Brevi cenni storici della luce

Il temine LUCE (dal latino, lux, lucis) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri di lunghezza d'onda, ovvero tra 750 e 428 THz di frequenza. Questo intervallo coincide con la regione di massima emissione da parte del sole. I limiti dello spettro visibile all'occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente e possono raggiungere i 380 nanometri, avvicinandosi agli ultravioletti, e i 730 nanometri avvicinandosi agli infrarossi.

La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni più comuni osservabili sono :

• l'assorbimento
• la trasmissione
• la riflession
• la rigrazione
• la diffrazione

Sebbene nell'elettromagnetismo classimo la luce viene rappresentata come un'onda, con la venuta della meccanica quantistica agli inizi del XX secolo siamo riusciti a capire che questa possiede anche altre proprietà tipiche delle particelle e di spiegare fenomeni come l'effetto Compton. Nella fisica moderna la luce viene descritta come composta da quanti del campo elettromagnetico chiamati fotoni.

Che cosa è la luce?

Il mondo è fatto di materia ed energia, due fonti solo all'apparenza diverse ma cosi connesse, al punto da potersi trasformare l'una nell'altra condizioni permettendo. La uce fa parte della seconda categoria e quindi non è materiale. Di cosa è fatta allora la luce? Questa è una domanda molto antica la cui risposta è invece recente, una risposta che purtroppo risulta un pò ambigua. Che la luce non sia materiale appare e apparve evidente fin da subito, che cosa allora si può trasmettere anche a grandi distanze senza il trasporto di materia?

Le onde. Le onde del mare, quelle sonore lo fanno e quindi anche la luce potrebbe comportarsi alla stessa maniera. Un'onda con il suo valore di lunghezza d'onda e frequenza anzi meglio diversi valori di lunghezze d'onda e frequenze. Il fenomeno di disepersione della luce attraverso un prisma, fu analizzato da Isaac Newton nel 1666, mostrava la convivenza di più lunghezze d'onda corrispondenti a relativi colori, costretti a separarsi nel passaggio attraverso il prisma. Newton fu molto combattuto tra quella che fu definita la teoria ondulatoria e quella corpuscolare secondo cui la luce era fatta di particelle materiali che si propagano in linea retta.

Dualismo onda-corpuscolo

Fu questa la teoria che lo convinceva maggiornamente e per questo la rese fulcro dei suoi studi con i quali dimostrò che le particelli nel passare attraverso il prisma nostrano di non essere uguali ma deviate in maniera diversa fornendo colori diversi. L'evidenza della propagazione in linea retta della luce era un indizio a favore dell'esistenza di corpuscoli di luce, ma non smentiva i fenomi di diffrazione presenti nella luce, fenomeni caratteristici delle onde.

L'olandese Christiaan Huygens si fece portavoce della teroia ondulatoria, portando avanti un dibattito sulla natura della luce ora noto come dualismo onda-copuscolo della luce. Il perchè di questo dualismo era da ricercare nel fatto che la luce sembrava comportarsi come una onda e come un corpuscolo a secondo degli esperimenti effettuati, senza però manifestare contemporaneamente i due aspetti.

Il dualismo fra onda o corpuscolo non risolveva un'altra questione importantissima da risolvere: quale fosse il mezzo di propagazione, sembrava inconcepibile pensare alla possibilità di trasmissione nel vuoto, certo si era a conoscenza del fatto che la luce si trasmette in assenza di aria ma occorreva ammettere l'esistenza di un mezzo materiale che permettesse la propagazione. Si doveva trattare di un mezzo non percepibile ai sensi comuni, immateriale, evanescente, sottile e trasparente, e l'etere aristotelico si prestava bene a queste caratteristiche.

Aristotele infatti, nella sua visione cosmologica, ammetteva l'esistenza di quattro elementi terrestri (terra, acqua, aria e fuoco) e un quinto elemento celeste, l'etere appunto. Aristotele immagino due fisiche diverse insomma, una per il mondo terrestre e l'altra per quello celeste al di là della Luna (la Terra per Aristotele infatti era al centro del sistema solare).

Galilei e Einstein fanno chiarezza

Grazie all'uso del telescopio Galileo Galilei riusci ad abbattere questa divisione fra fisica celeste e terrestre mostrando mofologie e dinamiche celesti simili a quelle esistenti sulla Terra.

Solo Albert Einstein però nei primi del Novecente ci permise di scardinare l'esistenza dell'etere. La luce si può trasmettere attraveso il vuoto ed anzi nel vuoto raggiunge la sua massima velocità (quasi 300.000 Km/s) valore, che secondo la terial della relatività di Einstein, è insuperabile.

Rimane da risolvere il dualismo onda-corpuscolo.

Principio di complementarietà di Bohr

Einstein nel 1922 vince il premio Nobel con l'effetto fotoelettrico che riposta in auge la teoria del corpuscolo di luce (quanto di luce o fotone) dopo che per anni la teoria ondulatoria sembraba la più probabile. La luce sparata sul metallo si comportava come un insieme di proiettili di luce, a dimostrazione di una natura non continua e discreta, un insieme di pacchetti di luce (privi di massa) con energie differenti.Ovviamente non si potevano ignorare i fenomeni di diffrazione e le altre evidenze della teoria ondulatoria, la luce aveva dunque una natura ambivalente, a volte rappresentabile come un'onda (diffrazione) a volte come corpuscolo (effetto fotoelettrico).

Riassumenti è chiaro che la luce è onda e corpuscolo allo stesso tempo, una natura non esclude l'altra ne si evidenziano contemporaneamente. Questo venne espresso dal principio di complementarietà di Bohr che fondò la cossiddetta Scuola di Copenaghen di Fisica quantistica.

Quindi il dualismo resta, è connaturato alla luce o forse corpuscolo e onda sono due eneti che l'uomo immagina per poter descrivere le proprietà di qualcosa la cui vera natura è un'altra, una natura per l'uomo incomprensibile. In effetti la fisica quantistica ci insegna che la natura ha in se stessa il limite che ne impedisce la sua intima conoscenza e le sue verità.

L'uomo deve quindi pensare di non poter conoscere l'essenza della cosa, ma solo alcuni suoi comportamenti, permettendosi di fare previsioni in maniera probabilistica e non certa.