Molto tempo fa lessi un articolo scritto da Raymond Y.Chiao, Paul G. Kwiat e Aephraim M. Steinberg, pubblicato nel 1993 sulla rivista Nature, che mi affascinò davvero per le teorie esposte. Per questo scrissi questo mio riassunto, che ho ritrovato ed ho voluto proporvi. Tale riassunto riprende alcune delle teorie originali, esposte in maniera più semplificata, anche per i non "addetti ai lavori". Chissà se la lettura di questo testo non vi invogli ad approfondire le conoscenze nell'ambito della fisica quantistica, un campo davvero emozionante a parere dello scrivente.
Uno dei
principi basilari
della fisica, enunciato da A. Einstein, afferma che nulla si può
muovere
ad una velocità superiore a quella della luce, ma esiste un fenomeno
che
sembrerebbe, e dico solo sembrerebbe, mettere in crisi questo enunciato
fondamentale.
L'effetto in questione è il cosìdetto effetto
tunnel, per il quale un
particella
"svanisce" di fronte ad un ostacolo per riapparire dall'altra parte
dell'ostacolo
stesso.
Sono stati eseguiti degli esperimenti nei quali si
sono messi, per così dire,
a "gareggiare" due fotoni su percorsi di uguale lunghezza, registrando
i
tempi della "corsa". La diferenza tra i due percorsi
consisteva
nel fatto che uno dei due fotoni avrebbe incontrato sul suo cammino una
barriera. E' necessario fare ora una piccola digressione per
poter
spiegare in maniera completa il fenomeno.
Se
prendiamo in considerazione una qualsiasi palla di dimensioni
macroscopiche
in movimento, ad essa possiamo assegnare in ogni istante una posizione
nello
spazio. Unendo tutti questi intervalli è possibile quindi ottenere la
traiettoria
seguita dalla palla stessa, e ad ogni punto della suddetta traiettoria
è
possibile
quindi definire il valore della velocità (legata alla sue energia
cinetica). Se
questa
palla viene fatta rotolare su un piano che presenta un dosso, mentre la
palla
risalirà il dosso, la sua energia cinetica si trasformerà gradualmente
in
energia potenziale. Se la palla non possiederà originariamente una
sufficiente
quantità di energia per attraversare il dosso, essa rotolerà
inevitabilmente
all'indietro, in fisica questo dosso viene definito come
"barriera". Notate che
una barriera, in questo senso, può essere anche rappresentata da una
barriera energetica, e non per forza da una materiale.
Quando ci spostiamo invece nel campo della meccanica
quantistica, il concetto
stesso di traiettoria viene a cadere, in quanto non è più possibile
rappresentare
la posizione della particella mediante un semplice punto matematico. La
particella
viene più correttamente rappresentata mediante un pacchetto d'onda
diffuso,
che a partire dal bordo posteriore si innalza fino ad un valore massimo
per
poi decrescere fino al bordo anteriore. La probabilità di trovare una
qualsiasi
particella in una posizione è data dall'altezza massima dell'onda in
quell'intervallo,
mentre la larghezza del pacchetto d'onda costituisce l'incertezza
intrinseca
della posizione della particella. Se però la particella viene rilevata
in
una data posizione, allora il pacchetto d'onda intero sparisce. In più
non
possiamo avere informazione riguardo ove si trovava la particella
prima
di quel momento.
Abbiamo parlato di incertezza nella
posizione, questo significa che se una
particella è posta di fronte ad un barriera, essa possiede una
probabilità,
seppur
piccolissima, di trovarsi dal lato opposto dell'ostacolo, questo prende
appunto
il nome di "effetto tunnel". La barriera rimane comunque
intatta.
Se difatti una particella si trovasse all'interno dell'ostacolo la sua
energia
cinetica sarebbe negativa, e siccome la velocità è proporzionale alla
radice
quadrata del'energia cinetica, non saremo in grado di estrarre la
suddetta
radice. Quindi non è possibile attribuire una valore di velocità reale
alla
particella all'interno della barriera.
L'esperimento descritto all'inizio fu eseguito utilizzato una sorgente
luminosa in grado di emettere una coppia di elettroni alla volta. La
funzione
della barriera fu svolta da uno speciale specchio in grado di
riflettere
fino al 99% della radiazione incidente con energie specifiche. Alla
fine
di ogni percorso fu posto un foto-rivelatore. Nella maggiorparte dei
casi
quando
il fotone incontrò la barriera esso venne respinto indietro, ed il
rivelatore
fornì una risposta negativa. Ma in alcuni giorni di osservazione si
notò
che oltre un milione di fotoni furono in grado di attraversare
l'ostacolo
posto
sul suo cammino.
La cosa più strana è che, confrontando i
tempi di arrivo dei due fotoni quando
anche il fotone B attraversava la barriera, si vide che in media
arrivavano
prima i fotoni che avevano attraversato la barriera stessa! Eseguendo
un
calcolo sulla velocità del fotone B, si arriva al risultato di una
velocità
di percorrenza del percorso 1,7 volte superiore a quella della luce.
Per dimostare e spiegare che questo dato è solo apparente ma non
corrisponde
alla realtà, è possibile riccorrere ad un'altra semplice metafora, vi
ripropongo
quella esposta nell'articolo originale in quanto, a mio parere, esprime
in
maniera molto chiara quello che avviene.
Immaginiamo i due fotoni A e B rappresentati da due tarturughe.
La forma del guscio esprime la forma del pacchetto d'onda diffuso
esposto
prima. Le due tartarughe presentano il naso esattamente sulla linea di
partenza,
quando viene dato il via le due tarturughe cominciano il loro percorso.
Il
naso rappresenta una probabilità estremamente piccola di trovare la
particella
in una posizione. La tarturaga A compie il suo percorso indisturbata,
mentre
la tartaruga B, quando incontra la barriera, si suddivide in due
tartarughe
più piccole: una delle due viene riflessa indietro, mentre l'altra
attraversa
la barriera (la chiameremo tartaruga C ). Queste due tartaruge
"parziali"
esprimono in effetti la distribuzione di probabilità del fotone
singolo.
La tartaruga che viene riflessa ha una dimensione maggiore
rispetto alla
tarturuga che ha attraversato la barriera perché le probabilità che il
fotone
venga riflesso sono molto maggiori (quel 99% di riflessione).
Si osservi come i due nasi delle tartarughe A e C siamo sempre
allineati,
nessuno dei due arriva prima dell'altro, entrambi si muovono alla
velocità
della luce. Ma la posizione del fotone è meglio espressa dal picco
dell'onda
(dalla sommità del guscio, probabilità maggiore), quindi benchè i due
nasi
siano sempre alla pari, il fotone C possiede maggiore probabilità
di giungere
all'arrivo prima del fotone A. Si vede difatti come la sommità del
guscio
C
presenti un vantaggio rispetto alla sommità del guscio del fotone A.
Non si è quindi ritenuto che una parte del pacchetto d'onda si muova ad una velocità superiore a quella della luce, semmai che avvenga una sorta di ridistribuzione del pacchetto lungo il cammino. Ma per quale motivo avviene il fenomeno della ridistribuzione ? Per spiegare l'effetto tunnel rapido si può partire da un indizio. Secondo la teoria, l'aumento della lunghezza del barriera non comporta un aumento del tempo di attraversamento del pacchetto d'onda. Più breve è il tempo dedicato allo studio di un fotone e minore è la precisione nell'ottenimento di informazioni sulla sua energia. Quando un fotone si trova davanti ad una barriera, anche se non ha energia sufficiente per attraversarla, in un certo senso esiste un piccolissimo intervallo di tempo nel quale il suo valore di energia non è definito, in questo intervallo è come se il fotone potesse prendere in prestito una quantità di energia sufficiente per attraversare la barriera. La durata di questo periodo dipenderebbe solo dall'energia presa in prestito, e non dalla lunghezza da attraversare della barriera, il tempo di transito all'interno dell'ostacolo è sempre il medesimo.
(Articolo originale scritto da
Raymond Y.Chiao, Paul G. Kwiat ed
Aephraim M. Steinber)
Links interessanti:
http://it.wikipedia.org/wiki/Principio_di_indeterminazione_di_Heisenberg
http://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_tunnel