Onde e particelle: la doppia natura della luce

Per la prima volta un esperimento mostra in una sola immagine la natura ondulatoria e quella corpuscolare della luce.

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Guardando questa foto un fisico potrà raccontarvi molto sulla doppia natura luce e sulla meccanica quantistica.|Fabrizio Carbone/EPFL

Una ricerca del Politecnico di Losanna dimostra che il comportamento ondulatorio e quello corpuscolare della luce possono essere rilevati contemporaneamente e nello stesso sistema fisico. Il lavoro dei ricercatori del Lumes (Laboratoire pour la microscopie et la diffusion d'électrons) coordinati da Fabrizio Carbone ha prodotto immagini suggestive che mostrano la doppia natura della luce contemporaneamente: onde e fotoni catturati insieme.

 

È un importante passo in avanti nella comprensione di questo complesso "oggetto" della fisica, a pochi mesi di distanza dallo studio della Princeton (Usa) che, con una differente tecnica di imaging, mostrava la luce solida.

Il 2015 è l'Anno Internazionale della Luce. Quest'anno cadono alcune importanti ricorrenze: i primi lavori di Fernel sulle onde luminose (1815), l'elettromagnetismo di Maxwell (1865), la teoria della relatività di Einstein (1915) e la scoperta della radiazione cosmica di fondo (1965).

Il modello standard della fisica descrive la luce sia come un'onda sia come flusso di particelle (i fotoni, o quanti di luce) in virtù dell'interpretazione quantistica derivata dagli studi di Einstein sull'effetto fotoelettrico (per i quali si meritò il Nobel per la Fisica nel 1921).

 

Fine di un tabù. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, sfata un tabù che finora aveva sempre resistito: la convinzione che la luce si comporti come un'onda oppure come una particella, a seconda del tipo di contesto considerato (il sistema fisico).

Un altro tabù sulla luce abbattuto di recente è quello sulla velocità dei fotoni (ossia della luce stessa).

Il sistema messo a punto dal team svizzero è costituito da un cavo metallico di dimensioni nanometriche (vedi La misura delle cose), bersagliato da un impulso laser. L'energia del laser viene trasferita alle particelle, che fanno vibrare il cavo, e allo stesso tempo permette alla luce di propagarsi in forma di onde lungo il cavo, in due direzioni opposte. Quando le onde si sommano, si genera un'onda stazionaria (che oscilla ma non si propaga nello spazio), ossia una sorgente di luce che irradia attorno al cavo.

 

La foto storica. Durante l'esperimento (raccontato in modo brillante nel video in inglese qui sotto) il team ha diretto in prossimità del nanocavo un fascio di elettroni: questi hanno interagito con la luce stazionaria, con il risultato di vedere variata la loro velocità. Il microscopio elettronico ha rilevato i rallentamenti e le accelerazioni degli elettroni, mostrando il fenomeno ondulatorio dell'onda. L'insieme di tutti gli elementi dell'esperimento ha dunque dimostrato la coesistenza di fotoni (che interagivano con gli elettroni) e di onde (che generavano l'onda stazionaria capace di interferire con la velocità degli elettroni).

 

Presentando i risultati dell'esperimento Fabrizio Carbone ha infine commentato: «Per la prima volta che siamo in grado di filmare la meccanica quantistica e la sua natura paradossale!».

 

03 Marzo 2015 | Martino De Mori