Una conferma spaziale per il dualismo del fotone / A Space Confirmation for Photon Dualism.
Una conferma spaziale per il dualismo del fotone / A Space Confirmation for Photon Dualism.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
L'interferometro usato nello studio. / The interferometer used in the study
Rappresentazione schematica dell'apparato sperimentale. / Schematic representation of the experimental apparatus.
Immagine notturna del MLRO dell'ASI con un raggio di luce che punta verso un satellite in orbita./ Night scene of the MLI of the ASI with a light beam pointing towards a satellite in orbit.
L'interpretazione quantistica della doppia natura ondulatoria e corpuscolare del fotone, il quanto di luce, è stata confermata da un esperimento basato su un interferometro lungo migliaia di chilometri tra un punto sulla Terra, un telescopio a Matera, e un satellite in orbita. Il risultato è stato ottenuto da un gruppo di ricerca tutto italiano, frutto della collaborazione tra l'Università di Padova e l'Agenzia spaziale italiana.
Onda o particella? I fotoni, come le altre particelle, hanno una duplice natura. E un esperimento condotto tra la Terra e lo spazio da un gruppo tutto italiano di ricercatori dell’Università di Padova e del Laser Ranging Observatory (MLRO) dell’Agenzia spaziale italiana (ASI) di Matera ha confermato l'interpretazione che la meccanica quantistica fornisce di questa dualità.
La doppia natura ondulatoria e corpuscolare della luce è uno dei pilastri della fisica. Nel 1801, con il suo storico esperimento della doppia fenditura, lo scienziato britannico Thomas Young dimostrò che, se fatto incidere su una lastra opaca su cui sono presenti due sottili fenditure parallele, un fascio di luce produce su uno schermo posto oltre la lastra una figura di interferenza: è un segno inequivocabile che la luce ha una natura ondulatoria. Ciò contrastava con l'idea propugnata da Isaac Newton che la luce fosse invece un insieme di corpuscoli.
Nei primi decenni del Novecento però tornò in auge l'idea della natura corpuscolare della luce, grazie alla teoria dell'effetto fotoelettrico elaborata da Albert Einstein nel 1905. Una versione moderna di questo esperimento della doppia fenditura fu realizzato con sorgenti di luce molto deboli e usando per lo schermo materiali molto più sensibili di quelli disponibili nell'Ottocento. Quest'apparato dimostrò che, aumentando gradualmente da zero l'intensità della luce, sullo schermo si formano piccoli puntini che gradualmente si organizzano spazialmente in una figura di interferenza come quella vista da Young. È la dimostrazione che la luce ha anche una natura corpuscolare, spiegata nell'ambito della meccanica quantistica. Il “corpuscolo”
in questione è il fotone, cioè un quanto di luce: un pacchetto discreto di energia associato all’onda elettromagnetica.
La stessa dualità del fotone emerge nell’interferometro, un apparato sperimentale in cui un fascio di luce laser viene fatto incidere su uno specchio semiriflettente (beam splitter) che lo separa in due sottofasci, indotti a percorre due cammini ottici diversi. Il fotone si comporta come un’onda se alla convergenza dei due cammini ottici viene posto un secondo specchio semiriflettente, e come una particella se il secondo specchio non c’è.
A questo punto sorge una domanda: in quale momento il fotone decide di essere onda o particella? Come fa a sapere se in fondo ai cammini c’è un secondo specchio semiriflettente? Il paradosso diventa ancora più evidente nell'esperimento mentale ideato dal fisico statunitense Archibald Wheeler negli anni settanta, che prevede una “scelta ritardata”: la configurazione finale dell'interferometro viene decisa solo quando il fotone è già entrato nell'interferometro. E dalle verifiche sperimentali, emerge che per il fotone non cambia nulla rispetto all'apparato fisso, perché “decide” all'ultimo momento se deve interagire con il rivelatore come un'onda o come una particella.
“Secondo una visione classica, detta anche obiettiva, che era anche la visione di Albert Einstein, l'onda si comporta come onda e la particella come particella, ma il fotone non può avere le due nature contemporaneamente, e questo porta inevitabilmente a un paradosso, perché è come se il rivelatore agisse sul 'passato' del fotone, violando il principio di causalità”, ha spiegato a “Le Scienze” Paolo Villoresi, dell'Università di Padova, coautore dell'articolo pubblicato su "Science Advances". “Invece l'interpretazione quantistica dice che per una particella elementare come il fotone, il risultato che ottengo è determinato dal tipo di apparato di misura che viene predisposto, anche all'ultimo momento. Questo può essere pensato per misurare un'onda o una particella, ma non per questo potrò assegnare al fotone incidente quella sola connotazione".
In sostanza, nell'interpretazione quantistica il fotone è un'onda delocalizzata nello spazio e la sua ampiezza è legata alla probabilità di trovarlo in una certa posizione. Quando il fotone entra nell'interferometro, per il principio di sovrapposizione, la funzione d'onda si propaga in entrambi i rami dell'interferometro contemporaneamente, ed evolve in modo diverso a seconda di come è configurato l'apparato sperimentale. In questa interpretazione, non emerge alcun paradosso logico.
“Tornando al nostro esperimento, l'obiettivo era verificare proprio questi i principi di base della meccanica quantistica cioè la natura duale onda-particella del fotone: l'apparato è una versione modificata dell'interferometro di Wheeler, con un impulso di luce che parte dal telescopio di Matera, è riflesso da un satellite in orbita a una quota di 3500 chilometri, che impone una modulazione alla fase della funzione d'onda e che sempre dal satellite viene diretto indietro verso il punto di partenza”, ha continuato Villoresi. “Il tutto è fatto in modo che la scelta del tipo di rivelazione viene fatta quando il fotone è nella fase terminale della traiettoria, cioè dal satellite verso il telescopio. Per la scelta usiamo un generatore quantistico di numeri casuali, che abbiamo appositamente sviluppato”.
Il risultato dell'esperimento conferma quanto osservato a Terra e quindi si spiega con il concetto di funzione d'onda nell'interpretazione quantistica. Ma qual è la sua importanza? Ci sono potenziali applicazioni?
Onda o particella? I fotoni, come le altre particelle, hanno una duplice natura. E un esperimento condotto tra la Terra e lo spazio da un gruppo tutto italiano di ricercatori dell’Università di Padova e del Laser Ranging Observatory (MLRO) dell’Agenzia spaziale italiana (ASI) di Matera ha confermato l'interpretazione che la meccanica quantistica fornisce di questa dualità.
La doppia natura ondulatoria e corpuscolare della luce è uno dei pilastri della fisica. Nel 1801, con il suo storico esperimento della doppia fenditura, lo scienziato britannico Thomas Young dimostrò che, se fatto incidere su una lastra opaca su cui sono presenti due sottili fenditure parallele, un fascio di luce produce su uno schermo posto oltre la lastra una figura di interferenza: è un segno inequivocabile che la luce ha una natura ondulatoria. Ciò contrastava con l'idea propugnata da Isaac Newton che la luce fosse invece un insieme di corpuscoli.
Nei primi decenni del Novecento però tornò in auge l'idea della natura corpuscolare della luce, grazie alla teoria dell'effetto fotoelettrico elaborata da Albert Einstein nel 1905. Una versione moderna di questo esperimento della doppia fenditura fu realizzato con sorgenti di luce molto deboli e usando per lo schermo materiali molto più sensibili di quelli disponibili nell'Ottocento. Quest'apparato dimostrò che, aumentando gradualmente da zero l'intensità della luce, sullo schermo si formano piccoli puntini che gradualmente si organizzano spazialmente in una figura di interferenza come quella vista da Young. È la dimostrazione che la luce ha anche una natura corpuscolare, spiegata nell'ambito della meccanica quantistica. Il “corpuscolo”
La stessa dualità del fotone emerge nell’interferometro, un apparato sperimentale in cui un fascio di luce laser viene fatto incidere su uno specchio semiriflettente (beam splitter) che lo separa in due sottofasci, indotti a percorre due cammini ottici diversi. Il fotone si comporta come un’onda se alla convergenza dei due cammini ottici viene posto un secondo specchio semiriflettente, e come una particella se il secondo specchio non c’è.
A questo punto sorge una domanda: in quale momento il fotone decide di essere onda o particella? Come fa a sapere se in fondo ai cammini c’è un secondo specchio semiriflettente? Il paradosso diventa ancora più evidente nell'esperimento mentale ideato dal fisico statunitense Archibald Wheeler negli anni settanta, che prevede una “scelta ritardata”: la configurazione finale dell'interferometro viene decisa solo quando il fotone è già entrato nell'interferometro. E dalle verifiche sperimentali, emerge che per il fotone non cambia nulla rispetto all'apparato fisso, perché “decide” all'ultimo momento se deve interagire con il rivelatore come un'onda o come una particella.
“Secondo una visione classica, detta anche obiettiva, che era anche la visione di Albert Einstein, l'onda si comporta come onda e la particella come particella, ma il fotone non può avere le due nature contemporaneamente, e questo porta inevitabilmente a un paradosso, perché è come se il rivelatore agisse sul 'passato' del fotone, violando il principio di causalità”, ha spiegato a “Le Scienze” Paolo Villoresi, dell'Università di Padova, coautore dell'articolo pubblicato su "Science Advances". “Invece l'interpretazione quantistica dice che per una particella elementare come il fotone, il risultato che ottengo è determinato dal tipo di apparato di misura che viene predisposto, anche all'ultimo momento. Questo può essere pensato per misurare un'onda o una particella, ma non per questo potrò assegnare al fotone incidente quella sola connotazione".
In sostanza, nell'interpretazione quantistica il fotone è un'onda delocalizzata nello spazio e la sua ampiezza è legata alla probabilità di trovarlo in una certa posizione. Quando il fotone entra nell'interferometro, per il principio di sovrapposizione, la funzione d'onda si propaga in entrambi i rami dell'interferometro contemporaneamente, ed evolve in modo diverso a seconda di come è configurato l'apparato sperimentale. In questa interpretazione, non emerge alcun paradosso logico.
“Tornando al nostro esperimento, l'obiettivo era verificare proprio questi i principi di base della meccanica quantistica cioè la natura duale onda-particella del fotone: l'apparato è una versione modificata dell'interferometro di Wheeler, con un impulso di luce che parte dal telescopio di Matera, è riflesso da un satellite in orbita a una quota di 3500 chilometri, che impone una modulazione alla fase della funzione d'onda e che sempre dal satellite viene diretto indietro verso il punto di partenza”, ha continuato Villoresi. “Il tutto è fatto in modo che la scelta del tipo di rivelazione viene fatta quando il fotone è nella fase terminale della traiettoria, cioè dal satellite verso il telescopio. Per la scelta usiamo un generatore quantistico di numeri casuali, che abbiamo appositamente sviluppato”.
Il risultato dell'esperimento conferma quanto osservato a Terra e quindi si spiega con il concetto di funzione d'onda nell'interpretazione quantistica. Ma qual è la sua importanza? Ci sono potenziali applicazioni?
"Si tratta chiaramente di una verifica importante di una legge della meccanica quantistica in un contesto nuovo: distanze molto maggiori e significative variazioni di quota; oltre a ciò, apre la strada all'utilizzo di più gradi di libertà del fotone combinati assieme, per potenziare la comunicazione quantistica dallo spazio”, ha risposto Villoresi. “Questo settore ha ricevuto pochissima attenzione nel decennio passato, ma ora è in una fase di enorme sviluppo: i cinesi per esempio stanno facendo enormi investimenti industriali, e altri paesi, europei e non, stanno seguendo la scia; l'Italia è all'avanguardia in questo campo di ricerche, grazie soprattutto alla lungimiranza dell'Università di Padova e dell'ASI: la prima ha finanziato queste ricerche dal 2003 e la seconda ci ha aperto le porte del suo osservatorio di Matera nell'ambito di una collaborazione che sta continuando da oltre una decina d'anni, e che vogliamo ci porti a ulteriori risultati”.
Un fotone che percorre i due cammini ottici di un semplice interferometro mette alla frusta le possibili interpretazioni del dualismo onda-particella. Questa animazione del Quantum Future Research Group dell'Università di Padova spiega come l'interpretazione "classica" produca un paradosso logico che si risolve invece con l'interpretazione quantistica.
ENGLISH
Wave or Particle? Photons, like the other particles, have a dual nature. And an experiment conducted between Earth and Space by an all-Italian group of researchers from the University of Padua and the Laser Ranging Observatory (MLRO) of the Italian Space Agency (ASI) in Matera has confirmed the interpretation that quantum mechanics provides of this duality.
The dual wave and corpuscular light of the light is one of the pillars of physics. In 1801, with his historical double-slit experiment, British scientist Thomas Young demonstrated that if a matte slab on which there are two thin parallel slits has been engraved, a beam of light produces on a screen beyond the plate a figure of interference: it is an unmistakable sign that light has an undulating nature. This contrasted with the idea advocated by Isaac Newton that light was instead a set of corpuscles.
In the first decades of the twentieth century, however, the idea of the corpuscular nature of light came back to life, thanks to the theory of the photoelectric effect developed by Albert Einstein in 1905. A modern version of this experiment of the double slit was made with very light sources of light using material screen much more sensitive than those available in the nineteenth century. This apparatus demonstrated that, gradually increasing the intensity of light from scratch, small dots are formed on the screen that gradually become spatially organized in an interference pattern such as that seen by Young. It is a proof that light also has a corpuscolar nature, explained in the context of quantum mechanics. The "corpus"
in question is the photon, that is, a light of light: a discrete package of energy associated with the electromagnetic wave.
The same duality of the photon emerges in the interferometer, an experimental apparatus in which a beam of laser light is engraved on a beam splitter that separates it into two subfolders, driven to two different optical paths. The photon behaves as a wave if the convergence of the two optical paths is placed a second semi-reflective mirror, and as a particle if the second mirror is not there.
At this point a question arises: at which moment the photon decides to be a wave or particle? How do you know if there is a second semi-reflective mirror at the bottom of the path? The paradox becomes even more evident in the mental experiment of the US physicist Archibald Wheeler in the seventies, which provides for a "delayed choice": the final configuration of the interferometer is decided only when the photon has already entered the interferometer. And from the experimental tests, it emerges that for the photon nothing changes with respect to the fixed device because it "decides" at the last moment if it must interact with the detector as a wave or as a particle.
"According to a classical view, also called objectively, which was also the vision of Albert Einstein, the wave acts as a wave and the particle as a particle, but the photon can not have the two natures at the same time, and this inevitably leads to a paradox , because it is as if the detector acted on the "past" of the photon, violating the principle of causality, "Paolo Villoresi, of the University of Padua, co-author of the article published on" Science Advances ", explained to Le Scienze. "Instead, quantum interpretation says that for an elemental particle like photon, the result I get is determined by the type of measuring apparatus that is prepared, even at the last moment. This can be thought to measure a wave or particle, but I will not be able to assign the only connotation to the incident photon. "
In essence, in quantum interpretation, the photon is a delocalized wave in space and its amplitude is related to the probability of finding it in a certain position. When the photon enters the interferometer, for the overlay principle, the wave function propagates in both the interferometer branches simultaneously, and evolves differently depending on how the experimental apparatus is configured. In this interpretation, no logical paradox emerges.
"Returning to our experiment, the goal was to test these basic principles of quantum mechanics, that is, the dual wave-particle nature of the photon: the apparatus is a modified version of the Wheeler interferometer with a light pulse that starts from the Matera telescope, is reflected by an orbiting satellite at 3500 kilometers, which requires a modulation at the phase of the wave function, and which always goes from the satellite to the starting point, "Villoresi continued. "Everything is done so that the choice of the type of revelation is made when the photon is in the terminal phase of the trajectory, ie from the satellite to the telescope. For the choice, we use a quantum random number generator, which we have specially developed. "
The result of the experiment confirms what is observed at Earth and is thus explained by the concept of wave function in quantum interpretation. But what is its importance? Are there any potential applications?
"This is clearly an important check of a quantum mechanics law in a new context: greater distances and significant variations in altitude; in addition, it paves the way for the use of multiple degrees of photon freedom combined to enhance quantum communication from space, "Villoresi said." This sector has received very little attention in the past decade, but is now undergoing enormous development: for example, the Chinese are making huge industrial investments, and other countries, European and non-European, Italy is at the forefront of this field of research, thanks in particular to the foresight of the University of Padua and ASI: the first has funded these researches since 2003 and the second has opened the doors of its Matera Observatory as part of a collaboration that has been going on for over a decade and that we want to bring us more results. "
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