6 gennaio 2013 domenica 07:18
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seconda parte degli appunti che ho scritto nei giorni scorsi in Germania sul libro di Anton Zeilinger, La danza dei fotoni. Da Einstein al teletrasporto quantistico, La biblioteca delle Scienze, Milano 2012; l’insieme degli appunti si potrà leggere inserendo “Zeilinger” in “Search” in alto a destra nella testata del blog).
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Da due secoli la ricerca si dibatte attorno al dilemma irrisolto della natura della luce, se corpuscolare oppure ondulatoria: tra i sostenitori della prima tesi Newton, Einstein, Lewis, che chiamò questi “corpuscoli” fotoni; tra i sostenitori della seconda Houk e Young, che la dimostrò in maniera definitiva con l’esperimento delle frange di interferenza, cioè con la scoperta dello strano comportamento di un fascio di luce fatto passare attraverso una doppia fenditura, che produce una illuminazione a bande chiare e scure alternate, chiara dimostrazione del carattere ondulatorio della luce stessa, dato che se questa avesse natura strettamente corpuscolare questo risultato non potrebbe essere spiegato in alcun modo – Zeilinger p. 19).
A sua volta Einstein interpretò invece come prova del carattere corpuscolare della luce il fatto che le formule matematiche scoperte da Boltzmann per descrivere l’entropia di un gas in un contenitore – e il gas è formato di corpuscoli, le molecole – sono identiche a quelle scoperte dopo da Wien, in maniera indipendente e senza metterle in relazione con la prima, per descrivere l’entropia di una radiazione in un volume; da cui Einstein dedusse la loro identica natura corpuscolare.
In questo modo Einstein aprì la strada ad un dilemma che da allora affligge i fisici e gli studenti delle scuole: la natura al tempo stesso ondulatoria e corpuscolare della luce, cioè la convivenza all’interno dello stesso fenomeno fisico di due aspetti incompatibili fra loro, almeno per la mente umana.
Da cui derivano decenni di lamentazioni, da parte delle menti umane stesse, della natura ambigua, beffarda ed impenetrabile della realtà, anziché sui limiti propri medesimi di conoscitrici imperfette della realtà e di interpreti incompiute.
Ma a me sembra perfettamente ovvio che, se le particelle consistono a loro volta di quanti e si comportano in questo modo, i quanti non possono corrispondere all’idea democritea e newtoniana di atomo con massa e posizione certe, come se ne fossero una semplice frammentazione, una semplice parte di atomo, ma ancora più piccola.
Se come insieme corpuscolare esse si comportano come un’onda, vi è una sola interpretazione possibile: che le particelle subatomiche abbiano natura probabilistica, come del resto vedremo meglio fra un po’ parlando del principio di indeterminazione di Heisenberg.
La particella stessa altro non è che la condensazione in un punto particolare, in un quanto, dell’onda della probabilità.
Va dunque corretta la nostra idea di particella, evitando di estrapolarla dal mondo della nostra esperienza immediata.
Ma una simile trasposizione va evitata anche per quanto riguarda la nostra immagine mentale di onda, per la quale costantemente ritorniamo alla figura del sasso scagliato in uno stagno: inadeguata, e non solo perché la superficie dello stagno è bidimensionale e l’onda di cui parliamo ha invece tre dimensioni, per non dire quattro, ma anche perché quell’onda, pur sempre fatta di atomi e molecole, è omogenea in quanto consistente di materia omogenea, ed invece l’onda corpuscolare del livello subatomico è discontinua e contiene delle concentrazioni evidenti dell’energia che la compone.
Stuttgart, 25. Dezember 2012
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peraltro la contraddizione stessa che venne proposta da Einstein quando reintrodusse nella fisica la teoria corpuscolare della luce, che sembrava oramai superata, nasce dalla sua convinzione che la materia stessa abbia natura corpuscolare classica.
questo appare per Einstein un dogma indiscutibile, per cui la verifica di leggi omogenee fra il comportamento della luce e quello di un gas lo porta a dedurre dal secondo la natura pure corpuscolare della luce.
ma la contraddizione non potrebbe risolversi dicendo che anche la materia al livello atomico ha carattere ondulatorio? sempre parlando ovviamente di quel particolare concetto di ondulazione quantistica che ho accennato sopra e che non è l’esatto equivalente dell’ondulazione macroscopica?
in questo caso occorrerebbe ammettere che anche gli atomi, non solo le particelle che li compongono, si comportano come onde, esattamente come il fotone.
questo non presenta difficoltà concettuali se parliamo delle particelle che compongono l’atomo, dato che esse hanno natura in qualche modo omogenea a quella del fotone; ma suscita domande decisamente inquietanti se dovessimo ammettere che la stessa indeterminazione quantistica che determina l’aspetto del fotone come oscillazione di probabilità nella collocazione spaziale si estende anche agli atomi e alle molecole.
e almeno apparentemente contrasta con il fatto che di alcuni aggregati atomici particolarmente complessi si riescono ad avere delle immagini.
ecco però una di queste immagini:
se questo è il risultato dell’osservazione di un atomo, è possibile conciliare queste informazioni visive col concetto classico, democriteo, di atomo?
si dice che anche gli atomi si muovono, ma forse questa è soltanto una interpretazione “materialistica” di una oscillazione probabilistica che si estende anche a loro, a partire dalle particelle che li compongono.
ma se, come leggo altrove, “le molecole significano restrizioni al movimento individuale degli atomi”, ciò non dovrebbe rappresentare una forma di stabilizzazione in senso deterministico almeno degli aggregati atomici?
ecco una foto che si pone su questa scala:
Micrografia a emissione di campo di un’interfaccia verticale tra austenite e ferrite bainitica. (b) Immagine ottenuta utilizzando soltanto gli atomi di ferro. (c) Immagine ottenuta utilizzando soltanto gli atomi di silicio. (d) Immagine ottenuta utilizzando soltanto gli atomi di carbonio.
da Bhadeshia e Waugh, Acta Metallugica, volume 30 (1982) 993-998.
non si tratta di foto semplicemente un poco sfuocate: il fatto che tali appaiano è il risultato visivo della natura probabilistica che coinvolge, pur se in grado minore, anche l’atomo stesso come struttura composita.
nel passaggio dall’osservazione della struttura interna dell’atomo a quella di aggregati atomici già organizzati in molecole, si vede con evidenza, rispetto alla foto precedente, una notevole stabilizzazione del movimento probabilistico che va attribuito anche agli atomi, ma non una sua completa eliminazione.
rimane comunque irrisolto il problema che la vibrazione quantistica dei fotoni e quella degli aggregati atomici può comunque esser descritta attraverso leggi strettamente analoghe.
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afo:
Una molecola è più stabile di un atomo (piccolo) o un elettrone perché ha più massa. Tutti i corpi dell’universo sono in fondo ondulatori, solo che in certi casi questa loro natura non è osservabile.
wikipedia Diffrazione di particelle
wikipedia Lunghezza d’onda di De Broglie
Se per esempio immagino un universo con costante quantistica (di Planck) abbastanza alta, di fronte ad un muro con fenditure abbastanza piccole un elefante si comporterà esattamente come l’elettrone, dando dall’altra parte una figura di interferenza.
quindi su piccola scala forse non ha nemmeno senso parlare di “particella” come un corpo solido e regolare.
caro afo,
i tuoi due link sono preziosi, e nel primo leggo:
La lunghezza d’onda è caratteristica di qualsiasi oggetto materiale, anche se è rilevabile solo per entità con piccola massa, come gli atomi e altre particelle.
Recentemente, è stata osservata la diffrazione di un particolare tipo di fullereni chiamato buckyball ; il prossimo obiettivo della ricerca sarà quello di osservare la diffrazione dei virus, i quali, avendo molta più massa delle particelle elementari, hanno una lunghezza d’onda inferiore, cosicché devono attraversare molto lentamente una fenditura estremamente sottile affinché manifestino caratteri ondulatori.
Persino la Terra ha una sua lunghezza d’onda (in effetti, qualunque oggetto dotato di una quantità di moto la possiede): avendo una massa di circa 6×1024 kg e una velocità orbitale media di circa 30000 ms−1, essa ha una lunghezza d’onda di De Broglie pari a 3.68×10−63 m.
dunque, ecco una risposta molto precisa ai miei dubbi: i fenomeni di interferenza ondulatoria e di diffrazione quantistica non riguardano solo il mondo delle particelle e in misura minore degli atomi e delle molecole, ma l’insieme degli oggetti reali; solo che essi sono realmente osservabili con relativa facilità solo al livello subatomico e l’osservazione di oggetti più complessi coinvolti dallo stesso fenomeno procede solo lentamente con nuove acquisizioni per realtà più complesse delle particelle elementari, dove esso diminuisce via via di rilievo al crescere della complessità dei corpi.
a me questo rende ancora meno comprensibile la concezione di Einstein su questo punto.
Cor-pus 
Reblogged this on Pier Carlo Lava.
http://it.wikipedia.org/wiki/Diffrazione#Diffrazione_di_particelle
Una molecola è più stabile di un atomo (piccolo) o un elettrone perché ha più massa. Tutti i corpi dell’universo sono in fondo ondulatori, solo che in certi casi questa loro natura non è osservabile.
http://it.wikipedia.org/wiki/Lunghezza_d%27onda_di_De_Broglie
Se per esempio immagino un universo con costante quantistica (di Planck) abbastanza alta di fronte ad un muro con fenditure abbastanza piccole un elefante si comporterà esattamente come l’elettrone dando dall’altra parte una figura di interferenza.
quindi su piccola scala forse non ha nemmeno senso parlare di “particella” come un corpo solido e regolare.
caro afo,
i tuoi due link sono preziosi; dunque, ecco una risposta molto precisa ai miei dubbi: i fenomeni di interferenza ondulatoria e di diffrazione quantistica non riguardano solo il mondo delle particelle e in misura minore degli atomi e delle molecole, ma l’insieme degli oggetti reali; solo che essi sono realmente osservabili con relativa facilità solo al livello subatomico e l’osservazione di oggetti più complessi coinvolti dallo stesso fenomeno procede solo lentamente con nuove acquisizioni per realtà più complesse delle particelle elementari, dove esso diminuisce via via di rilievo al crescere della complessità dei corpi.
a me questo rende ancora meno comprensibile la concezione di Einstein su questo punto.
siccome mi sento molto insicuro nel pubblicare questi appunti che forse sarebbe meglio lasciare personali, mi confortano tuttavia le tue osservazioni; in questo caso mi hai fatto capire immediatamente un aspetto centrale del problema.
grazie.
credo che sarebbe invece interessante che tu continuassi a pubblicare gli appunti su questo argomento. Tanto al massimo a commentarti quei post sarò io che ne capisco anche meno di te… quindi non rischi nessuna figuraccia (in fondo non siamo fisici).
il dubbio riguarda la doppia natura della luce vero? In teoria la luce è entrambe le cose. Si potrebbe immaginare (in via del tutto non ufficiale) che per dimensioni estremamente piccole lo spazio non sia più continuo. Quindi una “particella” ha pochi punti ammessi disposti in un determinato modo. Quando si sposta (ruota, vibra ecc ) deve saltellare continuamente tra i punti a lei ammessi. Questo fa si che la particella sia un’onda. Quindi lo spazio è un po’ come lo schermo della TV: da lontano sembra un’insieme continuo però da vicino è fatto di miliardi di puntini colorati separati. Quindi se immagino un fascio di luce che si sposta in linea retta, in realtà a livello atomico le “particelle onde” fanno una specie di zig-zag tra punti ammessi più vicini alla traiettoria ideale (e si comporta da onda).
sì, mi pare che ci siamo con la tua ulteriore spiegazione, azzeccatissima ancora una volta: abbiamo uno spazio a pixel, che diventa una superficie continua solo nella mente dell’osservatore.
credo che questo dialogo sia veramente utile; quindi, con tutti i rischi di dire delle boiate, credo che sarà bello continuarlo: lasciami soltanto il tempo di rielaborare gli appunti prima di pubblicarli qui, per evitare brutte figure troppo numerose (anche se sono convinto anche io che tu sia l’unico mio lettore di questo tipo di post, ;)).
occorre anche aggiungere, però, che in una realtà fatta a pixel, nella quale il movimento di una particella può essere pensato come l’attivazione di pixel di spaziotempo diversi, la scelta dei pixel non è determinata, ma – entro certe limitazioni – casuale, come ben dimostra il passaggio dell’elettrone attraverso la doppia fenditura.
Oggi dopo aver letto sull’estintore del treno “CIODUE” ho cominciato a sentirmi un genio visto io conosco persino la formula dell’anidride carbonica. Se sono l’unico lettore di questi post un motivo che non dipenda dalla nostra bravura per quel che riguarda l’argomento ci sarà 😀
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Comunque l’interpretazione dello spazio come un campo discontinuo è in realtà una mia idea (o comunque non l’ho mai letta da nessuna parte). Per quanto riguarda la doppia fenditura ho cercano di applicare lo stesso ragionamento. Prima di tutto le fenditure affinché l’esperimento funzioni devono essere abbastanza strette. Però ad un certo punto le pareti occuperanno posizioni ammesse che l’elettrone avrebbe usano per spostarsi in “linea retta”. L’elettrone a quel punto sarà costretto a scegliere le posizioni ammesse più vicine per poi continuare il percorso di prima, solo che a quel punto quello che lui pensa sia il suo percorso “rettilineo” è cambiato di un certo angolo (o suoi multipli) a seconda di quante volte è stato costretto a scegliere il percorso alternativo più breve.
Non prendere le mie spiegazioni sul serio 🙂
aspetta, l’estintore del treno “CIODUE” che cos’è? spiegati meglio…
secondo me, per evitare di pensare che l’elettrone nello spazio discontinuo “a pixel” probabilistici “pensi”, occorre pensare (bello il gioco di parole, eh?) che l’elettrone sia per sua natura, come scrivevo, non una particella, ma un’onda di energia che attiva alcuni pixel probabilistici contigui.
in altre parole l’elettrone, ovviamente, non si muove su pixel paralleli solo quando si trova di fronte alla fenditura, ma sempre.
solo che noi ce ne accorgiamo soltanto quando passa attraverso la doppia fenditura….
sarebbe questo:
serve a spegnere gli incendi a bordo del treno e credo fosse a base di anidride carbonica. Siccome non sono tantissimi quelli che conoscono la formula dell’anidride carbonica hanno scritto sulla bombola “CIODUE” (CO2). Ovviamente la scritta dovrebbe aiutare, a meno che tu non sia straniero senza sapere l’italiano (a quel punto troverei più utile leggere il 2 e non “DUE”).
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non conta tanto come si immagina un certo fenomeno (infatti a me piace pensare che gli atomi siano formati da scimmie che si lanciano banane a vicenda 😀 ) l’importante è che i mattoni della teoria siano coerenti tra loro e con le prove sperimentali (anche logiche).
Ovviamente se ammetti uno spazio “discontinuo” risulta un po’ forzato introdurre la tipica idea di onda. Sarà piuttosto una specie di sciame di api che da lontano può sembrare un unico corpo ma da vicino sono solo singole api (quindi entità ben definite- particelle). Allo stesso tempo non potrebbero essere particelle perché in fondo non sono “localizzate” (il nostro è uno spazio-tempo non fisso).
Non mi chiedere però coma fa un’elettrone a interferire con se stesso passando contemporaneamente da entrambe le fenditure 😉 . Potrebbe essere che per passare dall’altra parte scelga il più vicino pixel che gli permetta di attraversare contemporaneamente entrambe le fenditure (anche se lontano qualche centimetro). Oppure tutto quello che ho sostenuto fin’ora non ha alcun senso perché lo spazio è continuo e l’elettrone è semplicemente una “strana” onda 😉
il punto essenziale è che, se lo spazio è fatto a pixel, anche le particelle sono fatte a pixel: quindi la particella di pixel, arrivata davanti alla doppia fenditura, si divide in due gruppi di pixel distinti.
i pixel di cui parliamo non sono proprio come i pixel della tv, perché sono addensamenti e non contrapposizioni di pieno e vuoto; quindi assommandosi mantengono un carattere ondulatorio: non cerco queste astruserie per gusto del difficile, ma giusto perché bisogna metterli d’accordo con gli esperimenti…
e inoltre sono pixel di probabilità, non di realtà.
la realtà nasce soltanto a un livello di complessità molto maggiore, quando l’indeterminazione e l’oscillazione quantistica diventano trascurabili, soprattutto quando c’è una mente in grado di conoscerla, cioè di definirla.
queste sono le mie ipotesi….
non vorrei averti portato fuori strada con questa idea dello spazio discontinuo…
provo quindi a correggere l’errore passandoti un link con storie più reali
http://digilander.libero.it/roberto20129/esperimenti/interferenzaquantistica.html
ma no, non direi – comunque c’era un errore di battitura nel commento, che poteva sviare il senso; ora ho corretto e anche integrato, il risultato è più preciso.
naturalmente anche l’esempio dei pixel è una metafora che non corrisponde perfettamente all’originale, come dicevo sopra, ma a me pare che possa contribuire ad aprire la mente a qualche raffigurazione comprensibile della struttura profonda della realtà, che è molto diversa dalla raffigurazione che la mente si fa della realtà comune.
e adesso vengano i neohegeliani a sostenere che il reale è razionale e il razionale reale. 😦
se penso alla recente disputa che ho avuto sul blog con un importante filosofo italiano del diritto sul tema mi scappa da ridere: devo dire che negli ambienti filosofici italiani domina semplicemente l’ignoranza.
quanto all’articolo a cui rimanda il link, è molto impegnativo e mi riservo di tornarci su.
Importante filosofo? Dove li trovi tutti questi personaggi? 😀
@ afo
tranqui, sono loro che trovano me.
comunque mi ha mandato a quel paese, dichiarandomi aggressivo e insopportabile, nel giro di tre settimane! 😉
immagino sia stata una discussione molto interessante…
tre settimane e non siete riusciti a mettervi d’accordo? A dire la verità non so quanto durano in media le discussioni filosofiche quindi non saprei se è tanto o poco 😀
dovessi proprio aver voglia di dargli un’occhiata (ma non credo), inserisci “Corradini” nel motore di ricerca in testa al blog… 🙂
le cose non sono andate proprio come pensi tu: il professor Corradini ecc. ecc., che insegnava all’università di Pisa prima di andare in pensione, è un filosofo del diritto; quindi ci siamo incontrati su questo blog e siamo andati d’amore e d’accordo per tre settimane mentre commentavamo d’accordo l’assurdo ricorso del presidente Napolitano alla Corte Costituzionale (che poi gli ha dato ragione!).
è qui che a un certo punto fu nominato Hegel e io ripetei quel che ne penso, e il castello della collaborazione crollò all’istante: se il blog non fosse stato mio, sarei stato espulso per antihegelismo; visto che lo era se ne andò il professore sbattendo la porta.
parte di questa discussione si sta del resto riproponendo in queste ore con un’altra blogger decisamente interessante e colta, e in parte se ne è parlato anche discutendo con maria.
per me il rifiuto dell’hegelismo è un passaggio fondamentale, per la costruzione di una teoria complessiva della decrescita felice…
quanto al mettersi d’accordo con qualcuno discutendo mi pare però che sia un obiettivo altrettanto difficile che pretendere di fare il formaggio ammazzando il maiale… )
Direi che al momento non potrei leggere la vostra collaborazione con la giusta concentrazione per mancanza di tempo. E poi io di filosofia ci capisco veramente poco. Di Hegel mi ricordo principalmente il trauma (non saprei dirti perché il cervello ha scelto quello come ricordo principale) subito al Liceo quando lo studiai per 3 giorni e 3 notti di fila 😀
Per quel che riguarda la Decrescita ci sono ancora molti punti oscuri, che credo la filosofia non possa risolvere. L’economia di oggi è una vera e propria scienza (imprecisa, statistica… ecc).
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Non concordo con la tua ultima affermazione. Cioè quante volte discutendo siamo riusciti pur partendo da idee diverse trovare strade comuni. Ovvio che poi se uno dei partecipanti alla discussione non è disposto a cedere nemmeno un millimetro della propria posizione alla fine il confronto si trasformerà solo in una perdita di tempo. Però anche quando non ci si riesce a mettere d’accordo, non vedo perché uno deve andarsene sbattendo la porta. La pluralità di idee, purché fondata in qualche modo, sono una ricchezza.
chissà che cosa ricordi di Hegel dopo quella performance…: la performance tua, direi.
sulla decrescita un commentatore che mi è molto vicino mi ha indirizzato oggi verso un autore fondamentale, il cui testo base sarà pubblicato prossimamente anche in Italia e mi ha indicato poi di persona anche l’esistenza di una associazione italiana che lavora sulla sua opera: Nicholas Georgescu-Roegen (Costanza, 4 febbraio 1906 – Nashville, 30 ottobre 1994), ti dice niente? pensa un po’ che il principale precursore di questa idea è un romeno…, che naturalmente mi propongo di studiare prossimamente.
se vai nei commenti al post https://bortocal.wordpress.com/2013/01/12/diseguaglianza-contro-natura/ ne saprai di più.
quanto alle tue ultime osservazioni, non mi riferivo certo a noi due; stavo ironicamente tirando le conclusioni di una serie di esperienze sul blog come quella che ti ho raccontato.
al giorno d’oggi l’europa non ha un’idea molto positiva dei romeni. Sicuro di voler affidare le basi della tua teoria a un romeno? In fondo l’Europa dell’Est nella storia che viene studiata a scuola (italia) è un po’ assente. Sarebbe bello far vedere che c’è qualche importante pensatore anche da quelle parti 🙂
lo leggero anch’io quando troverò un po’ di tempo. Sembra una lettura molto interessante.
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di Hegel mi ricordo di non leggerlo mai più, a meno che non sia interessato a comunicare con gli spiriti 😀
ah ah, mi piace quella su Hegel. 🙂
su Georgescu-Roegen ci sentiremo in futuro di certo; tra un po’ mi arriverà in prestito una sua opera minore comunque tradotta in Italia.
se hai tempo dai un’occhiata anche alle altre due puntate della anomala recensione nel frattempo pubblicata… 😉
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L’ha ripubblicato su cor-pus-zero.
L’ha ripubblicato su Cor-pus.