LA LUCE È ENERGIA COINVOLTA NEL MECCANISMO DELLA VITA UMANA

La luce è un’onda elettromagnetica corpuscolare che si propaga, si  riflette e si rifrange.  Quando le sue onde interferiscono, possono dare luogo al buio. È il fenomeno della interferenza. Si pensi al sasso nello stagno che produce cerchi sempre più ampi , concentrici. Tali cerchi , aumentati e intersecantisi tra loro,  determinano onde che si intrecciano e collidono.  Le onde possono essere in fase tra loro  ma anche essere “in contro fase” (il contrario delle onde allineate tra loro ) che, interferendo, si annullano  dando luogo al nulla, al buio, non si proiettano  . Con il famoso esperimento delle doppie fenditure,  l’interferenza della luce  proietta luce e buio sull’elemento o “muro” della proiezione. Questo dimostra che la luce è una particella allo stesso tempo corpuscolare e ondulatoria. Si comporta cioè allo stesso tempo come un’onda avente anche massa, corpuscolo. La luce cioè , è sì un’onda,  ma si sostanzia e consta  anche di una miriade di corpuscoli aventi masse diverse. Se si scompone la luce  in un prisma , essa mostra uno spettro continuo di vari colori  dovuti alla diversità delle sue masse. Lo spettro è lo spettro delle onde emesse, cioè irradiate, dall’energia del campo elettromagnetico.

Ogni carica elettrica variabile nel tempo genera infatti un campo elettromagnetico che si propaga nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche. Lo spettro mostra prima il colore rosso, poi l’arancio, poi il giallo, il verde, l’azzurro, l’indaco ed il viola. Il passaggio da un colore all’altro è graduale,   non netto . Il colore rosso devia meno di tutti gli altri  rispetto, ad esempio, al viola che devia moltissimo  rispetto alla proiezione, dopo il passaggio nel prisma. Questo ha fatto pensare che il colore rosso sia costituito di corpuscoli di  massa maggiore. Tale massa diminuisce in quanto a corpuscoli andando verso il viola. Il prisma “seleziona” quindi i corpuscoli che, a seconda della maggiore o minore massa,  assumono colori differenti. Analogamente succede al sasso nello stagno che, quando  ha massa minore,  produce maggiore deviazione rispetto ad una ipotetica perpendicolare, entrando nell’acqua.

Alla luce /onda si associano dunque diverse masse cui corrispondono differenti colori delle onde di diversa frequenza.

Il colore rosso ha una frequenza minore che cresce mano a mano che si va verso il viola, che ha la frequenza maggiore. Il prisma seleziona così le frequenze della luce/onda.

Dobbiamo a Newton  l’avere fatto passare  la luce solare dal prisma ed averne ricavato lo spettro. Nello spettro si vedono gli elementi – ogni elemento ha uno spettro differente –  scoperti grazie alla spettroscopia – cui sono state collegate le frequenze corrispondenti  individuate alle diverse righe dello spettro nel visibile.

L’effetto delle diverse luci/onde è differente ed è legato alla loro frequenza – è il cosiddetto effetto fotoelettrico -.

Maggiore è la frequenza , maggiore è l’energia.

L’energia trasportata dalla luce/onda all’inizio si pensava fosse proporzionale alla sua ampiezza.  L’energia sarebbe stata cioè  indipendente e non legata alla frequenza dell’onda. Un’onda luminosa rossa o un’onda luminosa viola portano , a parità di ampiezza, la stessa energia. Però, se esse sbattono contro un ostacolo, come, ad esempio, una lamina di metallo  , esse non “cedono” la stessa quantità di energia. Le cose si sono mostrate diverse da come si pensava . In presenza infatti di una maggiore ampiezza ma avente piccola frequenza , non si produce alcun effetto di cessione di energia. Cosa che diversamente avviene in presenza di una minore ampiezza (luce ultravioletta) avente una grande frequenza. In questo caso si ha  cessione di energia, gli elettroni della lamina di metallo “schizzano” via. È dunque la frequenza e non l’ampiezza a giocare il ruolo fondamentale nella cessione di energia.

La luce ultravioletta -che ha una  grande frequenza – quando colpisce la lamina di metallo, le cede energia, cioè carica elettrica positiva, facendole perdere e “schizzare” via elettroni. La medesima  lamina rimane invece indifferente ad un fascio di luce anche intensissimo.

Ai primi del novecento del secolo scorso

Max Planck ha suddiviso l’energia in quanti,  ovvero in piccolissime quantità discrete, separate (in fisica discrete significa separate) . Prima di lui si riteneva  l’energia fosse una grandezza continua.

Un corpo può cedere o acquistare energia cedendo o acquistando  quanti sempre in numero intero e mai in frazione. L’energia dipende dalla frequenza.

Albert Einstein spiegó l’effetto fotoelettrico,  che gli valse il Nobel nel 1921.

L’energia dipendente dalla frequenza bombarda con i suoi quanti  , come “proiettili” , riuscendo a staccare elettroni da un atomo. La radiazione ultravioletta ha questa energia perché dotata di maggiore frequenza di una radiazione cosiddetta  “gialla” (rossa, verde, viola). Tali “proiettili” sono i quanti di luce –  i fotoni chiamati così da Lewis nel 1926-.

La luce è quindi corpuscolare cioè fatta di particelle – fotoni – che hanno caratteristiche ondulatorie – frequenza -.

Fu Maxwell a mettere  in connessione la natura della luce con l’elettromagnetismo dimostrando e spiegando che l’emissione della luce – spettro elettromagnetico-è sempre legata alla emissione del calore. Luce uguale calore. Ogni sorgente luminosa emette  una radiazione elettromagnetica composta da un ampio spettro di onde con differenti lunghezze d’onda. Alcune di queste ricadono all’interno delle lunghezze d’onda visibili creando così la luce vera e propria: la sequenza di colori che va dal rosso al violetto – cosiddetto  spettro ottico o spettro visibile – ; altre, invece , ricadono in una fascia di lunghezze d’onda differente  – un’altra banda di frequenza- associate alla produzione di calore.

La velocità della luce è nota. Essa si propaga nel vuoto alla velocità di trecento milioni di metri al secondo. Una velocità grandissima ma pur sempre finita, circoscritta. La luce è legata direttamente alla capacità di contrastare il campo elettrico in cui si trovi immersa – cosiddetta “costante dielettrica” – e alla capacità di magnetizzarsi incontrando un campo magnetico -cosiddetta “permeabilità magnetica” -. Non ha bisogno di alcun mezzo per propagarsi – l’etere – (è il postulato alla base della teoria della relatività ristretta di Einstein).

La velocità della luce si ritiene oggi sia la massima velocità possibile di trasferimento delle informazioni . La luce possiede energia e una massa equivalente , quindi si ritiene che  , come ogni particella,  essa subisca la gravità.  Ció è dimostrato dalle tre prove -“test della Relatività” – ovvero 1. lo spostamento della luce verso il rosso (tecnicamente il fotone/luce , cadendo, cambia la propria  frequenza diventando più  rosso sullo spettro del visibile – test del redshift gravitazionale -); 2. la sua deflessione (della luce) ad opera della gravità (come per il redshift gravitazionale, se la luce risente della gravità come ogni altro corpo , un fotone in viaggio vicino a una stella ,ad esempio , deve risentire della gravità esercitata da quest’ultima e “piegare” la sua traiettoria di un angolo tanto maggiore quanto più vicino è il passaggio ).

È la QED , cioè la Quantum Electrodynamics – l’Elettrodinamica Quantistica- la teoria fondamentale della fisica quantistica che descrive le interazioni delle particelle cariche e il campo elettromagnetico.  . La Elettrodinamica quantistica – QED – è una parte del Modello Standard che è la teoria che descrive le interazioni fondamentali –   a parte quella gravitazionale –  e tutte le particelle elementari. Si basa sulla teoria di Maxwell sull’elettromagnetismo, su quella di Dirac dell’elettrone e sulla meccanica quantistica .

Torniamo all’esperimento della doppia fenditura . Non solo infatti la luce  agendo come un’onda , si interseca e interferisce proiettando buio e luce, ma, sorprendentemente , se si sparano elettroni , queste particelle non solo non seguono la traiettoria dei buchi delle fenditure ma si proiettano all’inizio apparentemente a caso sul muro di proiezione ma, nel tempo, tutt’altro che a caso, disegnano spazi alternati di luce e buio , ripetendo in massa, cioè per il tramite di migliaia  di elettroni sparati , luce e buio. Si comportano cioè in massa come le onde conoscendo ciascuna particella ,  sorprendentemente prima, dove collocarsi.  Conoscendo cioè il disegno  e l’effetto delle onde che interferiscono tra loro. Come mai? Secondo Albert Einstein il fenomeno cosiddetto dell’entanglement era causalmente e logicamente impossibile in natura – l’articolo si intitolava “Puó la descrizione della realtà fisica della meccanica quantistica considerarsi completa?” -. Poi Bohm ha ripreso quella che sembrava la critica einsteiniana verso la meccanica quantistica e ha spiegato l’entanglement, la cui esistenza dal 2015  gli scienziati hanno sperimentato e provato, dimostrato.

L’entanglement – in inglese significa intricazione, aggrovigliamento, garbuglio –  era stato definito  da Einstein una “sinistra azione a distanza”. Si tratta del coordinamento e dell’azione uguale , identica , a distanza di due particelle (e non solo due, e non solo particelle ) che siano venute a contatto. In realtà l’entanglement va al di là della nostra immaginazione perché , come ha detto Einstein , non risponde  al criterio logico e razionale cui siamo abituati , quello della causalità. Che due particelle entangled  , dopo essere state create, possano rimanere collegate – meglio, “intricate”- tra loro a una qualsiasi distanza, è tanto affascinante quanto distruttivo di ogni metodo e principio di causalità. Il teletrasporto di particelle (in fisica teletrasportare una particella significa riuscire ad avere una copia esatta di quella stessa particella in qualche altro luogo, cioè non significa avere un teletrasporto fisico della particella , come si crede nella cultura popolare, ma solamente della sua informazione ) è quasi una conseguenza diretta dell’entanglement: due particelle sono  identiche ed ognuna  risponde istantaneamente alle sollecitazioni dell’altra pur essendo materialmente in un posto diverso . La prima particella corrisponde a una copia identica della seconda che, però, si trova da qualche altra parte.

Il teletrasporto di atomi è già una realtà da alcuni anni e si riesce a teletrasportare l’informazione tra intere nubi di atomi a distanza di oltre cento metri (l’entanglement è stato osservato per coppie di particelle , poi per gruppi di elementi sempre più numerosi , fino a provarne l’esistenza su prima mezzo milione poi , da ultimo, diversi milioni  di atomi). Nel 2012 è stato realizzato il teletrasporto quantistico di un gruppo di cento milioni di atomi di rubidio della dimensione di circa due millimetri. Le tecniche che esistono in questo momento vengono implementate sempre più frequentemente su sistemi a scala maggiore , ma non possono essere adoperate su sistemi di complessità elevata – sono i sistemi biologici, cioè noi esseri umani-.

Come si vede, il mondo microscopico  e quello macroscopico si stanno avvicinando tra loro. È lo studio dell’energia – sotto la forma della luce – che può rendere comprensibili le loro regole comuni.