20/03/2015
L’esperimento più bello
Giorgio Lulli
[email protected]
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (CNR(CNR-IMM)
Bologna
Pescara - 17 marzo 2015 – Liceo Scientifico “G.Galilei”
L’Area della Ricerca CNR-INAF di Bologna
Temi: MATERIALI, AMBIENTE E ASTROFISICA sede di grandi infrastrutture di ricerca
L’Area della Ricerca CNR-INAF di Bologna
comprende Istituti di ricerca attivi nelle
seguenti tematiche:
-
Scienze Bio-agroalimentari
Scienze fisiche e tecnologie della materia
Sistema terra e tecnologie per l’ambiente
Scienze chimiche e tecnologie dei
materiali
Astrofisica spaziale e fisica cosmica
ISTITUTI
•
•
•
•
•
•
•
•
CNR-ISAC: Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima, Sede dell’Istituto nazionale;
CNR IBIMET: Istituto di Biometeorologia
CNR-IBIMET:
Biometeorologia, Sede di Bologna;
CNR-ISMAR: Istituto di Scienze Marine, Sede di Bologna;
CNR-ISOF: Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività, Sede dell’Istituto
nazionale;
CNR-IMM: Istituto per la Microelettronica ed i Microsistemi, Sede di Bologna;
CNR-ISMN: Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati, Sede di Bologna;
INAF-IRA: Istituto di Radioastronomia, Sede dell’Istituto nazionale;
INAF-IASF: Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica, Sede dell’Istituto Nazionale
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Attività di divulgazione per le scuole
• Divulgazione scientifica e
dell’attività di ricerca: Il
Liguaggio della Ricerca
http://www.bo.cnr.it/linguaggiodellaricerca/
• Educazione alla ricerca: stage
estivi SperimEstate
http://sperimestate.bo.imm.cnr.it
L’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM)
Studio di processi e materiali
innovativi per la micro e nanoelettronica
Progettazione, realizzazione e
caratterizzazione di dispositivi
micro- e nano-elettronici, sensori
e microsistemi.
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Sommario
• L’esperimento
L’
i
t più
iù bello:
b ll di che
h sii tratta?
t tt ?
• Le origini
• La sfida sperimentale: dall’idea al laboratorio
• La sfida concettuale: dal pensare “classico”
classico al
pensare “quantistico”
R. Crease
Perchè l’esperimento “più bello”?
Physics World – Maggio-Settembre 2002
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2003 ©Pino Guidolotti
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Chi lo ha fatto per primo?
Pier Giorgio
Merli (2)
Giulio Pozzi
(1)
Gian Franco
Missiroli
ss o (1)
(1)
Dipartimento di Fisica Università - Bologna
(2)
CNR LAMEL (oggi IMM) - Bologna
1974: Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli e Giulio
Pozzi portano a termine per la prima volta
l’interferenza di elettroni singoli, utilizzando in modo
creativo un microscopio elettronico attrezzato con
un rivelatore di elettroni singoli
P.G.Merli, G.F.Missiroli, G.Pozzi On the
statistical
aspects
of
electron
interference phenomena Am. J. Phys. 44,
306 (1976)
2002 / 2003
l’impatto mediatico
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Come funziona?
Dr. Quantum (The infaumous double slit experiment - YouTube)
Le origini
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1905: Einstein, l’effetto fotoelettrico e i quanti di luce
A.Einstein
effetto fotoelettrico
luce = particelle
(quanti di luce o fotoni)
Elettroni?
λ = h/mv
J.J.Thomson
L. De Broglie
1897: corpuscoli
1923: onde
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1927: un esperimento “mentale”
• 5o Congresso Solvay “Electrons and Photons”: Einstein
“inventa” l’esperimento più bello come esperimento
concettuale (g
(gedankenexperiment)
p
) nel tentativo ((fallito)) di
trovare una contraddizione nella interpretazione della
meccanica quantistica di Bohr e Heisenberg.
1927: un esperimento reale: diffrazione di elettroni
C. Davisson, D. Germer
Prima prova sperimentale del comportamento ondulatorio degli
elettroni ֜ fenomeno di diffrazione da cristallo (Ni): conferma
dell’ipotesi di De Broglie.
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1963: l’unico mistero...
“impossibly small scale..”
“Decidemmo
di
esaminare
un
fenomeno [l
[l’interferenza
interferenza di elettroni
singoli]
che
è
impossibile,
assolutamente impossibile spiegare in
modo classico, e che sta al cuore
della meccanica quantistica. In realtà
contiene l’unico mistero.”
Richard Feynman – La fisica di Feynman, vol. 3 Meccanica Quantistica (1963)
La sfida sperimentale: dalla mente
al laboratorio
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Lunghezza d’onda elettroni
h: costante di Planck
(relativistica)
V (volt) → λ (nm)
tensione accelerazione (volt)
lunghezza d’onda
1000
0.04 nm
4×10-11 m
100000
0.004 nm
4×10-12 m
Lunghezza d’onda elettroni
elettroni
100-1 keV
λel10-4 – 10-5 λlight
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Interferenza e visibilità delle frange
D
d
spaziatura tra le frange
x λD/d
(d<<D)
x (risoluz. occhio) ≈ 0.1 mm
λel (100keV) = 0.004 nm
per vedere le frange a
D = 30 cm ֜ d1 nm
... troppo piccolo!
ipotesi (oggi) tecnologicamente realistica:
d 100 nm ֜ D 30 m
“lenti” elettroniche
C. Jönsson (Univ. Tubinga) 1961
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lente elettro-magnetica per elettroni
il
costituente
fondamentale
del
microscopio elettronico (in trasmissione)
Effetto di una lente
S
I
O
D
proiezione geometrica da sorgente puntiforme
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Effetto di una lente
I
S
O
D’
immagine delle stesse dimensioni del caso precedente, ma
molto più vicina all’oggetto (e ribaltata ...)
Il biprisma elettronico: un’alternativa alle fenditure
G.Lulli et al. documentario “L’esperimento più bello” 2011
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spessore del filo ≈ 0.5 - 1µm
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Interferenza di elettroni nel microscopio elettronico
biprisma
K.H. Hermann (Siemens) Intensificatore di immagine (1971)
Ultimo passo:
il
rivelatore
singoli elettroni
di
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Esperimento Merli Missiroli Pozzi (1974-1976)
microscopio elettronico + biprisma + rivelatore elettroni singoli
Il primo esperimento di interferenza in cui si visualizzano i singoli
elettroni: l’esperimento più bello! (Physics World 2002)
1976: il film “Interferenza di elettroni”
Medaglia d’Oro al Festival Internazionale
del Cinema Scientifico - Bruxelles 1976
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Per saperne di più
2013
dal 2009
2010
La sfida concettuale: dal “pensare
classico” al “pensare quantistico”
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Gedankenexperiment
rivelatore
sorgente
fenditure
caso 1: proiettili, palline da tennis,ecc ...
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caso 2: onde sulla superficie dell’acqua
oscillazione
onde circolari
livello acqua
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fronti d’onda
(per semplicità trascuriamo gli effetti di riflessione delle onde)
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le fenditure dividono il fronte d’onda e generano due sorgenti
secondarie con caratteristiche (lunghezza d’onda e fase) uguali a
quelle dell’onda primaria
Principio di sovrapposizione delle onde
Le perturbazioni ondulatorie
si
sommano
tra
loro
secondo il principio di
sovrapposizione
pp
In un punto dello spazio
dove si propagano più
onde della stessa natura, la
perturbazione che risulta è
uguale
alla
somma
(algebrica)
delle
perturbazioni prodotte dalle
singole onde
Questo può dare luogo a
zone in cui la perturbazione
si rafforza e zone in cui si
annulla (4)
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Onde sulla superficie dell’acqua: l’ondoscopio
qui non abbiamo fenditure, ma sorgenti più o meno “puntiformi”;
ma la sostanza del fenomeno non cambia
L’esperimento delle due fenditure con l’ondoscopio
Sorgente di onde
rettilinee
Fenditure
Nella regione dopo
le
fenditure
si
osserva
una
situazione identica
a quella vista prima
per le due sorgenti
pseudo-puntiformi
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figura di interferenza prodotta sulla superficie dell’acqua
zone con liquido oscillante
linea del
liquido a
riposo
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punti con liquido fermo (nodali)
linea di separazione asciuttobagnato
livello del
liquido a riposo
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frange di interferenza
figura rappresentativa dell’ampiezza (A) di oscillazione
I (intensità) ןA2
caso 3: fascio intenso di luce (esperimento di Young 1803)
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1803: L’esperimento della doppia fenditura di Young
T.Young
interferenza
luce = onda
figura rappresentativa
dell’intensità dell’onda
l
i
luminosa
figura rappresentativa
dell’ampiezza dell’onda
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onde: frange di interferenza
particelle: due strisce
particelle e onde sono le due categorie di “oggetti” che
riassumono l’essenza delle due grandi teorie della fisica
cosiddetta classica di fine 1800: la meccanica (Newtoniana),
sviluppata nel 1600-1700 e la teoria dei campi, sviluppata nel
1800.
caso 4: fascio intenso di elettroni su lastra fotografica (*)
(*) esperimenti 1959-61
comportamento apparentemente ondulatorio ... gli elettroni sono onde?
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caso 5: fascio ultra-debole di elettroni (uno alla volta)
rivelatore di elettroni singoli
?
segnale di particella, non deboli frange ...
E. Schrödinger: elettrone = onda
“collasso”
dell’onda
dell
onda
Ψ = funzione
d’onda
L’idea di un elettrone-onda che investe entrambe le fenditure, comporta
che quest’onda – estesa nello spazio – collassi istantaneamente in un
unico punto quando arriva al rivelatore ...
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.. un singolo elettrone alla volta
frange interferenza: onde
puntini: particelle
segnali di particelle .. ma distribuite come nell’interferenza di onde
effetto che non può essere dovuto a una interazione tra elettroni
fascio debolissimo di luce: stesso risultato
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Interferenza di fotoni singoli (Jacques et al. 2005)
V. Jacques
q
et al. Single
g
photon wavefront splitting
interference Eur. Phys. J. D
35, 561–565 (2005)
Interferenza di neutroni termici (Zeilinger et al. 1988)
mass = 1 AMU
v = 200 ms-1
λneutroni = 2 nm
distanza tra fenditure d = 104 µm
(larghezza fenditure 22 µm)
criterio visibilità frange λD/d = 0.1 mm
distanza fenditure rivelatore D = 5 m
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Interferenza di molecole C60 (Arntd et al. 1999)
mass = 720 AMU
v ڌ200 ms-1
λ= 0.0028 nm
λ
d = 100 nm (larghezza fenditure 50nm)
distanza fenditure-rivelatore = 1.25 m
Interferenza di molecole C32H18N8 e C48H26F24N8O8
(Juffmann et al. 2012)
masses
514 AMU, 1298 AMU
distanza fenditure-rivelatore 0.5 m
v ڌ150 ms-1
λ= 0.0052 nm
d = 100 nm (larghezza fenditure 50nm)
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La lettura dell’esperimento secondo Merli, Missiroli, Pozzi
1.
ogni
singolo
elettrone/fotone/ecc.
viene
rivelato come particella
1.
le frange risultano percepibili
solo dopo molti (>1000) eventi
singoli, sono quindi il risultato
statistico del comportamento di
molti elettroni
1.
la probabilità di arrivo degli
elettroni
sullo
schermo
si
distribuisce
come
ll’intensità
intensità
delle frange in un esperimento
di
interferenza
di
onde
classiche.
Qui non si tratta quindi di un’onda classica (materiale o elettromagnetica)
ma di un’ “onda di probabilità”
Elettrone singolo: cosa interferisce con cosa?
• classicamente, per interferire ci vogliono almeno
due sorgenti di perturbazioni ondulatorie
• qui mandiamo un solo elettrone/fotone per volta
"ogni fotone [o elettrone]
interferisce con sè stesso”
Paul A. M. Dirac I principi della
meccanica
quantistica
(Boringhieri,
1959) p.13
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Un modo “naif” di visualizzare il fenomeno ..
Dr. Quantum (The infaumous double slit experiment - YouTube)
Quale percorso? (which path? o which way?)
Dr. Quantum (The infaumous double slit experiment - YouTube)
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si
sommano
le
intensità delle figure
prodotte
da
ciascuna fenditura,
considerata
separatamente ...
1
2
Riassumendo:
no informazione sul percorso
֜ interferenza
informazione sul percorso
֜ no interferenza
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Attenzione: non è corretto dire che in
questo caso gli elettroni si comportano
come particelle classiche. Anche qui si
osservano infatti piccole oscillazioni di
intensità dovute alla diffrazione degli
elettroni da parte di ciascuna singola
fenditura.
Cosa interferisce con cosa?
Qui non si tratta di oggetti fisici tradizionali, ma di entità
astratte
astratte,
ovvero due percorsi “potenziali”,
“potenziali”
che
sovrapponendosi danno origine a interferenza (il senso
che si può dare alla frase di Dirac).
Usando un apparato che può dirci quale delle due
possibilità si verifica l’interferenza non si osserva più.
La scomparsa dell’interferenza non è
“disturbo” prodotto dalla misura sul sistema!
dovuta
al
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Schema dell’esperimento concettuale di Scully et al. (1991) in
cui la determinazione del percorso produce una variazione di
momento trascurabile sull’atomo
Un esperimento reale che si ispira a questo è stato fatto per la
prima volta nel 1998 (Durr et al. Nature, 395, 33, 1998)
Una semplice regola per l’interferenza quantistica
L’interferenza di singoli oggetti quantistici si osserva
quando questi hanno a disposizione più cammini
per arrivare allo stesso rivelatore e nello stesso
tempo la configurazione sperimentale non
permette di distinguere tra questi cammini.
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Interferenza di “alternative”
The interference of alternatives is characteristic of
quantum systems; classical alternatives do not
interfere. (B-G. Englert “Remarks of some basic issues
in quantum mechanics” )
[...] regardeless of the quantum
system, any information – recorded
or not – about the alternative taken
by a quantum process capable of
following more than one alternative,
destroys the interference between
alternatives. (R. Feynman, A. R.
Hibbs “Quantum mechanics and
path integrals” )
Realtà versus possibilità
‘‘But the atoms or the elementary
particles are not real; they form a
world of potentialities or possibilities
rather than one of things
g and facts.’’
(W. Heisenberg)
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Riassumendo
• In un sistema che offre più alternative, lo stato di un
elettrone/fotone singolo è indefinito, ed è descrivibile come
sovrapposizione di tutte le alternative possibili. L’interferenza
quantistica è il risultato della sovrapposizione di alternative.
alternative
• Ciò che è definito è la probabilità di ciascuna alternativa.
Questa si può calcolare esattamente con le equazioni della
MQ.
• La misura annulla la sovrapposizione di alternative,
scegliendone una sola e cancellando così l’interferenza
(collasso).
• Il processo di misura, anche se non perturba l’oggetto
quantistico in modo apprezzabile, ha un ruolo attivo nel
determinare lo stato che viene effettivamente osservato.
Se le “stranezze” della meccanica quantistica vi lasciano
perplessi, consolatevi, siete in buona compagnia ...
Some physicists, among them myself, cannot believe
that we must abandon, actually and forever, the idea
p
of p
physical
y
reality
y in space
p
and
of direct representation
time; or that we must accept the view that events in
nature are analogous to a game of chance. Probably
never before has a theory been evolved which has
given a key to the interpretation and calculation of
such a heterogeneous group of phenomena of
experience as has quantum theory. In spite of this,
however, I believe that the theory is apt to beguile us
into error in our search for a uniform basis for physics,
because, in my belief, it is an incomplete
representation of real things, although it is the only one
which can be built out of the fundamental concepts of
force and material points (quantum corrections to
classical mechanics). The incompleteness of the
representation leads necessarily to the statistical nature
(incompleteness) of the laws. (Albert Einstein, on Quantum
Physics, 1954)
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Onda? Particella? ... No: “quantone” !
Jean-Marc Lévy Leblond, Francoise Balibar: Quantique : Rudiments
grazie p
g
per l’attenzione
e
IN BOCCA AL LUPO!
40
