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Titolo: Dilemma onda corpuscolo

Da Wikipedia :
...
L'evoluzione temporale di un sistema quantistico, infatti, presenta le
caratteristiche tipiche delle onde (fenomeni di interferenza e diffrazione).
All'atto della misura viene osservato un comportamento corpuscolare, vale a
dire le grandezze estensive associate alla radiazione non vengono rilevate
come un flusso continuo, ma diviso in quanti (dal latino quantum, quantità,
da cui il nome della teoria). In questo modo, non si è costretti a dire che
la materia si comporta contemporaneamente come onde e particelle, che
sarebbe una contraddizione, ma che l'evoluzione della distribuzione delle
probabilità ha caratteristiche ondulatorie, mentre all'atto della misura si
riscontrano proprietà corpuscolari
...
Da quanto dice Wikipedia sembrerebbe che la natura corpuscolare e
ondulatoria non possano esistere insieme in una particella _quantistica_.
Invece io dopo tanti sforzi, e per me non fu banale, mi ero fatto l'idea
esattamente opposta. Cioe' : Una particella _quantistica_ e'
contemporaneamente onda e particella (dilemma onda corpuscolo), che a rigore
come dice Wikipedia e' una contraddizione in termini, ma cio' serve per dare
l'idea di concetti in realta' quantistici partendo da concetti classici. Le
particelle _quantistiche_ sarebbero una sorta di incrocio, di ibrido, tra
onda e corpuscolo. Possono essere fatti esperimenti che esaltano di piu' le
proprieta' ondulatorie, per esempio diffrazione da doppia fenditura, oppure
le proprieta' corpuscolari, es. l'esperimento di Taylor di inizio novecento
dove i fotoni apparivano sulla lastra come tanti puntini, quindi corpuscoli.
Pero' approfondendo il discorso, nei due casi, appare sempre l'altra natura
delle particelle _quantistiche_. Nel caso dell'onda puo' essere visto che
essa e' composta di tanti corpuscoli, es. effetto Compton, effetto
fotoelettrico, ecc. , mentre nel caso dell'esperimento di Taylor, che
sembrerebbe provare la natura corpuscolare delle particelle, si vede che
ripetendo tante volte l'eperimento i puntini alla fine ridanno la figura di
diffrazione. Mi spiegate meglio ? Ha ragione Wikipedia oppure va bene come
ho detto io ?
Grazie, ciao


Premetto che non ho sufficiente competenza in materia, così come di
tutta la fisica quantistica, quindi non ti aspettare La risposta.
Ma sono anche convinto che non sia molto facile averne; il dualismo
onda corpuscolo è un argomento che viene discusso (anche tra fisici di
alto livello) da una ottantina d'anni!
Per come la vedo io, non è possibile, come nel caso classico, separare
l'oggetto che viene misurato da ciò che lo misura, perchè il tipo di
interazione dipende da entrambi. Quindi, dire che un elettrone è onda
e particella, a parere mio, significa: "dato un elettrone E un
determinato tipo di apparato di misura, il tutto si comporta come
onda, in certi casi, o come particella, in altri". Il che significa,
secondo me, che, dato un'altro tipo di "apparato di misura"
l'elettrone potrebbe forse comportarsi anche in qualche altro modo.
Detto in altri termini, il come qualcosa si comporta, dipende dal modo
in cui "osservo" tale comportamento, e quando dico "osservare" non
intendo semplicemente "guardare", ma intendo quello che ho detto
prima.
Utilizzando una metafora, si potrebbe dire che, ad esempio, il modo in
cui una persona si comporta in seguito ad una richiesta di aiuto di
un'altra persona, dipende anche da quest'ultima, da come si pone, da
come fa la richiesta, da come si approccia, da come è vestita, ecc
ecc.
Altra metafora: qual'è il significato fisico di "colore di un corpo"?
Il colore che ha un corpo è una sua proprietà intrinseca, oppure
dipende dal tipo di luce che usi per illuminarlo?
In determinate condizioni di illuminazione, un cristallo della pietra
Alessandrite appare di colore verde, in altre appare di colore rosso.
Diresti allora che l'Alessandrite è "un ibrido di pietra rossa e di
pietra verde contemporaneamente"?
Riflettici bene.
Ciao.

 l'idea di concetti in realta' quantistici partendo da concetti classici. 
Se ci limitassimo alla visione di cui sopra, non potremmo accettare 
questa contraddizione in termini. Tuttavia non la scarterei, ma per 
motivi molto diversi da quello che citi tu. In effetti, mi sembra che se 
tu volessi dare l'idea di concetti quantistici partendo da concetti 
classici, ammettere che un singolo ente esista oggettivamente e 
simultaneamente come onda e corpuscolo porterebbe a notevolissime 
difficoltà logico/ontologiche e poi fisiche. Eviterei proprio, almeno in 
questa fase, di definire gli enti quantistici come elementi di realtà 
oggettiva partendo da concetti di realismo ingenuo. Andare poi ad 
attribuire diversi valori pre-assegnati a variabili nascoste (come 
matematicamente si potrebbe tradurre la tua visione simultanea 
onda-particella) creerebbe non pochi problemi di natura strettamente 
fisico-matematica (vedi teorema di Kochen-Specker).
Però, il motivo sostanziale per cui non è corretto escludere 
definitivamente la tua visione nasce da interpretazioni diverse della 
meccanica quantistica, come quella di Bohm del 1952.
Si definisce la meccanica di Bohm come una "interpretazione" della m.q., 
ma a rigore dovrebbe essere definita come una teoria diversa (a mero 
titolo esemplificativo, non ha bisogno di alcuni postulati di Von 
Neumann, e all'interno della teoria l'indeterminismo è puramente 
predittivo, non fondamentale), sebbene faccia le stesse previsioni 
sperimentali della m.q. non relativistica. Come forse saprai si tratta 
di una teoria non relativistica a variabili nascoste che con grande 
rigore sorregge il realismo, a costo di una non-località alla Einstein- 
Podolsky-Rosen. Ovviamente, considerati i risultati di Bell, Aspect ecc. 
(che Bohm non poteva conoscere, avendo formulato la teoria nel 1952, 
come non poteva conoscere le limitazioni imposte dal teorema di 
Kochen-Specker, e tutto ciò va a suo grande merito e sembra dotarlo di 
impressionante capacità profetica), non riusciamo a salvare il realismo 
ingenuo, ma solo un realismo non immediato basato sulla non-località. 
Secondo me questo è il motivo per cui Bohm rimase deluso quando 
sottopose la sua teoria ed Einstein che la trattò a dir poco con 
freddezza: per Bohm era un passo da giganti salvare il realismo e porre 
l'indeterminismo a livello non fondamentale, mentre Einstein sembrava 
poter tollerare solo il più elegante realismo ingenuo.
Per Bohm, sia la funzione d'onda, sia le particelle (dotate di posizione 
ben definita a qualsiasi istante di tempo) sono entità fisiche reali.
La funzione d'onda guida il moto delle particelle attraverso l'equazione 
pilota. Solo e soltanto la posizione delle particelle, e non il valore 
di qualsiasi altra osservabile, ha un ruolo privilegiato, per cui non si 
entra in una situazione di collisione con il teorema di Kochen-Specker 
(cioè non siamo in una situazione di "no-go"). In questo senso la 
dualità onda-particella è oggettiva: un ente quantistico, che ci sia un 
osservatore o no a misurarlo, è composto simultaneamente, in qualsiasi 
istante, da una particella (caratterizzata da posizione) e da una 
funzione d'onda. In questo contesto, e con le precisazioni riportate, la 
tua affermazione
 > Una particella _quantistica_ e' contemporaneamente onda e particella
è esatta.
Ti rimando a testi specialistici o ad ulteriore discussione per 
approfondire la meccanica di Bohm (o di deBroglie-Bohm, perché Bohm 
riprende la teoria di deBroglie del 1927 dell'onda pilota), che in un 
sol colpo risolve il problema del dualismo onda-particella da te citato, 
il problema del collasso, della misura e altro ancora. Come accade 
spesso, però, non c'è rosa senza spine, e la meccanica di Bohm è 
afflitta da altri problemi. Per di più, per brevità, il mio discorso non 
tiene conto che esistono interpretazioni diverse della teoria di Bohm 
(cosi come esistono interpretazioni diverse dell'interpretazione Many 
Worlds, dell'interpretazione della scuola di Copenhagen ecc... la 
meccanica quantistica è cosi affascinante e misteriosa che abbiamo anche 
le interpretazioni delle interpretazioni :-) ).
Ciao,
Paolo

 ...
Detto in modo un po' sommario, preferisco il tuo punto di vista a
quello di wikipedia, che non mi piace per niente.
Personalmente preferisco la posizione di Feynman (QED) che esprimo con
parole mie come segue:
Le particelle quantistiche sono particelle ... quantistiche.
Sono cioe' particelle che hanno prorieta' non descrivibili con la
fisica classica, e il "dualismo" e' un falso problema.
E' possibile misurare la posizione di una tale particella, ma ingenere
non in modo riproducibile.
Per la stessa ragione non ha senso atribuirle una "traiettoria".
Pero' non si puo' dire che si tratti di un'onda, sebbene presenti
delle prorieta' che nella fisica classica vengono attribuite alle
onde.
Scherzosamente dico a volte che sarebbe come dire che i delfini sono
pesci perche' vivono nell'acqua...
Se anche fosse vero che tutti gli animali che vivono nell'acqua sono
pesci (e in realta' non e' vero, ci sono tante altre cose :-) ) non
sarebbe lecito invertire l'implicazione.:)
Quanto all'esperimento di Taylor, non creo che lui abbia mai visto i
puntini. Si limito' a ridurre molto l'intensita' della luce,
aumentando in corrispondenza il tempo di esposizione (qualche mese)
per verificare che alla fine le frange d'interferenza erano le stesse
che otteneva con luce di normale intensita'.
Ma questa e' solo una notazione storica: quello che dici circa i
puntini che formano le frange rimane vero.
 
-- 
Elio Fabri

 ...
Ringrazio tutti per le risposte. Ma allora da quanto mi sembra di capire non
ci sarebbe ancora una interpretazione accettata da tutti circa  la natura
delle particelle _quantistiche_, io invece credevo di si ma che non
riuscissi a capirla proprio completamente. La meccanica quantistica allora
si potrebbe un po' interpretare come una sorta di "volo strumentale" con gli
aerei, quando i piloti per esempio, di notte, si devono affidare di quello
che dicono gli strumenti anche se cio' sembra contraddire quello che dicono
i sensi. Qui, nella MQ, l'analogo degli strumenti sarebbeto le equazioni, si
potrebbe dire : dopo tanti esperimenti si e' arrivati a questo insieme di
principi, con essi si possono prevedere tanti risultati ecc., si deve
accettare quello che dicono le equazioni (gli strumenti) anche se non si
riesce a vedere bene quello che succede (volo di notte).
Riguardo l'esperimento di Taylor sai per caso se e' stato realizzato in modo
che si vedessero veramente i "puntini" relativi ai fotoni ? Spesso in rete,
ma anche sui libri, si vedono foto di frange di interferenza ottenute con
tanti puntini fitti fitti, mi ero fatto l'idea che provenissero da
esperimenti reali
Ciao

 l'idea che provenissero da esperimenti reali
Non c'e' sicuramente problema. Ti posso citare due tecniche gia'
disponibili da tempo.
a) Eseguire fotografie come Taylor, ed esaminarle al microscopio, in
modo da vedere i singoli granelli di argento prodotti sulla pellicola.
b) Usare rivelatori elettronici (fotomoltiplicatori) che possono
contare i singoli fotoni.
I moderni rivelatori CCD realizzano poi una fusione delle due
tecniche, in quanto permettono l'analisi digitale dei fotoni ricevuti
sulla superficie.
 
-- 
Elio Fabri

 sulla superficie.
-- 
questo articolo e` stato inviato via web dal servizio gratuito 
http://www.newsland.it/news
 segnala gli abusi ad 
ab...@newsland.it

 quando il singolo fotone vi arriva.
ecco:
http://www.phys.uniroma1.it/DipWeb/web_disp/d5/dispense/capitolo5.pdf
buona lettura

 singolo fotone? E' così?
In sostanza, vorresti un breve corso sul processo fotografico :-)
Qualcosa ne so, perche ne n'ero occupato intorno a 30 anni fa, ma non
e' roba semplice...
Certamente l'emulsione fotografica e' una gelatina (trasparente) in cui
sono sospesi microcristalli di materiale fotosensibile (tipicamente,
AgBr). Questi microcristalli possono misurare qualche micron.
Un fotone che colpisca un microcristallo ne strappa un elettrone
(effetto fotoelettrico).
Per ragioni che non so, un singolo evento come questo non ha effetto:
l'elttrone perduto viene recuperato, Occorre l "cospirazione" dipiu'
fotoni, diciamo 4 o 5: allora si forma nel cristallo una
concentrazione stabile di ioni Ag+, la cosiddetta "immagine latente".
Questa puo' sopravvivere anche qualche anno, ma occorre comunque un
passo successivo di natura chomica per rendere visibile la vera
immagine.
Il passo chimico consiste nell'azione di un riducente (lo sviluppo)
che agisce solo sui cristalli sensibilizzati come sopra, e li
trasforma in "grumi" di Ag metallico. Sono questi i "granelli" che
vedi al microscopiose osservi un negativo sviluppato.
Il gioco chimico e' delicato, perche' anche i cristalli non
sensibilizzati possono essere attaccati dallo sviluppo, se gli si da'
tempo: per questa ragione lo sviluppo del negativo deve essere
accuratamente controllato in tempo e temperatura. (Queste cose le ho
fatte, quindi so di che cosa parlo :-) )
Il risultato finale e' comunque che ochi fotoni producono un granello
microscopico, che insieme a tanti altri produce l'immagine
macroscopicamente visibile.
 
-- 
Elio Fabri

 l'idea che provenissero da esperimenti reali
Non c'e' sicuramente problema. Ti posso citare due tecniche gia'
disponibili da tempo.
a) Eseguire fotografie come Taylor, ed esaminarle al microscopio, in
modo da vedere i singoli granelli di argento prodotti sulla pellicola.
Dunque, "fotografie come Taylor", significa che viene inviato un fotone
alla volta.
Adesso tu mi dici che un fotone solo non ha effetto.
Io avevo capito che per controllare l'esperimento con la debole emissione
attraverso l'ingrandimeno al microscopio bisognasse inviare il fotone e
poi ingrandire per vedere la macchiolina del granello di Ag: se il
rendimento è basso (supponiamo dell'1 per cento)  dovrò fare in media
cento prove per vedere la macchiolina.
Ma se più fotoni (4 o 5) devono cospirare non si tratta più
dell'esperimento di Taylor, ma di una normale esposizione della lastra ad
una emissione tutt'altro che debole (quanta luce devo inviare su di una
lastra estesa come lo schermo per la raccolta delle righe, perchè quattro
o cinque fotoni colpiscano insieme una regione ampia qualche micron?), e
che quindi qui non interessa. Nè posso intendere che i quattro o cinque
fotoni necessari possano arrivare anche in successione, a distanza di
tempo, in seguito a ripetute emissioni singole, sullo stesso cristallo,
visto che, come mi dici, l'elettorne fatto saltar via dal primo fotone
viene subito rimpiazzato.
A questo proposito aggiungo che non capisco quella percentuale di
successo, per quanto piccole (l'un per cento): se un fotone non produce
nessun effetto, come dici, allora l'efficenza è nulla. Se intendi invece
che l'efficienza si riferisca al caso in cui i fotoni coinvolti siano
quattro o cinque, come ho detto, la cosa non ci interessa: Taylor mandava
un fotone per volta.
In conclusione, ritengo che, se Taylor i suoi puntini luminosi non li ha
mai visti, nessuno li potrà mai vedere. Quel che ti può sconvolgere è
l'affermazione che non è vero che si formano successivamente puntini, con
la successiva emissione di "singoli fotoni".
Cordiali saluti.
Luciano Buggio
http://lucianobuggio.altervista.org/


 ...
La tua conclusione non segue da quanto ho detto.
 
-- 
Elio Fabri

 Il numero di granelli e' 1/100 del numero di fotoni.
scusa Elio, ma non capisco una cosa. Se conti i granuli di 
argento e trovi, che so, 80 granelli al mm2, come fai a dire che 
mancano 720 fotoni ? Voglio dire, ci sono tecniche alternative 
per le quali si sappia a priori (e se si, come si fa a saperlo a 
priori) avere efficienza del 100 % ?
ciao e grazie delle risposte
Soviet


 Il "subito" ce l'hai messo tu: io non l'ho scritto.
Scusa, Elio, ma credo che da come ti sei espresso, ed in mancanza della
precisazione quantitativa che fai con questa nuova risposta,  lo si
evincesse con certezza. Avevi detto che un fotone non ha alcun effetto,
aggiungento che l'elettrone fatto saltare via viene recuperato, dal che
uno capisce che non ha effetto proprio per questo (mentre, si intende, il
recupero non avverrebbe se più fotoni facessero saltare più elettroni, ed
Ag resterebbe stabilmente ionizzato). Inoltre, a proposito dell'azione
combinata di più fotoni, hai parlato di "cospirazione", che è il termine
meno indicato per rappresentare una serie si contributi successivi nel
tempo, come chiarisci ora. I cospiratori si riuniscono insieme, con
temporaneamente, nelle celle-loggie cristalline, mica vi arrivano uno dopo
l'altro quando il precedente se ne è uscito, e quando uno non ha
abbastanza fiato per spegnere una candela (la cui fiamma si inclina
provvisoriamente per poi subito raddrizzarsi), e chiede l'aiuto di altri
tre (altrettanto a corto di fiato) che "cospirino" con lui, mica chiede
loro di spirare singolarmente uno alla volta dopo di lui.
Questo dico non per pedanteria o rivalsa, ma perchè mi è sorto il sospetto
che anche tu, mentre mi scrivevi quella risposta, per distrazione o altro,
pensassi che serve la cospirazione simultanea di quattro o cinque fotoni
per ionizzare gli atomi d'argento del cristallo (ragionando da fotografo
come, dicevi di essere stato: infatti avviene senza problemi con sorgente
intensa)  e non ti rendessi conto che questo non può essere, perchè qui ne
arriva uno alla volta: ho pensato insomma (anche a seguito del ritardo con
cui è giunta, ma forse questo fa parte delle tue abitudini nel gruppo) che
la nuova risposta è nata da una tua riflessione successiva per mettere a
posto le cose. 
Ma se anche le cose stessero così, avrai bisogno di riflettere ancora,
perchè il bello, credo, viene ora.
Dici, spiegando come si misura l'efficienza:
"Spero di non sbagliare, ma direi che significa questo: da un lato conti
quanti fotoni sono arrivati sulla lastra, dall'altro quanti granelli si
vedono.
Il numero di granelli e' 1/100 del numero di fotoni."
Andrebbe bene, con una lastra supponiamo (a venirti incontro) di un cm^2
di superficie, se i cristalli in sospensione nella gelatina fossero, ad
occchio, un centinaio (te ne concedo anche duecento), e abbuonandoti anche
l'enorme dispersione di fotoni nei vuoti tra di essi.
Così, in effetti, la probabilità che lo stesso cristallo sia colpito in
successione per quattro cinque volte di seguito è dell'ordine che dici tu.
Ma leggo sulla Garzantina che i cristalli di alogenuro sensibile (grandi
circa un micron) sono in un cm^2 di lastra emulsionata da 500 milioni a
tre miliardi, a seconda della grana (più è fine, più cristalli ci sono).
Io non ho osato fare il calcolo della probabilità con questi numeri, ma mi
pare, a pensarci ora,  che siamo mediamente nell'ordine di uno su dieci
milioni.
Devi spedire 10 milioni di fotoni, a partire dalla lastra vergine, per
veder comparire con ragionevole certezza un puntino luminoso.
Tu evidentemente non hai fatto questo calcolo. Allora ti chiedo: quella
probabilità dell'1 per cento da te riportata è quella che risulta
sperimentalmente?
Ciao.


 efficienza del 100 % ?
Puoi fare per es. una misura calorimetrica.
Se lavori con luce monocromatica, sai che a un'energia E
corrispondera' un numero di fotoni pari a E/f.
 
-- 
Elio Fabri

 con un "buco" che si comporta come un corpo nero ?
vedi Bolometri.... sono raffreddati a pochi gradi kelvin o decimi di
Kelvin....
Pero' non sono esenti fenomeni in cui parte della radiazione viene
persa... a questo scopo per ogni lunghezza d'onda (cioe' bande... a
meno di possedere delle sorgenti mono-cromatiche o comque a banda-
stretta ex. laser...laser a elettroni liberi) si fanno delle
calibrazioni, calibrazioni intese nel misurare quanta radiazione viene
assorbita a partire da una quantita' nota di radiazione incidente....
Ad esempio parte della radiazione puo' non approdare sul rivelatore
raffreddato per motivi di scattering... quindi tali diffrazioni
andranno con la lunghezza d'onda (in maniera da relazionarsi alle
dimensioni della struttura) ed allora e' da usarsi una calibrazione
ponderata sulle varie lunghezze d'onda (su campionature di queste)
avendo la corretta dimensione quantitativa dell'intesita' radiativa in
ingresso..... e questo e' solo un pezzo della calibrazione.... a
seconda della precisione si devono considerare sempre ulteriori
correzioni:
le direzioni della radiazione in ingresso....
effetti in cui parte della radiazione rimbalza all'interno della
cavita' ma poi comque fuoriesce....
etci etci......

 risulta sperimentalmente?
Il calcolo non l'ho fatto. Ovviamente saprei farlo, ma onestamente non
ne ho molto tempo ne' voglia.
Mi limito a un'indicazione: hai idea di quanti fotoni ci siano in una
radiazione che arriva sulla pellicola da un corpo anche non
intensamente illuminato?
Tanto per darti un ordine di grandezza: prendi una stella di
magnitudine 0, come per es. Vega.
Bene: quella stella manda sulla Terra, ogni secondo e per ogni cm^2 di
superficie, qualcosa come 20 milioni di fotoni.
 
-- 
Elio Fabri

 ne ho molto tempo ne' voglia.
Se non l'hai fatto o non hai voglia di farlo tu, certamente deve essere
stato fatto da qualcuno, vista l'importanza della cosa: si tratta infatti
di stabilire, vista la grana della pellicola ed il meccanismo di
impressione (servono 4 o 5 fotoni successivi per produrre un unico
puntino, e nel nostro caso l'emissione è di un fotone alla volta), quanti
fotoni bisogna successivamente inviare perchè si formi l'immagine latente
di un cristalllo luminoso.
Ora il mio calcolo è sicuramente grezzo, ma, anche se mi sbagliassi di
ordini di grandezza, la probabilità che ne esce (l'efficienza, cioè,
dell'apparato) resta di diversi ordini di grandezza (milioni contro
centinaia) diversa da quella che si osserva sperimentalmente: sempre che
un centesimo sia effettivamente il dato sperimentale, cosa che ti ho
chiesto di precisare, senza però ottenere alcuna risposta.
Insomma, teoria e dato sperimentale, nell'esperimento a debole emissione
di Taylor, sono concordi? O nessuno ha mai calcolato il dato teorico, la
probabilità teorica del formarsi di un singolo puntolino luminoso ad ogni
singola emissione, e quindi da decenni si va avanti a rompersi la testa
per interpretare un dilemma (quello riproposto da questo thread) fondato
su di una distrazione?
Ti prego, non glissare anche ora, dimmi dove sbaglio. 
Lascia stare le stelle, i CCD e tutto il resto: abbiamo qui solo una
teroria dell'impressione fotografica, una sorgente monofotonica, una
normale lastra emulsionata, una camera oscura ed un microscopio.
Luciano Buggio.
