Molti di voi non immaginano neppure
quanto.
L'avere massa nulla non è che una delle
stranezze, anche se dà tanto da pensare a tanti: c'è chi crede
che togliere la massa significhi togliere realtà, e c'è invece
chi pensa che sia una stimmata di "purezza" (quante volte avrete
letto la stupidissima espressione "energia pura"?)
Dalla massa nulla seguono altre stranezze: non si può definire in modo chiaro la posizione di un fotone. E non facciamo confusione: non si tratta della solita questione connessa col principio d'indeterminazione; qui c'è una difficoltà più profonda e particolare. È proprio l'osservabile "posizione" che per un fotone non può essere definita (niente filosofia, per favore: si tratta di una questione squisitamente tecnica). Invece non c'è nessuna difficoltà con l'impulso.
Poi un fotone condivide tutte le
"stranezze" delle particelle quantistiche, circa la specificazione
del suo stato.
Per es. non è vero in assoluto che un fotone abbia sempre una precisa
energia: può benissimo essere in uno stato in cui l'energia non
è definita, anzi questa è la regola.
La stessa cosa succede con l'impulso; anzi
può accadere che un fotone abbia energia quasi esattamente definita e
impulso completamente indeterminato (fra un momento farò un esempio
concreto).
Come può succedere questo? Semplicemente
perché l'energia è uno scalare e l'impulso un vettore, per cui
può accadere che il modulo
dell'impulso sia ben definito, ma la sua direzione sia del tutto
indeterminata.
È quello che succede quando un atomo
emette un fotone.
Dato che l'atomo passa da uno stato di energia
a un altro, con energie quasi esattamente
definite, lo stesso è vero per il fotone che esce.
Però la direzione in cui il fotone viene
emesso non è definita, che non
è la stessa cosa come dire che non è conosciuta. Non bisogna
pensare a un'indeterminazione statistica, del tipo "se ho tanti atomi,
uno emette il fotone in una direzione, uno in un'altra, per cui
complessivamente ho tante direzioni possibili, ma ciascun fotone esce in una
direzione precisa".
Niente affatto: è proprio lo stato del
singolo fotone che non ha impulso (quindi direzione) neppure
approssimativamente determinata.
Un esperimento ideale chiarirà quello
che ho in mente. Nella figura, A è l'atomo che emette; S1,
S2, S3 sono specchi ordinari, T è uno specchio
semiriflettente ("beam splitter" = divisore di fascio), R un
rivelatore.
Altra stranezza dei fotoni: immaginate una
stella e due telescopi separati, che ricevono luce da quella stella. Possiamo
registrare i tempi di arrivo dei fotoni a ciascun telescopio, e in particolare
misurare la probabilità che essi ricevano insieme un fotone ciascuno (quella che si chiama una
coincidenza).
Ebbene: questa probabilità
dipende da dove si trova la stella (dalla
differenza della sua distanza dai due telescopi).
In questo caso due fotoni in qualche modo si
influenzano a vicenda, sebbene uno sia stato rivelato da un telescopio, e uno
dall'altro.
Esperimento ideale? Niente affatto: questo si
fa, da più di 40 anni, e si chiama "interferometro di
Hanbury-Brown e Twiss".
Tutto dipende dal fatto che i fotoni sono
"bosoni", e lo stato di due fotoni è cosa diversa dai due
stati di ciascun fotone preso a sé. In termini più tecnici,
occorre considerare uno stato del campo e.m. con due fotoni presenti.
Non si può ridurre il campo e.m. a
fotoni visti uno per uno, e d'altra parte il campo e.m. è un oggetto
quantistico, che non si può capire soltanto in termini classici (eq. di
Maxwell).
Non posso aspettarmi che tutto ciò
che ho scritto sia perfettamente chiaro a chi non ha studiato abbastanza
fisica.
Ma il mio scopo era solo mostrare, riferendomi
a situazioni reali, che i fotoni non sono cose di cui si possa parlare in modo
intuitivo, con vaghi riferimenti a una qualche immagine di particelle. Occorre
una precisa teoria.
Altrimenti si fanno solo pericolosi giochi di
parole, con i quali si dimostra tutto e il contrario di tutto.