Natura e propagazione della luce
Fino alla metà del XVII secolo si credeva che la luce consistesse in un flusso di corpuscoli che,
emessi da sorgenti luminose quali il sole o la fiamma di una candela, si propagassero verso l’esterno
lungo linee rette. Essi potevano attraversare i materiali trasparenti ed essere riflessi dalla superficie dei
materiali opachi. Quando i corpuscoli colpivano l’occhio, veniva stimolata la vista.
Non potrebbe essere ritenuta valida una teoria della luce che risultasse incapace di prevedere le leggi
della riflessione e della rifrazione. La teoria corpuscolare spiega in maniera semplice tali fenomeni.
Nel 1678 il fisico olandese Christian Huygens propose una teoria ondulatoria della luce. In questa
teoria si formula l’ipotesi che la luce abbia carattere ondulatorio anziché corpuscolare. Huygens
dimostrò che non solo le leggi della riflessione e della rifrazione potevano essere spiegate in maniera
semplice secondo tale teoria, ma anche altri fenomeni ottici scoperti recentemente. Si obiettò, ad
esempio, che se la luce fosse di natura ondulatoria si dovrebbe vedere dietro agli spigoli di eventuali
ostacoli incontrati dall’onda, poiché le onde possono aggirare gli ostacoli (diffrazione). Noi adesso
sappiamo che le lunghezze d’onda della luce sono così corte che l’aggiramento, che pure avviene, è così
piccolo che non si può osservare.
Solamente nel 1827 gli esperimenti di Young e Fresnel sull’interferenza e quelli di Foucault sulla
determinazione della velocità della luce nei liquidi, mostrarono l’esistenza di fenomeni ottici che la
teoria corpuscolare non riusciva a spiegare. Fresuel dimostrò che i fenomeni di diffrazioni osservati da
Grimaldi e il fenomeno dell’interferenza potevano essere interpretati considerando il comportamento di
onde aventi piccola lunghezza d’onda.
L’esatta natura delle onde luminose e del mezzo che le trasmette rimaneva ancora un problema
insoluto. L’“etere” postulato da Huygens come mezzo di trasmissione, che si riteneva che riempisse lo
spazio vuoto e permeasse i pori di materiali trasparenti, doveva possedere proprietà notevolmente
contrastanti. Se le onde luminose fossero state onde elastiche simili a quelle sonore, per tener conto
dell’elevata velocità di propagazione, l’etere doveva essere molto rigido. Esso tuttavia non doveva
opporsi al moto di un corpo, in quanto ad esempio i pianeti vi si muovono senza alcuna apprezzabile
diminuzione di velocità.
Il successivo passo avanti nella teoria della luce si deve a J. C. Maxwell. Nel 1873 Maxwell
dimostrò che un circuito elettrico oscillante poteva irradiare onde elettromagnetiche. La velocità delle
onde calcolata da semplici misure elettriche e magnetiche risultò uguale alla velocità della luce misurata
direttamente. Era inevitabile ammettere che la luce fosse un’onda elettromagnetica di lunghezza d’onda
molto corta.
Quindici anni dopo la scoperta di Maxwell, H. Hertz usando un circuito oscillante di piccole
dimensioni generò onde di piccolissima lunghezza d’onda (microonde) e dimostrò che possedevano tutte
le proprietà delle onde luminose. Esse potevano essere riflesse, rifratte, polarizzate, proprio come le
onde luminose.
La teoria elettromagnetica della luce di Maxwell e la sua giustificazione sperimentale di Hertz
costituirono uno dei trionfi della Fisica. Però questa teoria non spiegava l’emissione fotoelettrica, cioè
l’emissione di elettroni da parte di un conduttore colpito da onde luminose.
Nel 1905 Einstein, riprendendo un’ipotesi avanzata da Planck nel 1900, postulò che l’energia di
un’onda elettromagnetica era concentrata in piccoli pacchetti o “fotoni” e non si distribuiva
uniformemente nello spazio. La rappresentazione ondulatoria non fu del tutto abbandonata in quanto il
fotone possedeva ancora frequenza e la sua energia era proporzionale alla stessa.
I fisici, attualmente, ammettono un comportamento duale della luce. I fenomeni di propagazione
della luce sono descritti dalla teoria ondulatoria elettromagnetica, mentre i fenomeni di interazione della
luce con la materia (emissione ed assorbimento) sono descritti dalla teoria corpuscolare.
Infine, Heisemberg dimostrò come sia possibile per la luce possedere la natura duale di ondaparticella. Ciò accade perché questi due aspetti, così evidentemente opposti l’uno all’altro, non si
possono mai presentare insieme nella stessa situazione sperimentale. La luce è come una “moneta” della
quale si possono mettere in evidenza le facce una alla volta; ma non entrambe contemporaneamente.
Quindi le idee di onda e di particella sono complementari e non contraddittorie.
