02_IMMIRZI_Fisica Luce

La Fisica della Luce
Dai Greci in poi.
Giorgio Immirzi
(già) professore associato di fisica
Dipartimento di Fisica, Università di Perugia
e INFN, sez. di Perugia.
[email protected]
Che cos’è la luce?
I greci avevano le idee parecchio confuse sulla luce; Archimede sapeva costruire specchi concavi, ma la dottrina corrente, elaborata da Pitagora e accettata da Euclide, era che la visione dipendesse da raggi emessi dagli occhi che rimbalzavano sugli oggetti; un’estensione dell'idea di toccare. L'idea che la luce sia emessa da una sorgente e riflessa da un oggetto verso l'occhio sembra dovuta a Epicuro, ma venne più o meno universalmente accettata solo verso il AD 1000, per l'influenza del matematico arabo Alhazen. Bisogna attendere l’inizio del `600 per avere con l'olandese Snell le leggi della rifrazione e riflessione, poi perfezionate da Fermat. Si elaborano poi due teorie contrapposte: che cosa è, di che cosa è fatta la luce? Onde? (Huygens, ~1680) sul modello delle onde del
mare.
Corpuscoli? (Newton, ~ 1700) sul modello della
meccanica.
L’autorità di Newton fa si che per tutto il ‘700 prevalga teoria corpuscolare. Per tutto l’800 invece prevale la teoria ondulatoria. Come mai?
Le onde si propagano rigenerandosi. Che significa?
Vicino alla spiaggia, vale il verso del poeta (Pascoli):
Noi siamo onde superbe, onde sommesse.
Onde, e non più. L'acqua del mare é tanta!
Siamo in un attimo, e non mai le stesse.
Ora io son quella che già là s’ è franta. E io già quella ch'ora là si frange.
L'onda che geme ora è lassù, che canta;
l'onda che ride, ai piedi tuoi già piange.
Noi siamo quello che sei tu: non siamo.
L'ombre del moto siamo.
Lontano dalla riva, l'acqua va su e giù, ma non si sposta; quello che si propaga è il movimento.
L’idea (di Huygens) è che se un pezzo di acqua oscilla verticalmente, fa oscillare il pezzo successivo e così via; ogni punto di un fronte d’onda è una sorgente di onde, che tutte insieme formano il fronte successivo. Se il fronte di partenza è dritto, il successivo sarà anche dritto. Perché? perché se l'onda emessa da un punto prova ad andare storta, interferisce con quella emessa dal punto vicino.
Un plotone di soldati va (più o meno) dritto perché se uno devia, pesta i piedi al vicino. Ma qui ho usato la parola chiave INTERFERISCE, che è una cosa diversa. Le onde possono sovrapporsi e interferire, rinforzandosi o cancellandosi; al contrario, un piede pestato non sparisce.
E quindi, finché il fronte è piano tutto è bene, continuerà a essere piano. La cosa diventa più interessante se c’ è un ostacolo, per es. un passaggio stretto o un paio di passaggi stretti messi molto vicino. E quindi, finché il fronte è piano tutto è bene, continuerà a essere piano. La cosa diventa più interessante se c’ è un ostacolo, per es. un passaggio stretto o un paio di passaggi stretti messi molto vicini.
La cosa importante da notare è
che ci sono angoli dove la luce
andrebbe se ci fosse una sola fenditura, ma non va se ce ne sono
due a causa dell’interferenza.
Tutti questi fenomeni sono osservati con la luce, e si capiscono solo se supponiamo che la luce sia fatta di onde. Sarebbero incomprensibili se fosse fatta di corpuscoli
Ma onde di che? La grande scoperta di Maxwell ~1870 è che esistono onde
elettromagnetiche, che si propagano con velocitá c=300000 km/s, la stessa di quella misurata per la luce: conclude che la luce è fatta di onde
e.m., un campo elettrico e uno magnetico che oscillano e si propagano. Un’onda e.m. polarizzata linearmente è fatta più o meno così: Le onde e.m. trasportano energia.
Tutto bene? Tutto chiaro? No, manca ancora qualcosa. Il modello
corpuscolare è duro a morire. La luce è fatta di onde e.m., ma la materia è fatta di corpuscoli carichi che emettono e assorbono
onde.
C’è molto trionfalismo nella scienza alla fine dell’ottocento, ma varie
cose non tornano. Per spiegare lo spettro della radiazione emessa
da un corpo caldo, Max Planck deve ricorrere alla strana ipotesi che
l’energia e.m. sia `quantizzata’ in pacchetti ciascuno di
energia E=hν , h=`costante di Planck’, ν = frequenza.
E c’è l’effetto fotoelettrico: se un’onda e.m. sbatte su una superficie di metallo vengono emessi elettroni. Di per se niente di strano. Ma Philip Lenard scopre che l’energia di questi elettroni dipende solo dalla
frequenza della radiazione, non dalla sua intensità. Riceve il premio
Nobel nel 1905. Nello stesso anno spunta il ben noto impiegato dell’ufficio
brevetti di Berna, Albert Einstein, con la
stravagante idea che la luce è fatta di particelle che chiama fotoni, ciascuno di
energia E=hν. Lenard diventerà poi nazista e un feroce
antisemita. Einstein farà una buona carriera.
Ma insomma, la luce è fatta di onde o di particelle?
Tutte e due!
ma l’immagine di entrambe che abbiamo in testa è inadeguata.
Questo dualismo onda‐particella è il punto di partenza della
meccanica quantistica, la grande scoperta del XX secolo. Poi si trova
che gli elettroni di un atomo hanno livelli energetici, e che la luce
viene emessa e assorbita nei salti tra livelli, con hν=ΔΕ,
e un sacco di altre belle cose.
Nel 1879 Edison inventa la lampadina: usa la radiazione emessa da un filamento
incandescente. Quando la cosa arriva a Napoli, mio nonno ne è
estasiato; i suoi figli diventeranno ingegneri
elettrotecnici. Molto più tardi vengono le lampade
fluorescenti e quelle al neon. Nel ~‘62 arrivano i
LED (light emitting diodes; elettroni e lacune si ricombinano in un semiconduttore emettendo luce).
Infine, il
Laser (light amplification by stimulated emission of radiation)
Nel 1917 Einstein rideriva la legge di Planck a partire dall’assorbimento,
emissione spontanea ed emissione stimolata di radiazione. Ma l’idea
viene sviluppata solo negli anni ‘50, prima per amplificare micro‐onde
(MASER), poi per generare radiazione, da A.Kastler (pompaggio ottico
1950); poi Townes, Basov, Prokhorov,… indipendentemente, ~1960. (Da wikipedia)
Per ottenere emissione stimolata ci vuole una cavità in cui il livello
eccitato di un materiale (il `gain medium’) è mantenuto sovrapopolato, e la luce emessa viene riflessa. Qui c’è l’esempio di uno dei primi laser; produce un breve ma potente lampo di luce rossa.
Vari tipi di laser; I più comuni oggi sono a stato solido; per es.:
Questa è la più comune
configurazione di livelli.
A parte i giochini che posso mostrare e gli effetti speciali tipo X‐Factor, il
Laser è davvero una delle grandi invenzioni del XX secolo. Di tutt’altro
genere, io sono convinto che le prossime sorprese verranno dall’uso e lo sviluppo dell’olografia. Ma poi, chissà.
E la fisica? Dalla teoria di Maxwell si è arrivati all’elettrodinamica
quantistica (QED), spettacolare per i calcoli teorici che permette e le
verifiche sperimentali, prototipo delle teorie delle particelle elementari.
Io, come ogni fisico, spero che il futuro ci porti qualche bella, grande
sorpresa, jn modo che un mio nipote si possa fare una bella risata sulle
idee che vi ho raccontato. Grazie per l’attenzione