Che cosa è la luce?

Fin dall’antichità filosofi e scienziati si interrogano sulla natura della luce, che sfugge per secoli all’indagine scientifica vedi qui. Vediamo cosa accade con la rivoluzione scientifica:

 Galileo tenta, invano, di misurare la velocità della luce.

 Huygens (nella seconda metà del seicento) è il primo a proporre un modello ondulatorio organico.

 Newton invece, all’incirca negli stessi anni, propone un modello corpuscolare in cui la luce è costituita da particelle emesse in tutte le direzioni dai corpi e che nell’occhi generano la visione.

Quali sono le osservazioni che una teoria della luce doveva spiegare?

Riflessione

la luce è riflessa dalle superfici, ma questo fenomeno può essere spiegato sia con la riflessione delle onde, che con gli urti di particelle.

Ombre

 in caso di sorgenti puntiformi le ombre appaiono nette questo fa pensare a una propagazione rettilinea della luce che si spiega bene con la teoria corposcolare

Diffrazione

La luce però diffrange come un’onda:

Infatti, lo spiraglio di una porta si comporta come una sorgentde di onda sferica, illuminando diffusamente la stanza

Rifrazione

La luce passando dall’aria a un mezzo trasparente come l’acqua, cambia direzione. Per questo la matita appare storta

Qui Newton per spiegare il fenomeno con la teoria corpuscolare, inventa una ipotesi ad hoc: afferma che le particelle di luce entrando in un oggetto trasparente (come l’acqua) siano sottoposte a una forza diretta verso l’interno dell’oggetto facendo quindi deviare e aumentare la loro velocità.

Ma poco dopo, misurando la velocità della luce nell’aria e nell’acqua, si scopre che in acqua la luce va più lenta e non più veloce che in aria!!!

T. Young scopre (1801-03) inoltre che la lucve produce interferenza come un’onda

Con l’esperienza di Young si afferma dunque la teoria ondulatoria della luce, anche se rimane poco chiaro quale debba essere il mezzo materiale in cui queste onde si propagano: infatti la luce attraversa anche il vuoto!

Le equazioni di Maxwell

Le equazioni di Maxwell propongono l’esistenza di onde elettromagnetiche, e che tali onde si propaghino nel vuoto proprio con la velocità che era stata misurata per la luce.

Quando Hertz produce e rileva le onde elettromagnetiche, la natura della luce sembra svelata: la luce è un’onda elettromagnetica: un campo elettromagnetico che si propaga nello spazio.

Ma nel 1905 Einstein, per spiegare in problema chiamato catastrofe ultravioletta nel calcolo della radiazione di corpo nero torna a proporre un modello corpuscolare della luce, che contribuirà in modo decisivo alla formulazione della teoria quantistica.

Il dualismo onda-particella

La formulazione della meccanica quantistica porta a attribuire a campi e particelle sia proprietà delle onde che proprietà delle particelle.

Mentre nella nostra esperienza quotidiana onde e particelle appaiono fenomeni molto differenti tra loro, la meccanica quantistica mostra che la materia (e la luce) manifesta allo stesso tempo sia proprietà che possono essere descritte tramite modelli ondulatori, che proprietà che sono ben descritte da modelli corpuscolari.

Il modello standard attualmente concepisce tutte le particelle come manifestazioni di campi quantistici, pacchetti d’onda di particolari campi.