Fiat lux. Breve storia della luce (parte prima)
a cura di Mario Bruschi, Dipartimento di Fisica Università “La Sapienza”
Iddio disse: “Sia la luce”: e la luce fu.
[GENESI 1,3]
L’importanza della luce non solo nella vita comune ma anche nell’immaginario collettivo (nonché nelle tradizioni religiose e mistiche) è ben nota: ma invero la luce occupa un posto peculiare anche nella Fisica per le sue proprietà singolari e affascinanti.
Ad esempio, come ormai tutti sanno, la sua velocità è costante in ogni riferimento: per apprezzare la stranezza di tale comportamento pensate di essere sul ciglio della strada mentre una Ferrari sfreccia avanti a voi a 200 Km/h; bene, pensate ora di essere a bordo di una macchina e di viaggiare a 120 km/h mentre la stessa Ferrari vi sta sorpassando: ora avrete l`impressione che sia sì veloce ma non tanto quanto prima [ e in effetti, rispetto a voi, la Ferrari, che pur sta viaggiando ancora a 200 km/h rispetto alla strada, va a “soli” 80 [80=200-120] km/h ]; adesso immaginate di essere anche voi su una macchina che va a 200 km/h: la Ferrari che tenta di superarvi rimane affiancata a voi cioè è ferma rispetto a voi.
Tutto questo vi sembrerà banale e infatti fa parte della vostra esperienza quotidiana: ma provate a fare la stessa cosa con la luce: ecco, voi siete fermi e un raggio di luce vi sfreccia avanti alla velocità di circa 1080 milioni di chilometri all’ora; bene, ora immaginate di essere su una superastronave che viaggia a 1000 milioni di chilometri all’ora, potreste ben pensare in analogia a quanto sopra che la luce vi appaia abbastanza più lenta [in effetti sareste portati a dire che adesso, rispetto a voi, la sua velocità sia di “soli” 80 milioni di chilometri all’ora: invece non è così, quel raggio di luce impertinente continua a sfrecciare avanti al vostro naso alla stessa velocità di prima; immaginate allora di accelerare fino a quasi 1080 milioni di chilometri all’ora pensando di affiancarlo: ebbene, quel benedetto raggio di luce saetta [marameo!] avanti a voi ancora a 1080 milioni di chilometri all’ora!
Un’altra stranezza, meno nota, della luce la potremmo ‘vedere’ se potessimo, come soleva fingere Einstein, metterci a “cavalcioni” su di essa : mentre per noi un raggio di luce emesso, diciamo, da Proxima Centauri, che pure è la stella più vicina, impiega ben quattro anni per raggiungere il nostro occhio [dopo aver viaggiato per quaranta milioni di milioni di chilometri!], dal punto di vista della luce questo intervallo di tempo non esiste, per la luce la partenza dalla stella, il viaggio, l’arrivo sulla retina del nostro occhio avvengono nel medesimo istante!
Un ipotetico “essere di luce” vivrebbe nel non-tempo… lascio a voi spiegare perchè la luce è stata sempre, in tutte le culture, simbolo dell’eterno, del divino, etc… Ma c’è ancora una singolarità riguardo la stessa essenza o intima natura della luce: stiamo parlando della dualità onda-particella che ha portato in effetti una rivoluzione nelle nostre teorie scientifiche, e quindi nella nostra concezione della realtà, paragonabile o forse più grande a quella, più nota, della Relatività.
Prima di entrare nel vivo, spero che abbiate chiaro almeno intuitivamente cosa si intende per “particella” e cosa per “onda”. Una “particella” è un corpuscolo, potete anche pensare ad una pallina di piccolissime dimensioni ma con intatte le caratteristiche di solidità e localizzazione: in altri termini una “particella” occupa una posizione dello spazio ben definita: se è qui non può allo stesso tempo essere lì; inoltre muovendosi percorre una traiettoria con velocità che, in linea di principio, può essere conosciuta istante per istante.
E ancora, se la particella-pallina urta un ostacolo può rimbalzare più o meno deviata o penetrare più o meno profondamente o addirittura rompersi se l’urto è abbastanza violento. Una particella si comporta quindi come comunemente si comportano una pallina o un sassolino.
Le caratteristiche salienti di un’onda, cioè fluidità e delocalizzazione, sono ben diverse e potremmo anche dire antitetiche a quelle di una particella [solidità e localizzazione]. Se avete mai osservato con un pò di attenzione un qualche tipo di onda [al mare, in una bacinella, gettando sassi in uno stagno] sapete che non si può dire “ecco l’onda è precisamente qui”, perchè mentre una sua parte vi bagna i piedi, un’altra parte sta sollevando il windsurf: l’onda non occupa una posizione precisa dello spazio ma è [più o meno] estesa o, in termini tecnici ‘delocalizzata’ e l’estensione può variare nel tempo [basta pensare alle onde concentriche provocate da un sassolino che cade in un laghetto, onde dapprima piccole e mano a mano sempre più larghe…].
D’altra parte non si può neanche parlare rigorosamente di velocità dell’onda perchè parti diverse possono ben avere, e in genere hanno, velocità diverse]. E, ovviamente, mentre due particelle non possono penetrarsi (provate con due sassolini!), due onde possono ben sovrapporsi. Inoltre quando un’onda incontra un ostacolo strane cose accadono: in effetti le cose vanno come se i punti di contatto diventassero ‘sorgenti’ di tante altre onde che sovrapponendosi riformano un’onda che può anche essere passata in parte al di là dell’ostacolo stesso [i singoli scogli non fermano le onde!].
Convinti, spero, che “onde” e “particelle” sono fenomeni (in qualche modo) opposti, domandiamoci ora: la natura intrinseca della luce è ondulatoria o corpuscolare? la luce è fatta di onde o di particelle? Nell’antichità fino a tutto il Medio Evo poco si sapeva sulla luce e la sua natura: erano conosciuti i fenomeni della riflessione e della rifrazione, era stato appurato che i raggi luminosi viaggiano in linea retta e si congetturava che gli stessi fossero costituiti da corpuscoli emessi, secondo alcuni, dagli oggetti luminosi , secondo altri, dall’occhio stesso (?!). Quindi le prime teorie sulla luce, se di teorie si può parlare, sono state ‘corpuscolari’: la luce è fatta di particelle.
Così pensava anche Isaac Newton, scopritore dello “spettro” cioè della scomposizione della luce bianca nei vari colori dell’iride mediante prismi di vetro; la teoria corpuscolare Newtoniana spiegava la riflessione (le particelle rimbalzano, appunto come palline, sugli specchi) e la rifrazione (la velocità delle particelle di luce nell’acqua è minore di quella nell’aria). Restavano comunque molti enigmi: come mai due o più fasci luminosi possono attraversarsi o sovrapporsi (come fanno, ad esempio, i raggi colorati provenienti dalla scomposizione della luce bianca, ripassando in un prisma opportuno e riformando un unico raggio bianco)? Le particelle che li formano non dovrebbero invece urtarsi e quindi sparpagliarsi? E perchè le particelle di luce azzurra vengono rifratte in misura diversa da quelle di luce rossa? Siamo nel diciassettesimo secolo, precisamente nel 1666; circa dieci anni più tardi il fisico olandese C. Huygens introduceva una teoria antitetica, una teoria ondulatoria della luce: la luce è fatta di onde piccolissime e i diversi colori sono dovuti a diverse lunghezze d’onda [la lunghezza d’onda è la distanza tra due ‘creste’ successive (o tra due ‘ventri’ successivi)].
La teoria ondulatoria spiegava altrettanto bene di quella corpuscolare la riflessione e ancora meglio la rifrazione; si capiva inoltre facilmente perchè due raggi possono incrociarsi o sovrapporsi poichè appunto queste sono proprietà tipiche delle onde. Ma se alcune domande imbarazzanti ricevevano risposta, altrettante nuove sorgevano: come mai infatti la luce, se è fatta di onde, non aggira gli ostacoli come fanno le onde sonore o le usuali onde nell’acqua? E, soprattutto, dato che le onde sono comunque perturbazioni di un mezzo materiale [l’aria, nel caso del suono; l’acqua o un altro fluido, nel caso delle usuali onde], come può la luce viaggiare nel vuoto ? (nel vuoto non si propagano suoni, come anche i bambini sanno nella nostra era spaziale, ma nel vuoto sicuramente viaggia la luce proveniente dal sole e dalle lontane, silenti stelle). Per tutto il secolo diciottesimo le due teorie alternative rimasero in competizione (con una leggera prevalenza della teoria corpuscolare-newtoniana, più per l’autorità e il prestigio di Newton che per meriti intrinseci).
Tuttavia nel secolo diciannovesimo tutta una serie di acquisizioni sperimentali e teoriche sembrarono sancire la vittoria definitiva della teoria ondulatoria. Fresnel dimostrò infatti che la luce aggira effettivamente gli ostacoli (fenomeno della diffrazione; non ce ne accorgiamo comunemente solo per l’estrema piccolezza delle lunghezze d’onda luminose : l’onda ‘rossa’, che pure è la più ‘lunga’ nello spettro visibile, ha una lunghezza di 75 milionesimi di centimetro, più piccola del più piccolo dei batteri!); Young dimostrò che la luce può “interferire” (l’interferenza è un fenomeno tipico delle onde ma non delle particelle! su tale fondamentale fenomeno dovremo ritornare con maggior dettaglio nel prossimo articolo) e infine C. Maxwell con le sue famose equazioni che unificavano elettricità e magnetismo riuscì a mostrare che la luce è un onda elettromagnetica: sono le vibrazioni del “campo” elettrico e magnetico che si propagano come onde di varia lunghezza ma con la stessa velocità (diversa tuttavia nei vari mezzi).
La teoria permetteva addirittura di dedurre la velocità della luce nei vari mezzi e nel vuoto (velocità che nel frattempo era nota grazie alle accurate misurazioni di Fizeau); inoltre apriva la porta alla possibilità di altre radiazioni della stessa natura della luce al di sotto della lunghezza d’onda del violetto (la più corta) e al di sopra di quella del rosso (la più lunga); in effetti risultò che la luce occupa una piccolissima parte dello spettro elettromagnetico; ora sappiamo che (in ordine per lunghezza d’onda crescente) raggi gamma, raggi X, raggi ultravioletti, luce, calore irraggiato, microonde, onde radio sono un solo e unico fenomeno, sono tutte onde elettromagnetiche che viaggiano alla medesima velocità e differiscono solo per la lunghezza d’onda! Che splendida sintesi di conoscenze! Anche la questione del vuoto sembrava essere risolta con l’introduzione dell’etere, una materia sottilissima che doveva permeare tutto l’universo: era nell’etere e non nel vuoto che le onde elettromagnetiche si formavano e viaggiavano.
Sembrava dunque che la lunga e contrastata storia della luce fosse giunta infine al fine: la luce è un onda e precisamente un’onda elettromagnetica. Punto. Amen. Ma la natura è più sottile anche della nostra immaginazione e dopo soli pochi anni, a cavallo del volgere del secolo, quella che sembrava una sistemazione teorica elegante, potente e definitiva doveva (miseramente ?) crollare. Ma questa è un’altra (affascinante) storia: arrivederci al prossimo articolo.
Mario Bruschi
