Foto di un dualismo

La questione della dualità onda-particella è stata fondamentale all'interno dello sviluppo della meccanica quantistica. In buona sostanza, grazie a una serie di esperimenti, era diventato abbastanza chiaro che vari oggetti ritenuti all'epoca elementari mostravano, in determinate condizioni, comportamenti da particella, mentre in altre condizioni comportamenti da onda. Qualcosa del genere avviene con la luce, che si comporta ora come particella (da cui i fotoni) ora come onda (vedi i fenomeni di interferenza).
La proposta per risolvere questo comportamento paradossale venne a Niels Bohr il 16 settembre del 1927 durante un congresso internazionale di fisica che si stava svolgendo a Como. L'idea in effetti era ispirata da un esperimento mentale proposto a Bohr da Werner Heisenberg e che di fatto può essere considerato come il primo passo verso il principio di indeterminazione. In un certo senso si potrebbe dire che il principio di indeterminazione è la formulazione matematica del principio espresso da Bohr: il principio di complementarietà.
L'idea del principio è semplice: gli oggetti presentano una serie di coppie di proprietà che risultano complementari tra loro, e che quindi non possono essere osservate o misurate contemporaneamente.
Dal punto di vista delle quantità misurabili, il principio di complementarietà è chiaro e facilmente dimostrabile anche dal punto di vista matematico, trovando una base proprio nel principio di indeterminazione.
Per quel che riguarda il dualismo onda-particella, invece, la cosa non mi sembra proprio così chiara. D'altra parte esistono quattro modi diversi di vedere la faccenda: onda e particella insieme, solo onda, solo particella, né onda né particella. I risultati sperimentali più interessanti arrivano nella prima visione: nel 2007 Shahriar Afshar propose un esperimento che risultava una variazione del classico esperimento della doppia fenditura⁽¹⁾. I suoi risultati erano compatibili con l'osservazione contemporanea della natura ondulatoria e corpuscolare del fotone. Secondo Afshar il suo esperimento

(...) pone domande interessanti sulla validità della complementarietà nei casi in cui le tecniche di misura evitano il principio di indeterminazione di Heisenberg e l'entanglement quantistico.

Ci furono, ovviamente, tentativi di riportare l'esperimento di Afshar nei canoni del principio di complementarietà, mostrando che non c'era alcuna violazione di tale principio⁽²⁾. Ci fu anche il tentativo di dare una formulazione matematica del principio di complementarietà relativamente alla dualità onda-particella⁽³⁾.
Ciò che, in un certo senso, è alla fine ironico è che appena 8 anni più tardi, nel 2015, è stata rilasciata una "foto" (per quel che vale questo termine in questo caso) in cui veniva rappresentato contemporaneamente il comportamento ondulatorio e corpuscolare del fotone⁽⁵⁾!

Il risultato è stato ottenuto grazie alla nanotecnologia, in particolare alla plasmonica (si parla di plasmonica quando si utilizzano dispositivi ottici miniaturizzati fino al... nanoverso!). In questo caso gli autori non cercano la polemica: non citano mai il principio di complementarietà, né una sua possibile violazione, ma una serie di articoli che, nello stesso spirito del loro lavoro, si ingegnano per trovare soluzioni per mostrare aspetti complementari. Ad esempio misurando la traiettoria media di un insieme di fotoni⁽⁴⁾. Per fare questo, però, la proposta è usare una strumentazione che sparpagli poco le particelle (le così dette weak measure).
Nel dettaglio della foto di cui sopra, l'esperimento ha coinvolto un fascio di elettroni, un gruppo di fotoni e un filo sottilissimo d'argento delle dimensioni di 40 nanometri. Mentre i fotoni venivano trasmessi dal filo d'argento, gli elettroni sono stati inviati sopra la superficie del filo: alcuni di questi sono stati influenzati in maniera diretta dai fotoni, ovvero sono stati colpiti dai fotoni, altri, invece, hanno interagito in maniera ondulatoria con la luce. In questo modo sono state ricavate, in maniera indiretta, le informazioni particellari e ondulatorie presenti nei fotoni. E oserei aggiungere senza violare alcun principio di indeterminazione, cosa non trascurabile.

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1. Afshar, S. S., Flores, E., McDonald, K. F., & Knoesel, E. (2007). Paradox in wave-particle duality. Foundations of Physics, 37(2), 295-305. doi:10.1007/s10701-006-9102-8 (arXiv) ↩
2. Kastner, R. E. (2005). Why the Afshar experiment does not refute complementarity. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 36(4), 649-658. doi:10.1016%2Fj.shpsb.2005.04.006 (arXiv) ↩
3. Steuernagel, O. (2007). Afshar’s experiment does not show a violation of complementarity. Foundations of Physics, 37(9), 1370-1385. doi:10.1007%2Fs10701-007-9153-5 (arXiv) ↩
4. Kocsis, S., Braverman, B., Ravets, S., Stevens, M. J., Mirin, R. P., Shalm, L. K., & Steinberg, A. M. (2011). Observing the average trajectories of single photons in a two-slit interferometer. Science, 332(6034), 1170-1173. doi:10.1126/science.1202218 ↩
5. Piazza, L. U. C. A., Lummen, T. T. A., Quinonez, E., Murooka, Y., Reed, B. W., Barwick, B., & Carbone, F. (2015). Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature communications, 6(1), 1-7. doi:10.1038/ncomms7407 ↩