Quello della doppia fenditura è un esperimento che svela il duplice comportamento della radiazione elettromagnetica e della materia, mostrando cioè come la luce e le particelle, come gli elettroni, possano essere descritti sia dalla fisica delle onde sia dalla fisica dei corpi, a seconda del loro comportamento. 

Infografica a: L’esperimento di Young

L’esperimento sfrutta una sorgente di luce (o di elettroni, il risultato non varia) che permette di emettere un singolo fotone (la singola particella di luce) alla volta (nel caso degli elettroni, la sorgente emetterà un solo elettrone alla volta). Tra la sorgente e un rivelatore molto sensibile è posta una barriera, in cui sono presenti due fenditure.

Questa stessa tecnica sperimentale venne utilizzata nell’800 da Young che, con sorgenti molto più intense rispetto a quelle utilizzate negli esperimenti moderni a emissione di singolo fotone, dimostrò il comportamento ondulatorio della luce. Investita da un fascio di luce, una prima fenditura funziona da sorgente di onde sferiche.  Queste vanno a impattare contro una seconda barriera dove due fenditure si comportano come due nuove sorgenti luminose e i fronti d’onda che producono finiscono per interferire sul rivelatore, formando una figura a bande luminose alternate a bande buie, detta “figura di interferenza” e tipica dei fenomeni ondulatori. (vd. infografica a). A seconda del punto considerato, infatti, il processo di interferenza può far sì che i contributi delle due onde si rafforzino a vicenda oppure si cancellino (vd. infografica b).

Infografica b: Quando allo schermo arrivano due creste o due valli dell’onda queste si sommano creando una maggiore luminosità sullo schermo. Quando, invece, arrivano a coincidere una cresta e una valle queste si cancellano, lasciando il buio sullo schermo.

L’esperimento di Young mostrava in questo modo che la luce si comporta come un’onda.

Nell’esperimento moderno, i singoli fotoni inizialmente sembrano distribuirsi in modo casuale sullo schermo. Tuttavia, con il passare del tempo, le tracce si accumulano formando nuovamente una figura d’interferenza: si osserva quindi un comportamento ondulatorio, nonostante la sorgente non emetta un fascio di luce ma una particella, un fotone, alla volta (vd. infografica c).

Quando si cerca di determinare attraverso quale fenditura passa ciascun fotone, inserendo due rivelatori in prossimità delle fenditure, si osserva che scatta sempre uno solo di essi e la figura d’interferenza scompare: i fotoni si distribuiscono come particelle, concentrandosi solo in corrispondenza delle due fenditure, senza dare luogo alla struttura a bande che si osserva in assenza dei rivelatori.

Questo sorprendente risultato suggerisce che il fotone, prima dell’osservazione, esista in una sovrapposizione di stati e si comporti come un’onda. È l’atto della misura a evidenziarne il comportamento particellare, annullando gli effetti ondulatori.

Infografica c: Figura di interferenza ottenuta da diffrazione con doppia fenditura utilizzando singoli fotoni: con il passare del tempo la figura d’interferenza a strisce si manifesta in modo sempre più evidente.

Questo esperimento è considerato uno dei più emblematici della meccanica quantistica per la capacità di evidenziare sia i limiti della nostra intuizione che il ruolo cruciale dell’osservatore nelle manifestazioni della realtà. [Luca Papapietro]