Esperimento della doppia fenditura: l'unico mistero quantistico

Esiste un esperimento che il premio Nobel Richard Feynman definì capace di contenere "l'unico mistero" della meccanica quantistica. Si chiama esperimento della doppia fenditura ed è tanto semplice da realizzare quanto vertiginoso nelle sue conseguenze: dimostra che una particella può comportarsi come un'onda, che osservare un fenomeno lo cambia, e che la materia, alle scale più piccole, non rispetta affatto il senso comune.

L'esperimento che umiliò Newton

Tutto comincia nel 1801, quando il medico e fisico inglese Thomas Young volle mettere alla prova l'idea, allora dominante, che la luce fosse fatta di minuscole particelle, come sosteneva Isaac Newton. Young fece passare un fascio di luce attraverso due sottili fenditure parallele e osservò ciò che si formava su uno schermo retrostante. Se la luce fosse stata composta da proiettili, avrebbe dovuto disegnare due semplici bande luminose. Invece comparve una serie di frange chiare e scure alternate: la classica figura di interferenza che si ottiene quando due onde si sovrappongono, rafforzandosi dove sono in fase e annullandosi dove sono in opposizione. Era la prova che la luce, almeno in quel contesto, si comporta come un'onda. Young presentò i suoi risultati alla Royal Society, gettando le basi della moderna ottica ondulatoria.

La svolta quantistica: una particella alla volta

Per oltre un secolo la storia sembrò chiusa: la luce è un'onda. Poi, nel Novecento, la fisica dei quanti complicò tutto. Si scoprì che la luce trasporta energia in pacchetti discreti, i fotoni, e che anche gli elettroni — particelle di materia a tutti gli effetti — mostrano proprietà ondulatorie. Qualcuno ebbe allora un'idea radicale: e se si sparassero le particelle una alla volta?

Il risultato è il cuore del mistero. Inviando un singolo elettrone verso le due fenditure, sullo schermo compare un unico puntino, come ci si aspetta da una particella. Ma ripetendo l'operazione migliaia di volte, i puntini non si accumulano dietro le due fenditure: poco a poco ricostruiscono la figura di interferenza a frange. È come se ogni singolo elettrone, da solo, attraversasse entrambe le fenditure contemporaneamente e interferisse con sé stesso. Nel linguaggio della fisica si parla di sovrapposizione di stati.

Questa versione non è un esperimento mentale. Il fisico giapponese Akira Tonomura e i suoi colleghi della Hitachi la realizzarono nel 1989, pubblicando sull'American Journal of Physics le immagini storiche in cui si vede la figura emergere puntino dopo puntino. Nel 2002 i lettori della rivista Physics World votarono proprio questo esperimento come "il più bello della storia della fisica".

Quando guardiamo, tutto cambia

C'è un colpo di scena ancora più sconcertante. Se installiamo un rilevatore per scoprire da quale delle due fenditure passa davvero ogni elettrone, la figura di interferenza scompare: sullo schermo ricompaiono le due semplici bande, come se le particelle avessero "scelto" di comportarsi da proiettili nel momento esatto in cui le osserviamo. L'atto stesso di misurare il percorso distrugge la sovrapposizione. È il celebre problema dell'osservatore della meccanica quantistica, che alimenta da quasi un secolo il dibattito sull'interpretazione della realtà fisica.

Attenzione: "osservare", in questo contesto, non significa che serva una coscienza umana. Significa che qualunque interazione fisica capace di estrarre l'informazione su "quale via" ha seguito la particella basta a far collassare il comportamento ondulatorio. Come ricorda la trattazione enciclopedica dell'esperimento della doppia fenditura, è proprio questo intreccio tra misura e realtà a rendere il fenomeno così difficile da accettare per l'intuizione.

Non solo luce: anche le molecole

Si potrebbe pensare che il dualismo onda-particella riguardi soltanto entità minuscole come fotoni ed elettroni. Invece gli esperimenti hanno mostrato l'interferenza anche con oggetti via via più grandi: atomi interi, poi molecole. Nel 2019 un gruppo dell'Università di Vienna guidato da Markus Arndt riuscì a osservare frange di interferenza con molecole composte da oltre 2.000 atomi, le più massicce mai messe in sovrapposizione fino ad allora. Il confine tra mondo quantistico e mondo "classico" continua a essere spinto sempre più in là.

Perché conta ancora oggi

L'esperimento della doppia fenditura non è una semplice curiosità da manuale. È la porta d'ingresso ai principi che oggi rendono possibili i computer quantistici, la crittografia quantistica e i sensori di altissima precisione. Soprattutto, resta il promemoria più elegante che la natura, nelle sue fondamenta, funziona in modo profondamente diverso da come ci appare. Come amava ripetere Feynman, nessuno "capisce" davvero la meccanica quantistica: possiamo solo imparare a convivere con il fatto che funziona, e che le sue previsioni non sbagliano mai.