Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Particelle e onde: il mistero centrale della meccanica quantistica - Chad Orzel

Traduttore: Susanna Pibiri Revisore: Ariana Bleau Lugo

One of the most amazing facts in physics is this:

Uno dei fenomeni più sbalorditivi della fisica è questo:

ogni cosa nell'universo, dalla luce agli elettroni agli atomi,

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

si comporta allo stesso tempo come una particella e come un'onda.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Ogni stranezza che potreste aver sentito sulla fisica quantistica,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

il gatto di Schrodinger, Dio gioca a dadi, un'azione soprannaturale a distanza,

all of it follows directly from the fact

tutto ciò origina direttamente dal fatto

that everything has both particle and wave nature.

che ogni cosa ha una natura sia corpuscolare sia ondulatoria.

This might sound crazy.

Può sembrare assurdo.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Se vi guardate attorno, vedrete onde nell'acqua e particelle di roccia,

and they're nothing alike.

e non hanno niente in comune.

So why would you think to combine them?

Allora come si può pensare di unirle?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

I fisici non hanno deciso di miscelarle insieme così dal nulla.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Sono stati spinti piuttosto dalla doppia natura dell'universo

through a process of small steps,

attraverso un processo a piccoli passi,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

incastrando insieme tanti piccoli indizi, come pezzi di un puzzle.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

Il primo a suggerire sul serio la doppia natura della luce

was Albert Einstein in 1905,

fu Albert Einstein nel 1905,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

ma stava riprendendo un'idea originaria di Max Planck.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck descrisse i colori della luce emessa da oggetti caldi,

like the filament in a light bulb,

come i filamenti in una lampadina,

but to do it, he needed a desperate trick:

ma per farlo, dovette ricorrere a un espediente:

he said the object was made up of oscillators

affermò che l'oggetto era formato da oscillatori

that could only emit light in discrete chunks,

capaci di emettere luce solo in valori discreti,

units of energy that depend on the frequency of the light.

unità di energia che dipendono dalla frequenza della luce.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Planck non ne fu mai proprio convinto, ma Einstein riprese e elaborò la sua idea.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Applicò questa teoria alla luce stessa, affermando che la luce,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

che tutti consideravano un'onda, è in realtà un flusso di fotoni,

each with a discrete amount of energy.

ognuno con una quantità discreta di energia.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Einstein stesso ammise che questa fu la cosa più rivoluzionaria che fece,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

ma che spiega come la luce rivolta su un metallo colpisce elettroni liberi.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Anche gli scettici dovettero ammettere che funziona davvero.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

Il pezzo di puzzle successivo arrivò da Ernest Rutherford in Inghilterra.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

Nel 1909, Ernest Marsden e Hans Geiger lavorando per Rutherford,

shot alpha particles at gold atoms

colpirono atomi d'oro con particelle alfa

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

e scoprirono con stupore che alcune rimbalzavano indietro.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Questo dimostrò che la massa dell'atomo è concentrata in un nucleo minuscolo.

The cartoon atom you learn in grade school,

La figura di atomo studiata a scuola,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

con gli elettroni in orbita come un sistema solare in miniatura,

that's Rutherford's.

è di Rutherford.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Ma c'è un piccolo problema con l'atomo di Rutherford: non può funzionare.

Classical physics tells us that an electron

La fisica classica insegna che un elettrone

whipping around in a circle emits light,

in orbita circolare emette luce,

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

che è il principio applicato per generare onde radio e raggi X.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

Gli atomi di Rutherford dovrebbero spargere ovunque raggi X per un istante

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

prima che l'elettrone si abbatta a spirale dentro il nucleo.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Ma Niels Bohr, un fisico teorico danese che lavorava con Rutherford,

pointed out that atoms obviously exist,

evidenziò che gli atomi di fatto esistono,

so maybe the rules of physics needed to change.

così forse le regole della fisica dovevano cambiare.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr suggerì che un elettrone in determinate orbite speciali

doesn't emit any light at all.

non emette alcuna luce.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Gli atomi assorbono e emettono luce solo quando gli elettroni cambiano orbite,

and the frequency of the light depends on the energy difference

e la frequenza della luce dipende dalla differenza di energia

in just the way Planck and Einstein introduced.

proprio come era stato avanzato da Planck e Einstein.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

L'atomo di Bohr risolve il problema di Rutherford

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

e spiega perché gli atomi emettano solo colori specifici di luce.

Each element has its own special orbits,

Ogni elemento ha orbite speciali proprie,

and thus its own unique set of frequencies.

e quindi una propria sequenza di frequenze.

The Bohr model has one tiny problem:

Il modello di Bohr ha un piccolo problema:

there's no reason for those orbits to be special.

non c'è motivo per cui quelle orbite debbano essere speciali.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Ma Louis de Broglie, un dottorando francese,

brought everything full circle.

chiuse il cerchio.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Evidenziò che se la luce, da tutti considerata un'onda,

behaves like a particle,

si comporta come una particella,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

forse l'elettrone, da tutti considerato una particella,

behaves like a wave.

si comporta come un'onda.

And if electrons are waves,

E se gli elettroni sono onde,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

è facile spiegare la regola di Bohr per individuare le orbite speciali.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Una volta accettata l'idea che gli elettroni si comportano come onde,

you can go look for it.

potete provarci voi.

And within a few years, scientists in the US and UK

E così in pochi anni, gli scienziati americani e inglesi

had observed wave behavior from electrons.

avevano osservato il moto ondulatorio negli elettroni.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Oggi ne abbiamo una dimostrazione di estrema chiarezza:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

si sparano singoli elettroni contro una barriera con dei tagli.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

Ogni elettrone è localizzato in un dato posto e in un dato momento,

like a particle.

come una particella.

But when you repeat the experiment many times,

Ma se si ripete l'esperimento tante volte,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

tutti i singoli elettroni tracciano un disegno a strisce,

characteristic of wave behavior.

tipico di un comportamento ondulatorio.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

L'idea che le particelle si comportino come onde, e viceversa,

is one of the strangest and most powerful in physics.

è una delle più bizzarre e straordinarie della fisica.

Richard Feynman famously said

Richard Feynman affermò

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

che questo spiega il mistero centrale della meccanica quantistica.

Everything else follows from this,

Tutto il resto deriva da questo,

come pezzi di un puzzle che si ricompone.

like pieces of a puzzle falling into place.