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FISICA DELLA COSCIENZA
MQ 03. «Doppia Natura della Luce e della Materia»

Uno sguardo ai costituenti della realtà fisica


Nelle discussioni precedenti abbiamo visto come l'energia, grazie alle intuizioni di  Planck, Einstein e Compton ha dimostrato di avere una natura corpuscolare. Adesso andiamo a vedere un esperimento che mostra la natura ondulatoriadella luce e che ci fa capire come nell'energia sia presente un dualismo onda-particella. Vedremo assieme che questa doppia natura, paradossale ed enigmatica, può essere attribuita anche alla materia.

Prima di continuare diamo però uno sguardo alla realtà fisica e chiediamoci: di cosa è composta?

Essenzialmente la realtà fisica è formata delle due componenti appena citate: l'energia e la materia (che Einstein ha saputo mettere in correlazione tramite la nota formula E=mc2).
Le particelle materiali sono il substrato dei corpi e l'energia dice a queste particelle come interagire (ad es. se attrarsi o respingersi, se vibrare o se stare in quiete).

In fisica si conoscono 4 forze fondamentali che dicono alle particelle materiali come comportarsi (elettromagnetica, gravitazionale, nucleare debole e nucleare forte), le particelle che fungono da trasportatrici di queste forze sono evidenziate nell'immagine sottostante (fotoni, gravitoni, bosoni W e Z e gluoni).

  •   Le particelle quantiche che costituiscono la materia sono dette fermioni (da Enrico Fermi).
  •   Le particelle quantiche che fungono da mediatrici delle forze sono dette bosoni (da Satyendranath Bose).


Tra i fermioni troviamo i quark (che costituiscono il nucleo dell'atomo, cioè protoni e neutroni) ed i leptoni (dal gr. leptos sottile/ leggero - di cui i più noti sono gli elettroni); mentre i bosoni più famosi sono  sicuramente i fotoni, mediatori della forza elettromagnetica.


Tra i bosoni il gravitone è stato solo ipotizzato ma non trovato sperimentalmente,
tra i fermioni solo la "prima famiglia" partecipa alla costituzione della materia
come noi la conosciamo, le altre particelle possono essere prodotte
solo negli acceleratori di particelle in reazioni ad altissima energia.

 

La doppia natura della Luce



Adesso ci concentriamo sui bosoni, cioè sull'energia e in particolare sulla luce (energia elettromagnetica) in quanto è la più semplice da studiare. Abbiamo visto che la luce in alcuni esperimenti riproduce dei comportamenti che solo un corpuscolo può attuare, ma in altre circostanze si comporta nettamente come un'onda...

Nel 1803 il fisico inglese Thomas Young attua un esperimento in cui fa passare un fascio di luce da un foro e davanti a questo foro pone un pannello con due fenditure verticali, coperte da una stoffa. Dietro il pannello c'è un muro. Aprendo una fenditura il muro si illumina con la luce solare mostrando una striscia di luce, ma aprendo anche la seconda fenditura non compaiono due immagini luminose (corrispondenti alla forma delle fenditure), si osserva invece una serie di strisce alternate chiare e scure. Come è possibile?

L'alternanza di luci ed ombre corrisponde a zone, rispettivamente, di potenziamento (strisce chiare) e di annullamento (strisce scure) tra onde di energia interferenti fra di loro. E' un tipico fenomeno della meccanica ondulatoria e non può verificarsi con le particelle. Per questo i fisici dell'800 erano sicuri che la luce avesse una natura ondulatoria (sebbene in precedenza Newton avesse dato credito all'ipotesi corpuscolare).



Se la luce si fosse comportata come un corpuscolo avrebbe dato due immagini fessuriformi sullo schermo e non si sarebbe mai formato l'effetto di interferenza, tipico solo delle onde.


Il fatto che in un esperimento la luce abbia un chiaro comportamento ondulatorio ed in un altro un chiaro comportamento corpuscolare e che quindi la luce si comporti SIA come un'onda SIA come una particella, infrange il Principio di Non Contraddizione di Aristotele, secondo cui A deve essere diverso da non-A.
In questo caso, A corrisponde a non-A e questo è un fatto rivoluzionario, le cui implicazioni sull'interpretazione di come sia costituita la realtà sono ancora aperte e motivo di accesi dibattiti.

La doppia natura della Materia



Portiamo adesso l'attenzione sui fermioni (tra i quali l'elettrone è il più facilmente isolabile e studiabile). Mentre l'energia (in particolare i fotoni) era ormai chiaro che avesse questo strano dualismo onda-particella, la materia  sembrava ancora saldamente di natura corpuscolare.

Nel 1924, però, il fisico francese Louis de Broglie ipotizza che anche la materia possa manifestare proprietà ondulatorie e calcola la lunghezza d'onda di un quanto di materia (definita come lambda) , che corrisponde alla costante di Planck divisa la massa del quanto per la sua frequenza.

La sua teoria fu confermata nel 1927 dagli esperimenti sulla diffrazione degli elettroni di Davisson, Germer e Thomson: dunque anche i quanti di materia, oltre ad essere rilevati come particelle, potevano essere descritti da funzioni ondulatorie (con una loro lunghezza d'onda, una frequenza di vibrazione e la capacità di determinare fenomeni di interferenza e di diffrazione).


Ricapitolando...

Sia i componenti fondamentali dell'energia (i bosoni, quale ad es. il fotone luminoso) che i componenti fondamentali della materia (i fermioni, quali ad es. gli elettroni) presentano la strana particolarità di manifestarsi talvolta come onde e talvolta come particelle.
Questo strano comportamento è definito dualismo onda-particella ed è la causa di tutti i paradossi della meccanica quantistica che vedremo assieme nei prossimi capitoli!

 

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