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Titolo: onde e il concetto di onda in natura

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.

 concetto primitivo. Ringrazio per qualsiasi informazione.
Credo che tu ti sia fatto una immagine dei fotoni come punti materiali
che
viaggiano a zig zag nello spazio.
E`corretto quello che penso?
La questione non e`semplice a mio avviso. Io ci ho pensato un po` a
questo dualismo.
Opinione mia personale: meglio se ci si scorda del concetto primitivo 
( cioe` definito a priori) di 
punto materiale e si pensa a tutto come un campo che oscilla (funzione
d`onda)
Non mi dilungo oltre e aspetto che qualcuno mi contesti il collasso 
della funzione d`onda una cosa che a me (e non solo) 
non e`mai andata giu`se non come ipse dixit.
the Volk
-- 
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borg ha scritto:

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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 proprieta] della luce.
Sbagli quando dici che Newton attribuiva un moto rettilineo uniforme ai
suoi "raggi" (così chiamava i corpusocli di luce)
I modelli fisici di cui parli vennero abbandonati  probabilmente perchè il
pensiero di Newton al riguardo non era ben noto, ed una sua intuizione, in
linea con quanto citato sopra, è passata inosservata.
E' curioso che Newton arriva alla stessa ipotetica considerazione (della
proprietà disposizionale) non per mettere a posto il dualismo (a lui ben
noto), ma per risolvere il problema degli esiti diversi del cammino dei
suoi corpuscoli (trasmissione/riflessione) nella riflessione parziale
della luce.
Scriveva nel III libro dell'Optics (parte I,  proposizione XIII):
"DEFINIZIONE. Chiamerò impulsi (fits) alla facile riflessione i ritorni
della 
disposizione di un raggio qualsiasi ad essere riflesso, e impulsi alla
facile 
 trasmissione i ritorni della sua disposizione ad essere trasmesso, e
chiamerò 
intervalli fra i suoi impulsi lo spazio esistente tra ogni ritorno ed il 
successivo ritorno.
La ragione per la quale le superfici di tutti i corpi trasparenti spessi 
riflettono una parte della luce incidente su essi, e rifrangono il resto, 
è che alcuni raggi al momento della loro incidenza si trovano in impulsi 
alla facile riflessione, ed altri in impulsi alla facile trasmissione.
.Di che genere di azione o di _disposizione_ si tratti, _ se consiste di
un 
movimento circolare oppure vibratorio del raggio _ (le  'evidenziazioni
sono mie, n.d.r.), oppure di un movimento del 
mezzo, oppure di qualche altra cosa, qui non indago.
..che quando un raggio qualsiasi sta in quella parte della vibrazione che 
cospira col suo moto proprio, esso passa facilmente attraverso una
superficie 
rifrangente, ma quando sta nella parte contratta della vibrazione che ne 
impedisce il moto, esso è facilmente riflesso; e che, di conseguenza ogni 
raggio è alternativamente disposto ad essere facilmente riflesso o 
facilmente
trasmesso....
Ma se questa ipotesi sia vera o falsa io qui non considero. Mi accontento
di 
avere scoperto che i raggi di luce hanno, per una causa o per l'altra, 
alternativamente la disposizione ad essere riflessi o ad essere rifratti
per 
parecchie volte".
Newton quindi, tra le altre cose,  ipotizza, suggerisce,  un moto
vibratorio o circolare della particella mentre porcede.
Nel caso dell'oscillazione armonica semplice lungo la direzione di
propagazione avremmo  un moto "a scatti" lungo  una traiettoria
rettilinea, con velcoità qundi non uniforme, ma periodicamente variabile..
Nel caso della vibrazione armonica lungo la perpendicolare alla
propagazione una traiettoria sinusoidale, e, nel caso del moto circolare,
tutte le possibili trocoidi (anche quelle non giacenti sul piano) a
seconda della giacitura del moto circolare rispetto alla propagazione e
della velocità del moto rotatorio rispetto a quello di traslazione lungo
la retta).
Ribadisco: prima di parlare di "particelle sui generis", con l'immane
sacrificio dei concetti della traiettoria, nonchè di causa ed effetto, è
doveroso sgombrare il campo da queste amenità.
Non mi pare sia stato fato.
Ciao.
Luciano Buggio
http://www.scuoladifisica.it
 
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