Nel primo articolo di questa serie di post dedicati alla meccanica quantistica avevo descritto l’esperimento di Stern-Gerlach. Facendo passare un fascio di atomi di argento attraverso un campo magnetico non omogeneo si osserva che il fascio viene separato in due fasci distinti. Questo comportamento non è spiegabile con la meccanica classica e ci fa capire che gli oggetti microscopici come gli atomi sono degli oggetti molto diversi da quelli che siamo abituati a vedere attorno a noi. Ci mostra che gli atomi non sono in realtà delle “palline” piccolissime, anche se questa semplificazione spesso è comoda per spiegare altri fenomeni.
L’esperimento di Stern-Gerlach ci mostra una delle tante “stranezze” del mondo microscopico degli atomi e delle particelle. Ma adesso, con gli esperimenti di Stern-Gerlach sequenziali, vedremo delle stranezze ancora più sorprendenti.
Consideriamo quindi un esperimento di Stern-Gerlach sequenziale. Si fa passare il fascio attraverso due o più dispositivi SG in successione. La prima combinazione da considerare è relativamente semplice. Sottoponiamo il fascio proveniente dal forno all’azione di vari dispositivi secondo lo schema che vendiamo nella figura sotto.
In questo caso SGz sta per un dispositivo con il campo magnetico inomogeneo nella direzione z come al solito. Quindi blocchiamo la componente Sz- proveniente dal primo dispositivo SGz e lasciamo che la restante componente Sz+ sia sottoposta ad un altro dispositivo SGz.
Questa volta una sola componente del fascio proviene dal secondo dispositivo, proprio la componente Sz+. Questo forse non è sorprendente; dopo tutto se gli spin degli atomi sono su, ci si può aspettare che restino tali, in mancanza di un qualsiasi campo magnetico esterno che ruoti gli spin tra il primo e il secondo dispositivo SGz.
Troverete certamente un po’ più interessante la combinazione mostrata nella seguente immagine.
Qui il primo dispositivo SG è lo stesso di prima, ma il secondo (SGx) ha un campo magnetico inomogeneo nella direzione x. Il fascio Sz+ che entra nel secondo dispositivo è ora suddiviso in due componenti, una componente Sx+ ed una Sx- che avranno uguale intensità.
Come si può spiegare un fenomeno del genere?
Significa forse che il 50% degli atomi del fascio Sz+ provenienti dal primo dispositivo SGz sono fatti da atomi caratterizzati sia da Sz+ sia da Sx+ mentre il rimanente 50% ha entrambi Sz+ e Sx-? Questo non lo possiamo ancora dire, ma il meglio deve ancora venire. Osservate bene la seguente figura:
Questa situazione mostra nel modo più clamoroso la peculiarità dei sistemi quantistici. Questa volta aggiungiamo alla combinazione mostrata nella figura precedente (la seconda in questo post) un terzo dispositivo SGz. Si osserva sperimentalmente che due componenti emergono dal terzo dispositivo, non una; si vede che i fasci emergenti hanno entrambi una componente Sz+ e una componente Sz-.
Questa è una totale sorpresa! Perché dopo che gli atomi sono usciti dal primo dispositivo ci siamo assicurati che la componente Sz- fosse completamente bloccata.
Com’è possibile che la componente Sz-, che pensavamo di avere completamente eliminato prima, adesso magicamente ricompare?
La spiegazione di questo fenomeno sarà oggetto del mio prossimo post dedicato alla meccanica quantistica. Stavolta però avrò bisogno di usare alcune formule matematiche e, soprattutto, di usare i numeri complessi. Se, prima di leggere il prossimo post, volete avere una prima infarinatura sui numeri complessi, vi consiglio di leggere questa semplice spiegazione.
Perché sono importanti i numeri complessi in meccanica quantistica? Perché è proprio grazie a questi numeri che gli strani fenomeni quantistici trovano una spiegazione naturale. I numeri complessi assumono il ruolo di veri e propri numeri magici per la comprensione del mondo microscopico. Al prossimo post 
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