Dubbi sulle particelle

[siddy98]

Sto studiando, da un libro di chimica per le superiori, le basi della teoria atomica e i vari modelli che si sono succeduti. Fino a poco fa pensavo che quello di Rutherford fosse quello giusto perché così mi era sempre stato illustrato l'atomo negli studi precorsi, ma ora scopro che non è esatto. Ora, non essendo il libro rigoroso e dettagliato (ovviamente) mi sono rimasti parecchi dubbi che spero possiate aiutarmi a risolvere, uno di questi è: com'è fatto un elettrone? Io li ho sempre immaginati come delle piccole sferette, delle palline per così dire, poi leggo del dualismo onda-particella, e facendo qualche ricerca trovo questo video:
https://www.youtube.com/watch?v=ziiGExH3CNM
Al minuto 2.58 dice "non c'è nulla di duale" , a 7.32 dice che l'insieme delle ondine al centro è un elettrone, e subito dopo "questa è la prova provata, si vede, che l'elettrone non è una pallina..." e ancora a 10.53, parlando dell'effetto tunnel, "non c'è buco, perché non c'è pallina". Considerando chi è a parlare, sarebbe difficile continuare a pensare che l'elettrone sia una pallina, però, facendo qualche altra ricerca, trovo questo:
http://www.nature.com/nature/journal/v4 ... 10104.html
La prima frase dell'abstract di questo articolo, che dubito sia una panzana data la rivista su cui è pubblicato, è "The shape of the electron is predicted to be slightly aspheric", e verso la fine dice "This result... indicates that the electron is spherical at this improved level of precision", ma quindi se l'elettrone è sferico allora è una pallina! Come si conciliano le due affermazioni? Come dovrei immaginarlo l'elettrone? Come una pallina? Come un onda? Come una pallina che a volte si trasforma in onda? Ma soprattutto, se è un'onda o una pallina che diventa onda, che cos'è che ondeggia? Perché l'onda non è qualcosa di fisico, un corpo, è una traiettoria...insomma, le onde del mare si chiamano così perché assumono, appunto, la forma di un'onda. Anche le onde sonore sono le particelle d'aria che urtandosi si propagano. Il mio libro (come molte delle risposte che ho cercato su internet) liquidano la questione con un "in alcuni esperimenti sembrano essere palline, in altri onde. Punto.", ma non mi sembra un'affermazione molto onesta, sarebbe come liquidare questioni importanti sulla natura delle particelle con un semplice "il mondo microscopico funziona diversamente da quello macroscopico" (per carità, è vero, però non significa che cambiando scala tutto diventi irrazionale)

Grazie in anticipo per le risposte

[Studente Anonimo]

Bellissimo post ... molto filosofico! La mente umana, per me, non è in grado di conoscere le cose in sè. Tutto quello che possiamo fare è costruire teorie, cioè modelli matematici, che possono essere verifcati/falsificati sperimentalmente. Cosè allora un elettrone? Nessuno lo sa, però abbiamo delle teorie che lo descrivono. Per la meccanica quantistica non relativistica è un punto materiale adimensionale descritto dalla funzione d'onda. Per la meccanica quantistica relativistica è un campo materiale (il campo fermionica di Dirac) che si manifesta come particella (effetto Compton) o come onda (esperimento delle due fenditure). Per la teoria delle stringhe, invece, non è più puntiforme, bensì è una stringa vibrante...

[yoshiharu]

Provo a rispondere a una parte del post: non c'e' contraddizione tra l'articolo di Nature e gli altri testi. Semplicemente l'elettrone e' un "pacchetto" d'onda, non un corpo rigido.
Prima c'e' da capire che tipo di onda sia: mettiamo in chiaro che non e' un'onda in un materiale (tipo l'onda sonora in aria). L'elettrone puo' venire descritto in una funzione (cosiddetta funzione d'onda) che ti da' la possibilita' di calcolare la probabilita' di trovare l'elettrone in ogni dato punto. Immagina adesso che questa funzione sia sostanzialmente diversa da zero in una regione limitata dello spazio: questo e' cio' che si chiama un pacchetto d'onda. C'e' da capire adesso come si comporta questo pacchetto: dal lavoro di Schroedinger si apprende che esso segue il moto semiclassico della particella, vale a dire che entro opportune approssimazioni il pacchetto si comporta come una particella. Quello che succede nel tipico esperimento quantistico e' di andare a guardare le caratteristiche del pacchetto che non assomigliano a niente di classico: per cui per esempio nell'esperimento delle due fenditure il pacchetto andando verso lo schermo puo' (sostanzialmente interagendo con lo schermo) passare da entrambe le fenditure (per cosi' dire, deformandosi), interferendo poi con se' stesso dall'altra parte, come fanno le onde. Lo stesso dicasi per gli esperimenti di diffrazione. Questo viene reso possibile dal violare alcune condizioni che stanno alla base dell'approssimazione semiclassica.

Nei primi anni della meccanica quantistica il pensiero dominante era che la natura fosse essenzialmente classica, ma che in certe condizioni si comportasse in maniera bizzarra (poi detta quantistica ). Si era agli inizi di un gigantesco cambio di paradigma per la fisica, e perfino gente come Einstein (che ha contribuito a costruire la teoria quantistica) ha avuto problemi di indigestione nei confronti di alcune conclusioni della MQ.

Quello che sappiamo adesso (e lo sappiamo anche grazie a decenni di passi falsi alternati a passi da gigante, mentre noi siamo nati comodamente dopo, e abbiamo la "pappa pronta" ) e' che la natura e' essenzialmente quantistica, e che qualche volta, quando abbiamo la fortuna di poter fare delle approssimazioni, possiamo descrivere il tutto con la meccanica classica. E' un dettaglio il fatto che cio' riguardi la nostra esperienza quotidiana
In queste condizioni fortunate "vedi" la materia comportarsi in maniera classica (approssimativamente).

E' un po' questo il problema della fisica moderna, andiamo a guardare la natura in condizioni che sono molto lontane da quelle che esperiamo ogni giorno, per cui istintivamente molti sono "repulsi" dalle conclusioni che si raggiungono. Serve molta disciplina per superare quello scoglio psicologico.

Insomma, alla fine la mia risposta e' che "il mondo microscopico funziona diversamente dal mondo macroscopico"