e collega di Enrico Fermi, nonché uno dei principali fisici quantistici italiani dell’epoca. Il verso è il seguente:

Credon poi, con fé profonda

Cui s'inchina la ragion,

Che la luce è corpo ed onda,

Onda e corpo è l'elettron.

Coloro cui si riferiva Persico (cioè color che “credono con fede profonda”) sono i componenti della “scuola” di Fermi (incluso sé stesso!), cioè il gruppo di giovani fisici teorici che tanto contribuì alle prime elaborazioni e applicazioni della fisica quantistica. Naturalmente il riferimento alla “fede” è ironico, dato che la fisica quantistica già allora aveva solide basi matematiche e, soprattutto, era stata confermata da numerosissime prove sperimentali. Tuttavia è indicativo della difficoltà di accettare pienamente il fatto che “la luce è corpo e onda”, e parimenti lo è l’elettrone, persino da parte di coloro che tale quadro concettuale avevano elaborato!