Le teorie sulla natura della luce

Fin dai tempi più remoti l’umanità si è interrogata su quale fosse la reale natura della luce. Le prime teorie note a riguardo, per quanto concerne il mondo occidentale, risalgono all’antica Grecia, ed esse si basano sull’interpretazione metafisica dei dati dell’esperienza sensibile.

Secondo Pitagora e i pitagorici i meccanismi che sottostanno alla visione sono da ridurre a processi di percezione tattile: l’occhio umano emana raggi visuali rettilinei che, toccando i corpi, portano alla percezione visiva. Da tale concezione deriva la teoria di Platone, per la quale la visione ha origine all’interno dell’anima, in quanto quest’ultima produce, all’interno dell’occhio, un “fuoco visuale” che filtra all’esterno.

Esso incontra la luce diurna e, essendo di natura simile a essa, si amalgama con questa, producendo così un “corpo omogeneo” (o “visuale”) che si estende dall’occhio all’oggetto osservato e trasferisce al primo le informazioni sul secondo.

Altra teoria importante è quella di Democrito e degli atomisti, secondo i quali dai corpi luminosi partono atomi, che costituiscono immagini dei corpi medesimi, e che vengono in seguito carpiti dall’occhio, dove generano la visione.

In contrasto con la teoria atomistica e quella dei raggi visuali si pone la concezione di Aristotele, il quale afferma che la luce non è sostanza corporea, bensì una proprietà accidentale di una sostanza trasparente (aria, acqua). Per spiegare la sua teoria utilizza il termine “diafano”, che sta a indicare un corpo attraverso il quale si vede indistintamente, ossia attraverso il quale l’immagine di un oggetto è riconoscibile.

La luce sarebbe in realtà una modificazione di tali corpi dovuta a eccitazione provocata dal calore del corpo, dal fuoco o dall’etere (il quinto elemento aristotelico).

Speculazioni sulla natura della luce registrano un notevole incremento con l’età moderna. Per Galileo la luce deriva dal fuoco “per altissima risoluzione in atomi realmente indivisibili”. Cartesio afferma che essa è una proprietà meccanica di un corpo luminoso, e mette a punto una teoria della rifrazione, la quale afferma, in modo incorretto, che la luce viaggia più velocemente nei materiali più densi rispetto a quelli meno densi, in modo analogo a come si comportano le onde sonore.

Nonostante i suoi errori, la teoria del filosofo francese, poiché considera la luce come proprietà meccanica e che questa si comporta come un’onda, è presa come punto di partenza della moderna fisica ottica.

Dalla seconda metà del Seicento vengono formulate le prime teorie organiche sulla natura della luce. Nel 1678 il fisico olandese Christiaan Huygens avanza la prima fondamentale teoria ondulatoria della luce: La luce è vista come un’onda che si propaga in un mezzo detto etere, che, si suppone, pervade tutto l’universo ed è formato da microscopiche particelle elastiche.

Tale concezione fornisce, finalmente, una spiegazione coerente a fenomeni come quelli della riflessione, rifrazione (cambiamento della direzione della luce quando incontra una sostanza trasparente) e diffrazione (cambiamento della traiettoria quando la luce incontra un ostacolo).

Tuttavia, la teoria è contraddetta dal fatto che la luce si propaga in linea retta e non è in grado di aggirare gli ostacoli come le altre onde. Perciò prende campo la concorrente teoria corpuscolare, il cui massimo sostenitore è Isaac Newton.

Essa afferma che la luce è composta da particelle che si propagano nel mezzo seguendo le leggi della meccanica classica, e seguendo una linea retta. Per tale ragione tale flusso è in grado di rimbalzare contro gli ostacoli e passare attraverso i mezzi trasparenti.

Nel 1870 il fisico scozzese James Clerk Maxwell, approfondendo la teoria ondulatoria, arriva a affermare che la luce è una forma di energia radiante e si propaga per mezzo di radiazioni elettromagnetiche (e non più elastiche). Tali radiazioni sono formate da un campo elettrico e un campo magnetico associati e oscillanti, quest’ultimo comportamento tipico delle onde.

La luce è, come tutte le altre onde elettromagnetiche, un’onda non longitudinale, ma trasversale, ossia in essa direzione di oscillazione e direzione di propagazione sono perpendicolari tra loro. Maxwell ritiene ancora necessaria l’esistenza di un mezzo di diffusione (l’etere), non concependo che la luce può propagarsi anche nel vuoto.

La teoria ondulatoria appare definitiva finché, agli inizi del Novecento, Max Planck, per risolvere il problema sulla trattazione della radiazione emessa dal corpo nero (oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente senza rifletterla), idea l’artificio matematico dei “quanti”, pacchetti di energia.

Einstein, nello stesso anno in cui formula la teoria della relatività, con la quale postula la costanza della velocità della luce e spoglia i sistemi fisici di ogni punto di riferimento privilegiato e dell’ipotesi dell’etere, riprende l’dea di Plank, ipotizzando che la sua non fosse un mero artifizio matematico, ma descrivesse la reale struttura granulare della luce, la quale sarebbe costituita da quanti (che, nel 1926, Lewis ribattezza fotoni) emessi per unità indivisibili.

In tal modo Einstein riesce a dare una spiegazione dell’effetto fotoelettrico, fenomeno che consiste nell’emissione, da parte di un metallo, di elettroni, quando viene investito da radiazione elettromagnetica. Tale concezione “corpuscolare” di Einstein riaccende l’antico contrasto tra teorie corpuscolari e teorie ondulatorie della luce.

La meccanica quantistica ha, alla fine, conciliato le due scuole di pensiero, sintetizzandole nel dualismo onda-particella e nel principio di complementarietà: alla natura corpuscolare della materia è abbinata la natura probabilistica dell’evento fisico, tipica dei fenomeni ondulatori. Perde di significato il concetto di traiettoria in favore della probabilità che la particella si trovi in un dato punto in un dato istante.

Esperimento chiave per capire la doppia natura della luce è quello della doppia fenditura, una variante di quello condotto nel 1801 da Young, il quale aveva ritenuto, invece, di aver dimostrato la natura ondulatoria della luce. Nell’esperimento originale veniva illuminata con una sorgente monocromatica intensa, una parete dove erano poste due fenditure, e a una certa distanza dalla parete stessa, era collocato uno schermo dove valutare l’effetto di sovrapposizione delle due onde, interpretato come sequenza di zone illuminate e zone scure.

L’alternanza tra zone chiare e scure era stata attribuita al fenomeno dell’interferenza costruttiva e distruttiva (diffrazione) ed era stata considerata come prova dell’impossibilità del fatto che la luce si propagasse in linea retta.

L’esperimento viene replicato nel 1927 da Davisson e Germer, i quali utilizzarono lastre rilevatrici più sensibili e una sorgente estremamente debole di luce e elettroni, fino all’emissione di un unico fotone. Il risultato è che sulla lastra si rilevano punti luminosi, indicativi di un comportamento corpuscolare, i quali però all’inizio hanno una distribuzione che non corrisponde alla posizione delle fenditure, ma appare caotica.

Man mano che i punti aumentano di numero, però, compaiono le frange di interferenza tipiche del fenomeno ondulatorio. Ciò dimostra la doppia natura della luce: la posizione della particella sullo schermo dipende dalla presenza delle fenditure che scindono l’onda originale in due onde che interferiscono tra loro, mentre quando questa viene osservata tramite la rilevazione sullo schermo, essa appare solamente come corpuscolo.

Fonti:
www.boscarol.com
www.treccani.it
www.matematicamente.it
www.digilander.libero.it
www.chimica-online.it