È intorno a noi e ci permette di vedere il mondo. Ma chiedi a qualcuno di noi, e la maggior parte non sarà in grado di spiegare cos'è veramente questa luce. La luce ci aiuta a capire il mondo in cui viviamo. Il nostro linguaggio riflette questo: nell'oscurità ci muoviamo al tatto, iniziamo a vedere la luce insieme all'inizio dell'alba. Eppure siamo lontani da una comprensione completa della luce. Se avvicini un raggio di luce, cosa ci sarà dentro? Sì, la luce si muove incredibilmente velocemente, ma non può essere usata per viaggiare? E così via e così via.
Ovviamente non dovrebbe essere così. La luce ha lasciato perplessi le menti migliori per secoli, ma scoperte importanti negli ultimi 150 anni hanno gradualmente sollevato il velo di mistero su questo mistero. Adesso capiamo più o meno di cosa si tratta.
I fisici del nostro tempo non solo comprendono la natura della luce, ma cercano anche di controllarla con una precisione senza precedenti, il che significa che molto presto la luce può essere fatta funzionare nel modo più sorprendente. Per questo le Nazioni Unite hanno proclamato il 2015 Anno Internazionale della Luce.
La luce può essere descritta in tutti i modi. Ma vale la pena iniziare da questo: la luce è una forma di radiazione (radiazione). E questo confronto ha senso. Sappiamo che la luce solare in eccesso può causare il cancro della pelle. Sappiamo anche che l'esposizione alle radiazioni può metterti a rischio di alcune forme di cancro; è facile tracciare paralleli.
Ma non tutte le forme di radiazione sono uguali. Alla fine del XIX secolo, gli scienziati furono in grado di determinare l'esatta essenza della radiazione luminosa. E la cosa più strana è che questa scoperta non è nata dallo studio della luce, ma da decenni di lavoro sulla natura dell'elettricità e del magnetismo.
L'elettricità e il magnetismo sembrano essere cose completamente diverse. Ma scienziati come Hans Christian Oersted e Michael Faraday hanno scoperto che sono profondamente intrecciati. Oersted ha scoperto che una corrente elettrica che passa attraverso un filo devia l'ago di una bussola magnetica. Nel frattempo, Faraday ha scoperto che lo spostamento di un magnete vicino a un filo potrebbe generare una corrente elettrica nel filo.
I matematici di quel giorno usarono queste osservazioni per creare una teoria che descrivesse questo strano nuovo fenomeno, che chiamarono "elettromagnetismo". Ma solo James Clerk Maxwell è stato in grado di descrivere il quadro completo.
Il contributo di Maxwell alla scienza difficilmente può essere sopravvalutato. Albert Einstein, che è stato ispirato da Maxwell, ha detto che ha cambiato il mondo per sempre. Tra le altre cose, i suoi calcoli ci hanno aiutato a capire cos'è la luce.
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Maxwell ha dimostrato che i campi elettrici e magnetici viaggiano in onde e queste onde viaggiano alla velocità della luce. Ciò ha permesso a Maxwell di prevedere che la luce stessa è trasportata da onde elettromagnetiche, il che significa che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica.
Alla fine del 1880, pochi anni dopo la morte di Maxwell, il fisico tedesco Heinrich Hertz fu il primo a dimostrare ufficialmente che il concetto teorico di Maxwell dell'onda elettromagnetica era corretto.
"Sono sicuro che se Maxwell e Hertz vivessero nell'era del Premio Nobel, ne avrebbero sicuramente uno", afferma Graham Hall dell'Università di Aberdeen nel Regno Unito, dove Maxwell ha lavorato alla fine degli anni '50 del XIX secolo.
Maxwell è negli annali della scienza della luce per una ragione diversa e più pratica. Nel 1861, ha presentato la prima fotografia a colori stabile utilizzando il sistema di filtri a tre colori, che ha gettato le basi per molte forme di fotografia a colori oggi.
La stessa frase che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica non dice molto. Ma aiuta a descrivere ciò che tutti capiamo: la luce è uno spettro di colori. Questa osservazione risale al lavoro di Isaac Newton. Vediamo lo spettro dei colori in tutto il suo splendore quando un arcobaleno si alza nel cielo - e questi colori sono direttamente correlati al concetto di onde elettromagnetiche di Maxwell.
La luce rossa a un'estremità dell'arcobaleno è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda compresa tra 620 e 750 nanometri; il colore viola all'altra estremità è una radiazione con una lunghezza d'onda compresa tra 380 e 450 nm. Ma c'è di più nella radiazione elettromagnetica che nei colori visibili. La luce con una lunghezza d'onda più lunga del rosso è ciò che chiamiamo infrarossi. La luce con una lunghezza d'onda più corta del viola è chiamata ultravioletta. Molti animali possono vedere alla luce ultravioletta, e anche alcune persone possono vedere, dice Eleftherios Gulilmakis del Max Planck Institute for Quantum Optics a Garching, in Germania. In alcuni casi, le persone vedono persino gli infrarossi. Forse è per questo che non siamo sorpresi di chiamare forme di luce ultravioletta e infrarossa.
Curiosamente, tuttavia, se le lunghezze d'onda si accorciano o si allungano ancora, smettiamo di chiamarle "luce". Al di fuori dell'ultravioletto, le onde elettromagnetiche possono essere inferiori a 100 nm. Questo è il regno dei raggi X e dei raggi gamma. Hai mai sentito parlare dei raggi X come una forma di luce?
"Uno scienziato non dirà 'sto risplendendo attraverso un oggetto con raggi X. Dirà "Uso i raggi X", dice Gulilmakis.
Nel frattempo, al di là delle lunghezze d'onda infrarosse ed elettromagnetiche, le onde si estendono fino a 1 cm e persino migliaia di chilometri. Tali onde elettromagnetiche sono chiamate microonde o onde radio. Ad alcuni può sembrare strano percepire le onde radio come luce.
"Non c'è molta differenza fisica tra le onde radio e la luce visibile in termini di fisica", afferma Gulilmakis. "Li descriverai con le stesse equazioni e matematica". Solo la nostra percezione quotidiana li distingue.
Quindi, otteniamo una diversa definizione di luce. Questa è una gamma molto ristretta di radiazioni elettromagnetiche che i nostri occhi possono vedere. In altre parole, la luce è un'etichetta soggettiva che usiamo solo a causa dei limiti dei nostri sensi.
Se vuoi una prova più dettagliata di quanto sia soggettiva la nostra percezione del colore, pensa all'arcobaleno. La maggior parte delle persone sa che lo spettro della luce contiene sette colori primari: rosso, arancione, giallo, verde, ciano, blu e viola. Abbiamo anche pratici proverbi e detti sui cacciatori che vogliono sapere dove si trova un fagiano. Guarda un bell'arcobaleno e prova a vederli tutti e sette. Anche Newton non è riuscito. Gli scienziati sospettano che lo scienziato abbia diviso l'arcobaleno in sette colori, poiché il numero "sette" era molto importante per il mondo antico: sette note, sette giorni della settimana, ecc.
Il lavoro di Maxwell sull'elettromagnetismo ci ha fatto un passo avanti e ha mostrato che la luce visibile faceva parte di un ampio spettro di radiazioni. Anche la vera natura della luce divenne chiara. Per secoli, gli scienziati hanno cercato di capire quale forma assume effettivamente la luce su una scala fondamentale mentre viaggia dalla sorgente di luce ai nostri occhi.
Alcuni credevano che la luce si muovesse sotto forma di onde o increspature, attraverso l'aria o il misterioso "etere". Altri pensavano che questo modello d'onda fosse difettoso e consideravano la luce un flusso di minuscole particelle. Newton si è spinto verso la seconda opinione, soprattutto dopo una serie di esperimenti che ha condotto con la luce e gli specchi.
Si rese conto che i raggi di luce obbediscono a rigide regole geometriche. Un raggio di luce riflesso in uno specchio si comporta come una palla lanciata direttamente in uno specchio. Le onde non seguiranno necessariamente queste prevedibili linee rette, suggerì Newton, quindi la luce deve essere trasportata da una qualche forma di minuscole particelle prive di massa.
Il problema è che c'erano prove altrettanto convincenti che la luce è un'onda. Una delle dimostrazioni più evidenti di ciò fu nel 1801. L'esperimento della doppia fenditura di Thomas Young, in linea di principio, può essere svolto indipendentemente a casa.
Prendi un foglio di cartone spesso e taglia con cura due sottili tagli verticali. Quindi prendi una sorgente di luce "coerente" che emetterà solo luce di una certa lunghezza d'onda: un laser va bene. Quindi dirigere la luce verso due fessure in modo che mentre passa, cada sull'altra superficie.
Ti aspetteresti di vedere due linee verticali luminose sulla seconda superficie dove la luce è passata attraverso le fessure. Ma quando Jung ha fatto l'esperimento, ha visto una sequenza di linee chiare e scure come un codice a barre.
Quando la luce passa attraverso fessure sottili, si comporta come onde d'acqua che attraversano un'apertura stretta: si disperdono e si diffondono sotto forma di increspature emisferiche.
Quando questa luce passa attraverso due fessure, ogni onda smorza l'altra, formando macchie scure. Quando le increspature convergono, si completano per formare linee verticali luminose. L'esperimento di Young ha letteralmente confermato il modello ondoso, quindi Maxwell ha dato l'idea in una solida forma matematica. La luce è un'onda.
Ma poi c'è stata una rivoluzione quantistica
Nella seconda metà del diciannovesimo secolo, i fisici cercarono di capire come e perché alcuni materiali assorbono ed emettono radiazioni elettromagnetiche meglio di altri. Va notato che all'epoca l'industria della luce elettrica era appena in via di sviluppo, quindi i materiali che possono emettere luce erano una cosa seria.
Verso la fine del diciannovesimo secolo, gli scienziati scoprirono che la quantità di radiazione elettromagnetica emessa da un oggetto cambiava con la sua temperatura e misero questi cambiamenti. Ma nessuno sapeva perché stesse accadendo. Nel 1900 Max Planck risolse questo problema. Ha scoperto che i calcoli potrebbero spiegare questi cambiamenti, ma solo se assumiamo che la radiazione elettromagnetica venga trasmessa in minuscole porzioni discrete. Planck li chiamava "quanti", il plurale del latino "quantum". Alcuni anni dopo, Einstein prese le sue idee come base e spiegò un altro sorprendente esperimento.
I fisici hanno scoperto che un pezzo di metallo si carica positivamente quando viene irradiato con luce visibile o ultravioletta. Questo effetto è stato chiamato fotoelettrico.
Gli atomi nel metallo hanno perso elettroni caricati negativamente. Apparentemente, la luce ha fornito abbastanza energia al metallo per liberare alcuni degli elettroni. Ma il motivo per cui gli elettroni facevano questo non era chiaro. Potrebbero trasportare più energia semplicemente cambiando il colore della luce. In particolare, gli elettroni rilasciati da un metallo irradiato con luce viola trasportavano più energia degli elettroni rilasciati da un metallo irradiato con luce rossa.
Se la luce fosse solo un'onda, sarebbe ridicolo
Di solito, modifichi la quantità di energia nell'onda, rendendola più alta - immagina un alto tsunami di potere distruttivo - piuttosto che più lunga o più corta. Più in generale, il modo migliore per aumentare l'energia che la luce trasferisce agli elettroni è aumentare l'onda luminosa: cioè, rendere la luce più brillante. Cambiare la lunghezza d'onda, e quindi la luce, non avrebbe dovuto fare molta differenza.
Einstein si rese conto che l'effetto fotoelettrico è più facile da capire se rappresenti la luce nella terminologia dei quanti di Planck.
Ha suggerito che la luce è trasportata da minuscoli pezzi quantici. Ogni quanto trasporta una porzione di energia discreta associata a una lunghezza d'onda: minore è la lunghezza d'onda, più densa è l'energia. Questo potrebbe spiegare perché le porzioni di lunghezza d'onda relativamente corte della luce viola trasportano più energia delle porzioni relativamente lunghe della luce rossa.
Spiegherebbe anche perché il semplice aumento della luminosità della luce non influisce realmente sul risultato.
Una luce più brillante fornisce più porzioni di luce al metallo, ma questo non cambia la quantità di energia trasportata da ciascuna porzione. In parole povere, una porzione di luce viola può trasferire più energia a un elettrone rispetto a molte porzioni di luce rossa.
Einstein chiamava queste porzioni di energia fotoni e ora sono riconosciute come particelle fondamentali. La luce visibile viene trasportata dai fotoni e vengono trasportate anche altre forme di radiazioni elettromagnetiche come i raggi X, le microonde e le onde radio. In altre parole, la luce è una particella.
Con questo, i fisici hanno deciso di porre fine al dibattito su cosa sia fatta la luce. Entrambi i modelli erano così convincenti che non aveva senso abbandonarne uno. Con sorpresa di molti non fisici, gli scienziati hanno deciso che la luce si comporta come una particella e un'onda allo stesso tempo. In altre parole, la luce è un paradosso.
Allo stesso tempo, i fisici non hanno avuto problemi con la doppia personalità della luce. Questo, in una certa misura, rese la luce doppiamente utile. Oggi, affidandoci al lavoro dei luminari nel senso letterale della parola - Maxwell ed Einstein - spremiamo tutto dalla luce.
Risulta che le equazioni usate per descrivere l'onda di luce e la particella di luce funzionano altrettanto bene, ma in alcuni casi una è più facile da usare dell'altra. Pertanto, i fisici passano da uno all'altro, proprio come usiamo i metri per descrivere la nostra altezza, e vanno a chilometri, descrivendo un giro in bicicletta.
Alcuni fisici stanno cercando di usare la luce per creare canali di comunicazione crittografati, ad esempio per i trasferimenti di denaro. Ha senso per loro pensare alla luce come particelle. Ciò è dovuto alla strana natura della fisica quantistica. Due particelle fondamentali, come una coppia di fotoni, possono essere "entangled". Ciò significa che avranno proprietà comuni indipendentemente dalla loro distanza, quindi possono essere utilizzati per trasferire informazioni tra due punti sulla Terra.
Un'altra caratteristica di questo entanglement è che lo stato quantistico dei fotoni cambia quando vengono letti. Ciò significa che se qualcuno cerca di origliare su un canale crittografato, in teoria, tradirà immediatamente la sua presenza.
Altri, come Gulilmakis, usano la luce nell'elettronica. Trovano più utile rappresentare la luce come una serie di onde che possono essere domate e controllate. I moderni dispositivi chiamati "sintetizzatori di campo luminoso" possono combinare onde luminose in perfetta sincronizzazione tra loro. Di conseguenza, creano impulsi di luce più intensi, di breve durata e più direzionali rispetto alla luce di una lampada convenzionale.
Negli ultimi 15 anni, questi dispositivi hanno imparato ad essere utilizzati per domare la luce in misura estrema. Nel 2004, Gulilmakis ei suoi colleghi hanno imparato a produrre impulsi di raggi X incredibilmente brevi. Ogni impulso è durato solo 250 attosecondi, o 250 quintilioni di secondi.
Utilizzando questi piccoli impulsi come il flash di una fotocamera, sono stati in grado di catturare immagini di singole onde di luce visibile che oscillano molto più lentamente. Hanno letteralmente scattato foto di luci in movimento.
"Sin dai tempi di Maxwell, sapevamo che la luce è un campo elettromagnetico oscillante, ma nessuno pensava nemmeno che avremmo potuto scattare foto di luce oscillante", afferma Gulilmakis.
L'osservazione di queste singole onde di luce è stato il primo passo verso la manipolazione e la modifica della luce, dice, proprio come alteriamo le onde radio per trasportare i segnali radio e televisivi.
Un secolo fa, l'effetto fotoelettrico ha mostrato che la luce visibile colpisce gli elettroni in un metallo. Gulilmakis afferma che dovrebbe essere possibile controllare con precisione questi elettroni utilizzando onde luminose visibili modificate per interagire con il metallo in un modo ben definito. "Possiamo manipolare la luce e usarla per manipolare la materia", dice.
Questo potrebbe rivoluzionare l'elettronica, portare a una nuova generazione di computer ottici più piccoli e più veloci dei nostri. "Possiamo muovere gli elettroni a nostro piacimento, creando correnti elettriche all'interno dei solidi con l'aiuto della luce, e non come nell'elettronica ordinaria".
Ecco un altro modo per descrivere la luce: è uno strumento
Tuttavia, niente di nuovo. La vita usa la luce sin da quando i primi organismi primitivi svilupparono tessuti sensibili alla luce. Gli occhi delle persone catturano i fotoni della luce visibile, li usiamo per studiare il mondo che ci circonda. La tecnologia moderna porta questa idea ancora oltre. Nel 2014, il Premio Nobel per la Chimica è stato assegnato ai ricercatori che hanno costruito un microscopio ottico così potente da essere considerato fisicamente impossibile. Si è scoperto che se ci proviamo, la luce può mostrarci cose che pensavamo non avremmo mai visto.
