21 settembre 2022

La luce: secoli di scoperte per spiegare l’importanza della ricerca

La luce è qualcosa con cui ci confrontiamo quotidianamente.  Banalmente senza luce sulla Terra non ci sarebbe vita: non solo infatti ci permette di vedere la realtà attorno a noi, ma crea anche quelle condizioni climatiche che hanno permesso, nel corso della storia del nostro pianeta, lo sviluppo di tutti gli organismi che oggi costituiscono l’immensa biodiversità che popola le superfici del mondo. Qualcosa che sembrerebbe semplice comprendere, eppure ci sono voluti secoli per identificare quella che, ad oggi, si ritiene essere la sua vera natura.

Un primo interessante studio a riguardo fu fatto da Euclide nella sua opera Catottrica: rivolgendo l’attenzione in particolare al fenomeno della riflessione, egli fu il primo a ipotizzare che la luce fosse costituita da corpuscoli microscopici i quali, urtando una superficie, “rimbalzassero” come avrebbe fatto un qualsiasi altro punto materiale. Questa interpretazione fu confermata da un numero sempre maggiore di esperimenti e di teorie nel corso dei secoli, come la legge di Snell. Quest’ultima descrive come viene “deviato” – in termini tecnici rifratto – un raggio di luce quando passa da un mezzo a un altro, come dall’aria all’acqua:

 

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dove  θ1 è  l’angolo  di  incidenza,  ossia  l’angolo  tra  il  raggio  di  luce  incidente e  la  superficie  di  separazione;  θ2 è  l’angolo  di  rifrazione,  ossia  l’angolo  tra  la superficie di separazione e il raggio rifratto; v1 è la velocità della luce nel primo mezzo; v2 è la velocità della luce nel secondo mezzo.

Molte sembravano essere le prove a conferma di questa teoria sulla natura corpuscolare della luce, che fu sostenuta anche da Isaac Newton. Eppure nella comunità scientifica si diffuse presto la consapevolezza che l’interpretazione allora maggiormente in voga non fosse completa; essa, infatti, non poteva spiegare alcuni comportamenti della luce tipicamente ondulatori, come l’interferenza e la diffrazione: il primo è un fenomeno generato dalla sovrapposizione di due fronti d’onda, mentre il secondo si verifica quando un’onda incontra una fenditura o un ostacolo.

In particolare, Maxwell identificò la luce con la radiazione elettromagnetica, obbediente alle quattro leggi che, all’alba dell’introduzione della meccanica quantistica, sembravano poter riassumere tutta la fisica:

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dove E indica il campo elettrico; B indica il campo magnetico; J indica la densità di  corrente, generata dal moto di cariche elettriche; μe εsono  costanti  dette  permeabilità  magnetica  del  vuoto  e costante  dielettrica  del  vuoto. Secondo Maxwell la luce risultava dalla sovrapposizione di onde di natura elettromagnetica monocromatiche, cioè onde aventi una sola componente di lunghezza d’onda:

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dove ν è la frequenza e c la velocità della luce nel vuoto. Un ulteriore approfondimento della teoria ondulatoria della luca fu fatta quando un fenomeno noto con il nome di catastrofe dell’ultravioletto aprì, nel 1900, le porte del nuovo mondo della meccanica quantistica. Infatti, secondo la fisica classica, la potenza emessa dalla radiazione è proporzionale alla frequenza dell'onda, ma questo è in disaccordo con alcuni dati sperimentali ottenuti dai fisici Rayleigh e Jeans per le frequenze ultraviolette. In quell’anno Max Planck teorizzò che la luce non fosse in grado di scambiare energia secondo uno spettro continuo, ma solamente in quantità discrete:

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dove h è una costante detta costante di Plank e ν è la frequenza dell’onda elettromagnetica. Ma, per quanto potesse sembrare convincente la teoria di Maxwell, sembrava essere incompleta. Nel 1905 Einstein, che nella vita fu sempre, sebbene in maniera velata, un oppositore della teoria della meccanica quantistica, eseguì un esperimento, grazie al quale vinse il Premio Nobel per la fisica, che dimostrava l’esistenza di un fenomeno con cui si andava a rafforzare la teoria corpuscolare della luce: l’effetto fotoelettrico. Dimostrò in questo modo che la luce è costituita da “pacchetti” discreti di energia, detti quanti.

La sintesi di questi decenni di studi e scoperte, attualmente riconosciuta e accettata dalla comunità scientifica, è che la luce a volte si comporta come costituita da corpuscoli, altre volte come se fosse un’onda. Quando, per esempio, la luce incontra una fenditura molto piccola, dell’ordine di grandezza della sua lunghezza d’onda, genera su uno schermo figure di interferenza e diffrazione, date dall’alternarsi di zone di luce e zone di ombra. Alcune aree appaiono chiare perché lì si depositano i corpuscoli di cui la luce è costituita e la cosa più sorprendente è che i corpuscoli sembrano “sapere già” come devono disporsi sullo schermo, proprio perché la luce è anche un’onda, la cui dinamica è determinata dalle leggi che descrivono l’interferenza e la diffrazione.

Arriviamo quindi alla domanda fondamentale: a che cosa ci serve sapere tutto questo?  Troppo spesso si sente parlare dell’inutilità della ricerca.  Comprendere delle entità fisiche che possono sembrare a primo acchito banali può richiedere secoli di studi, di esperimenti, frequentemente di errori. A volte, un po’ sbrigativamente, si tende a rispondere facendo riferimento alle comodità di cui oggi comunemente si dispone. Ecco, di fronte a delle risposte simili, forse è meglio sostenere l’inutilità della ricerca. Sicuramente Maxwell e Einstein, quando fecero le loro grandiose scoperte, non avevano in mente i cellulari e i computer: nessuna persona potrebbe giustificare un tempo così prolungato di sforzi e investimenti così ingenti con l’invenzione di strumenti dei quali, prima dell’invenzione, non si possono nemmeno immaginare le potenzialità. Piuttosto, io credo che avessero in mente, semplicemente, l’universo. I segreti che la natura nasconde sono infiniti e, di fronte a questi imponenti misteri, la mente curiosa dell’essere umano tende a porsi delle domande, a mettersi in gioco. Noi la luce la vediamo tutti i giorni, ci conviviamo. Eppure la storia dimostra quanto sia stato impervio il cammino percorso nella sua indagine. La ragione, semplicemente, è che non dobbiamo mai smettere di voler scoprire, studiare, esaminare per il semplice, puro amore di farlo: non c’è ragione materiale dietro l’appagamento di un piacere così recondito.


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