L'esperimento più bello di sempre e la figura di Akira Tonomura.

Circa due mesi fa è venuto a mancare Akira Tonomura (25 aprile 1942 - 2 maggio 2012), un fisico giapponese, conosciuto per il suo contributo allo sviluppo dell'olografia elettronica e la verifica sperimentale dell'effetto Aharonov-Bohm (un effetto straordinario di cui vorrei parlarvi prima o poi). In questo post voglio però concentrami su un'altro interessante esperimento condotto da Tonomura; si tratta della versione moderna dell'esperimento condotto dal gruppo bolognese composto da Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli e Giulio Pozzi nel 1974, in quello che è stato definito, secondo un sondaggio promosso dalla rivista Physics World nel 2002, il più bell’esperimento di fisica di sempre. 

Si tratta dell'esperimento di interferenza da doppia fenditura (*) condotto con gli elettroni, che permette di dimostrare come anche le "particelle materiali" mostrino dei comportamenti tipicamente ondulatori.  La previsione teorica di questo effetto fu formulata dal fisico e duca Louis de Broglie nel 1924. L'idea di base della tesi di De Broglie era di associare agli elettroni una lunghezza d'onda secondo la relazione: λ=h/p  in cui λ è la lunghezza d'onda, h la costante di Planck e p la quantità di moto.

La natura ondulatoria degli elettroni, ottenuta registrando la diffrazione da parte della superficie di un cristallo di nichel, fu dimostrata sperimentalmente per la prima volta da Clinton Davisson e Lester Germer nel 1927. 

Ma il primo esperimento della "doppia fenditura" con elettroni venne effettuato trent’anni dopo, nel 1961, da Carl Jönsson dell'Università di Tubinga. Fu poi ripetuto nel 1974, a Bologna, per l'appunto da Merli, Missiroli e  Pozzi. I risultati dell'esperimento del 1974, nonostante fossero stati pubblicati e nonostante fosse anche stato realizzato un documentario in proposito, andarono pressoché ignorati, tant'è che, quando nel 1989 Akira Tonomura e collaboratori ripeterono l'esperimento, (il video di questo esperimento si può trovare qui commentato dallo stesso Tonomura) si pensò erroneamente che fosse il primo della serie.

E' inutile ribadire il fatto che si tratta di un esperimento cruciale per lo sviluppo della Meccanica Quantistica (MQ), rappresentando una delle prime conferme dei risultati inattesi e controintuitivi che la MQ predice. Basti pensare che Richard Feynman era solito ripetere che questo esperimento rappresentasse la chiave di volta per la comprensione della MQ, oltre ad averlo ispirato nella formulazione della tecnica degli integrali sui cammini. A tal proposito consiglio vivamente la lettura del terzo capitolo, del III volume, della collana la "Fisica di Feynman" in cui il fenomeno dell'interferenza degli elettroni è affrontato in maniera egregia, mettendo particolarmente in luce il delicato problema della misura in meccanica quantistica.

Immagine che descrive l'interferenza degli elettroni tratta dal libro: "La fisica di Feynman".

A questo punto d'altra parte, invece di approfondire questo interessantissimo tema teorico, volevo invece farvi partecipi dell'interessante vicenda storica che si trova dietro la realizzazione dell'esperimento da parte di Merli, Missiroli e Pozzi, che viene trattata  nel libro "Il prisma e il pendolo" di Robert P. Crease.

"[...] Nel 1970 Pier Giorgio Merli e Giulio Pozzi, due giovani ricercatori del Laboratorio di microscopia elettronica dell'Università di Bologna, parteciparono a un seminario di microscopia elettronica a Erice, in Sicilia. Merli e Pozzi furono particolarmente impressionati da una comunicazione su nuovi intensificatori d'immagine abbastanza sensibili da rivelare singoli elettroni, e al loro ritorno a Bologna erano ansiosi di cominciare progetti di ricerca utilizzando questi apparati. Al loro laboratorio era stato promesso un finanziamento dal principale ente nazionale di sostegno a progetti scientifici, il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), ma i fondi erano rimasti bloccati dalla lentezza della burocrazia governativa. L'anno seguente, 1971, l'amministrazione del laboratorio inviò Pozzi e un ricercatore anziano, Gian Franco Missiroli, alla sede del CNR a Roma per scoprire quale fosse la causa del ritardo.

In treno i due cercarono di distrarsi dallo stress dell'imminente confronto burocratico che quasi tutti gli scienziati detestano e a cui si sentono mal preparati, parlando di fisica. Pozzi menzionò a Missiroli il suo interesse a compiere ricerche con un biprisma elettronico e i due cominciarono a parlare di progetti a cui avrebbero potuto lavorare insieme. Fu l'inizio di una fruttuosa collaborazione trentennale. Missiroli non era solo un ricercatore inventivo, ma era anche profondamente interessato a trasformare le sue scoperte in semplici lezioni per gli studenti, che intendeva scrivere e pubblicare. I due cominciarono a collaborare in vari esperimenti alla fine del 1971.

A quell'epoca Merli aveva lasciato il laboratorio per un posto di ricercatore nel laboratorio di chimica e tecnologia per materiali e dispositivi elettronici (LAMEL) del CERN a Bologna, di recente fondazione, ma poteva ancora collaborare con Pozzi, Missiroli e altri ricercatori del Laboratorio di microscopia elettronica. I tre costruirono un biprisma e lo montarono in un microscopio elettronico Siemens. Quando Merli scoprì che un intensificatore di immagini capace di rivelare elettroni singoli era stato installato a Milano, i tre cominciarono a pianificare un esperimento di interferenza di elettroni in cui facevano passare un solo elettrone per volta attraverso un biprisma elettronico. I tre si recarono a Milano per riprendere le immagini, collegare l'intensificatore di immagini al loro microscopio elettronico e riuscirono a scoprire immediatamente una figura d'interferenza.

Essi fecero una relazione scritta sull'esperimento e la pubblicarono, come già aveva fatto Jònsson, nell'American Journal of Physics, nella speranza che, come scrissero, «gli esperimenti d'interferenza elettronica diventino più familiari agli studenti». Le loro ambizioni però crebbero e — con l'incoraggiamento e il sostegno di altri due scienziati del LAMEL - essi decisero di tentare la produzione di un breve documentario sul loro esperimento, per distribuirlo alle scuole e biblioteche locali. Questa impresa si rivelò però più difficile e molto più costosa del previsto, e i tre finirono per spendere la maggior parte del loro tempo sul testo. Essendo sperimentatori, non teorici, ritennero di dover lavorare con molta cura per esprimere con precisione i concetti.[...]

L'effetto fu splendido e il film vinse un premio al Festival internazionale di cinematografìa scientifica a Bruxelles nel 1976. «Ancora oggi, ogni volta che vedo il film, lo trovo impressionante», mi disse Pozzi, esprimendo un sentimento condiviso dagli altri due autori.

Nel 1989 Akira Tonomura, capo ricercatore anziano al Laboratorio di ricerche avanzate alla Hitachi Limited Japan, insieme a un gruppo di collaboratori, eseguì un esperimento con un microscopio elettronico usando un sistema di rivelazione di elettroni ancora più complesso ed efficiente. Anch'essi pubblicarono il loro lavoro sull'American Journal of Physics. E anch'essi realizzarono un film che mostra la formazione di una figura d'interferenza per graduale accumulo di singoli elettroni in tempo reale. Tonomura presentò il suo film a una conferenza alla Royal Institution, che è disponibile anche su Internet. A un certo punto, durante la sua conferenza, egli accelerò il video per far vedere la figura d'interferenza materializzarsi — in modo molto suggestivo — da singole macchie, apparentemente casuali, nello stesso modo in cui una galassia potrebbe prendere progressivamente forma davanti ai nostri occhi, al crepuscolo, da una quantità di piccole stelle che si accendono in cielo: una regolarità che è innegabile e che rimanda all'esistenza di strutture universali più profonde. Mentre ciò stava accadendo, Tonomura disse:

«Non abbiamo altra scelta che accettare una conclusione molto strana: che gli elettroni vengono rivelati uno per uno come particelle, ma che l'intero insieme manifesta proprietà ondulatorie per formare una figura d'interferenza. La meccanica quantistica ci dice che dobbiamo rinunciare alla realtà [convenzionale] dell'immagine corpuscolare degli elettroni tranne che nell'istante in cui li riveliamo.»" 

Ora volevo quindi lasciarvi con il documentario realizzato dagli stessi Merli, Missiroli e Pozzi, che potete trovare a questo link, in cui è descritto in maniera dettagliata lo svolgimento dell'esperimento. Buona visione :)

Note:
(*) In realtà è molto complicato riprodurre una doppia fenditura vera e propria come viene spesso schematizzata. Generalmente ciò che si fa è invece realizzare un cosiddetto biprisma elettronico, cioè un filo conduttore posto tra due placche a potenziale di terra; applicando un potenziale al filo, si genera un campo elettrico che deflette gli elettroni. Quindi in realtà andrebbero considerati anche l'interazione degli elettroni con questo campo ed altri effetti che rendono quindi complicato l'esperimento e a mio parere anche l'interpretazione teorica stessa dell'interferenza. Se ci sono spunti in merito commentate pure il post.