L'esperimento più bello della fisica

La sera dell'8 gennaio sono andato al planetario Hoepli, insieme con l'amico Giovanni Guido, ad assistere a un'interessante conferenza sulla meccanica quantistica del buon Marco Giammarchi, che non vedevamo da diverso tempo (a tal proposito vi ricordo del post che ho dedicato a una vecchia "chiacchierata" che i due hanno fatto, sempre sulla meccanica quantistica, da qualche parte nei dintorni di Parabiago). A un certo punto Giammarchi ha citato quello che è considerato come l'esperimento più bello della fisica, ovvero l'esperimento della doppia fenditura condotto con gli elettroni singoli. E' citato di passaggio anche nell'ultima uscita della rubrica di Stefano Sandrelli, Oltre l'orizzonte (che in questo caso riprende il suo articolo uscito su Sapere a dicembre 2025) e si riferisce a uno specifico esperimento di meccanica quantistica condotto nel 1974 da Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli, e Giulio Pozzi.

Da sinistra: Pozzi, Missiroli e Merli in una foto pubblicata sul Sole 24 ore il 6 settemnre 2003 - via Springer

L'esperimento della doppia fenditura

Tutto iniziò nel 1801 quando Thomas Young sottopose alla Royal Society l'articolo On the Theory of Light and Colours, nel quale spiegava i fenomeni di interferenza come interferenza ondulatoria.
Nel 1803 Young fece alcuni esperimenti di interferenza utilizzando la luce solare: la sua idea era quella di dimostrare la teoria ondulatoria della luce da lui proposta contro quella corpuscolare di Isaac Newton che era all'epoca largamente accettata. Descrisse anche un esperimento a doppia fenditura, che però probabilmente non realizzò mai.
Successivamente l'effetto fotoelettrico mise in luce dei comportamenti corpuscolari per la... luce, fornendo gli indizi per quella che è oggi chiamata dualità onda-particella (che hanno anche gli elettroni e le altre particelle propriamente dette) e, soprattutto, che fosse necessario andare oltre la fisica classica.
Ad ogni buon conto nel 1909 Geoffrey Taylor (il nipote di Alicia Boole, quello stesso fisico che fu in grado di stimare la potenza di un'esplosione nucleare solo da una foto pubblicata sul Time!) eseguì proprio l'esperimento descritto da Young con i fotoni. Il primo a realizzare un esperimento analogo con gli elettroni fu Claus Jönsson nel 1961 che utilizzò fasci di elettroni coerenti attraverso fenditure multiple.
E finalmente arriviamo al 1974 quando Merli, Missiroli e Pozzi eseguirono l'esperimento a doppia fenditura utilizzando singoli elettroni provenienti anch'essi da una sorgente coerente: i risultati dell'esperimento dimostrarono la natura statistica dell'interferenza dell'elettrone con se stesso (mi verrebbe da scrivere), proprio come previsto dalla meccanica quantistica.
L'ultimo capitolo di questa storia, che ha anche avuto, nel 2012, una versione nanotecnologica realizzata da un team guidato da Stefano Frabboni, è stato scritto nel 2018 proprio da Marco Giammarchi e dal suo team presso il Positron Laboratory a Como, in cui è riuscito a replicare l'esperimento di Merli, Missiroli e Pozzi utilizzanto i positroni, le anti-particelle analoghe degli elettroni.

Entrare nella storia (della fisica e della divulgazione)

Rodolfo Rosa così descrive l'esperimento del 1974:

Ottennero una figura di interferenza con un microsopio elettronico che era dotato di uno speciale interferometro, un biprisma elettronico, che era essenzialmente costituito da un filo sottilissimo orientato perpendicolarmente al fascio di elettrini e posizionato simmetricamente tra due placche a potenziale di terra, così che quando un potenziale positivo o negativo era applicato al filo il fascio di elettrini veniva diviso in due componenti. Il loro uso di questo biprisma elettronico fu il primo importante aspetto tecnico e concettuale del loro esperimento; il secondo fu la sua abilità di osservare l'arrivo continuo degli elettroni, uno alla volta, su un monitor televisivo.

Oltre a ciò, l'esperimento ebbe altre due importanti ricadute. Innanzitutto la già citata dimostrazione del comportamento ondulatorio dell'elettrone, spiegabile attraverso una legge statistica sul comportamento di molti oggetti. E in secondo luogo mostrò come l'apparato sperimentale interagiva con gli elettroni del fascio. L'esperimento, infatti, venne riprodotto in condizioni differenti (energie diverse per il fascio di elettroni, corrente elettrica all'interno del filo che costituiva il biprisma elettronico, ...) e non solo permise di determinare le condizioni in cui gli elettroni si comportano come corpuscoli o come onde, ma soprattutto permise di rilevare, appunto, come essi interagiscono con il sistema che li sta osservando.
Oltre all'esperimento il trio di fisici italiani, insieme con Lucio Morettini e Dario Nobili, realizzarono un breve cortometraggio di quelli come se ne facevano una volta dal titolo Interferenza di elettroni, che vinse il primo premio nella sezione dedicata alla fisica del settimo Scientific and Technical Cinema Festival di Bruxelles del 1976 (il video qui sotto, dove troverete altri dettagli che ho omesso nel post, è stato pubblicato su YT dal fisico Giorgio Lulli):

Passano gli anni e nel 2002 la rivista Physics World pubblicò i risultati di un sondaggio che aveva condotto tra i suoi lettori, chiedendo loro quali fossero gli esperimenti di fisica più belli di tutti i tempi. E a vincere questo titolo fu proprio l'esperimento di Merli, Missiroli e Pozzi, arrivando per altro davanti a Galileo Galilei (presente anche col piano inclinato nella top 10) e al suo esperimento sulla caduta dei corpi.
Non so se lo si possa considerare ancora oggi come l'esperimento più bello della fisica, ma è fuor di dubbio la sua importanza all'interno della fisica sperimentale e della storia della meccanica quantistica, e ben pochi altri esperimenti successivi potrebbero rivaleggare per importanza e, forse, anche per bellezza (che in questo caso, personalmente, interpreterei come eleganza sperimentale, ma non mi sembra il caso di aprire un capitolo di discussione su ciò!).