Luce: particella o un’onda?

L’esatta natura della luce visibile è un mistero che ha lasciato perplessi l’uomo per secoli. Gli scienziati greci dell’antica disciplina pitagorica postularono che ogni oggetto visibile emette un flusso costante di particelle, mentre Aristotele concluse che la luce viaggia in modo simile alle onde nell’oceano. Anche se queste idee hanno subito numerose modifiche e un significativo grado di evoluzione negli ultimi 20 secoli, l’essenza della disputa stabilita dai filosofi greci rimane fino ad oggi.

Un punto di vista immagina la luce come un’onda in natura, producendo energia che attraversa lo spazio in un modo simile alle increspature che si diffondono sulla superficie di uno stagno immobile dopo essere stati disturbati da una roccia caduta. La vista opposta sostiene che la luce è composta da un flusso costante di particelle, molto simile a minuscole gocce d’acqua spruzzate da un ugello del tubo da giardino. Nel corso degli ultimi secoli, il consenso di opinione ha vacillato con un punto di vista prevalente per un periodo di tempo, solo per essere ribaltato da prove per l ” altro. Solo durante i primi decenni del 20 ° secolo sono state raccolte sufficienti prove convincenti per fornire una risposta completa, e con sorpresa di tutti, entrambe le teorie si sono rivelate corrette, almeno in parte.

All’inizio del XVIII secolo, l’argomento sulla natura della luce aveva trasformato la comunità scientifica in campi divisi che combattevano vigorosamente sulla validità delle loro teorie preferite. Un gruppo di scienziati, che hanno sottoscritto la teoria delle onde, ha centrato i loro argomenti sulle scoperte dell’olandese Christiaan Huygens. Il campo avversario citò gli esperimenti del prisma di Sir Isaac Newton come prova che la luce viaggiava come una pioggia di particelle, ognuna procedendo in linea retta fino a quando non veniva rifratta, assorbita, riflessa, diffratta o disturbata in qualche altro modo. Anche se Newton, se stesso, sembrava avere qualche dubbio sulla sua teoria corpuscolare sulla natura della luce, il suo prestigio nella comunità scientifica tenuto così tanto peso che i suoi sostenitori ignorato tutte le altre prove durante le loro feroci battaglie.

La teoria della rifrazione della luce di Huygens, basata sul concetto della natura ondulatoria della luce, sosteneva che la velocità della luce in qualsiasi sostanza fosse inversamente proporzionale al suo indice di rifrazione. In altre parole, Huygens ha postulato che più luce era “piegata” o rifratta da una sostanza, più lentamente si muoveva mentre attraversava quella sostanza. I suoi seguaci hanno concluso che se la luce fosse composta da un flusso di particelle, allora l’effetto opposto si verificherebbe perché la luce che entra in un mezzo più denso sarebbe attratta dalle molecole nel mezzo e sperimenterebbe un aumento, piuttosto che una diminuzione, della velocità. Anche se la soluzione perfetta a questo argomento sarebbe quella di misurare la velocità della luce in diverse sostanze, aria e vetro per esempio, i dispositivi del periodo non erano all’altezza del compito. La luce sembrava muoversi alla stessa velocità indipendentemente dal materiale attraverso il quale passava. Passarono oltre 150 anni prima che la velocità della luce potesse essere misurata con una precisione abbastanza elevata da dimostrare che la teoria di Huygens era corretta.

Nonostante la reputazione di Sir Isaac Newton, un certo numero di eminenti scienziati nei primi anni del 1700 non era d’accordo con la sua teoria corpuscolare. Alcuni sostenevano che se la luce fosse costituita da particelle, quando due fasci sono incrociati, alcune delle particelle si scontrerebbero tra loro per produrre una deviazione nei fasci di luce. Ovviamente, questo non è il caso, quindi hanno concluso che la luce non deve essere composta da singole particelle.

Huygens, per tutta la sua intuizione, aveva suggerito nel suo trattato del 1690 Traité de la Lumière che le onde luminose viaggiavano nello spazio mediate dall’etere, una sostanza mistica senza peso, che esiste come entità invisibile in tutto l’aria e lo spazio. La ricerca dell’etere consumò una notevole quantità di risorse durante il diciannovesimo secolo prima di essere definitivamente messa a riposo. La teoria dell’etere durò almeno fino alla fine del 1800, come evidenziato dal modello proposto da Charles Wheatstone che dimostrava che l’etere trasportava onde luminose vibrando ad un angolo perpendicolare alla direzione della propagazione della luce, e dai modelli dettagliati di James Clerk Maxwell che descrivevano la costruzione della sostanza invisibile. Huygens credeva che l’etere vibrasse nella stessa direzione della luce e formasse un’onda stessa mentre trasportava le onde luminose. In un volume successivo, il principio di Huygens, ha ingegnosamente descritto come ogni punto su un’onda potrebbe produrre le proprie wavelets, che poi si sommano per formare un fronte d’onda. Huygens ha impiegato questa idea per produrre una teoria dettagliata per il fenomeno della rifrazione e anche per spiegare perché i raggi di luce non si schiantano l’uno contro l’altro quando si incrociano.

Quando un fascio di luce viaggia tra due mezzi con indici di rifrazione diversi, il fascio subisce rifrazione e cambia direzione quando passa dal primo mezzo al secondo. Per determinare se il fascio di luce è composto da onde o particelle, è possibile elaborare un modello per ciascuna di esse per spiegare il fenomeno (Figura 3). Secondo la teoria delle onde di Huygens, una piccola porzione di ogni fronte d’onda angolato dovrebbe avere un impatto sul secondo mezzo prima che il resto del fronte raggiunga l’interfaccia. Questa porzione inizierà a muoversi attraverso il secondo mezzo mentre il resto dell’onda è ancora in viaggio nel primo mezzo, ma si muoverà più lentamente a causa del più alto indice di rifrazione del secondo mezzo. Poiché il fronte d’onda sta ora viaggiando a due velocità diverse, si piegherà nel secondo mezzo, cambiando così l’angolo di propagazione. Al contrario, la teoria delle particelle ha un momento piuttosto difficile spiegare perché le particelle di luce dovrebbero cambiare direzione quando passano da un mezzo all’altro. I fautori della teoria suggeriscono che una forza speciale, diretta perpendicolarmente all’interfaccia, agisce per cambiare la velocità delle particelle mentre entrano nel secondo mezzo. L’esatta natura di questa forza è stata lasciata alla speculazione, e nessuna prova è mai stata raccolta per dimostrare la teoria.

Un altro eccellente confronto tra le due teorie riguarda le differenze che si verificano quando la luce viene riflessa da una superficie liscia e speculare, come uno specchio. La teoria delle onde ipotizza che una sorgente luminosa emetta onde luminose che si diffondono in tutte le direzioni. Al momento dell’impatto di uno specchio, le onde vengono riflesse in base agli angoli di arrivo, ma con ogni onda girata in avanti per produrre un’immagine invertita (Figura 4). La forma delle onde in arrivo dipende fortemente dalla distanza della sorgente luminosa dallo specchio. La luce proveniente da una sorgente vicina mantiene ancora un fronte d’onda sferico e altamente curvo, mentre la luce emessa da una sorgente a distanza si diffonderà di più e impatterà sullo specchio con fronti d’onda quasi planari.

Il caso di una natura particellare per la luce è molto più forte per quanto riguarda il fenomeno della riflessione di quanto lo sia per la rifrazione. La luce emessa da una sorgente, vicina o lontana, arriva alla superficie dello specchio come un flusso di particelle, che rimbalzano via o vengono riflesse dalla superficie liscia. Poiché le particelle sono molto piccole, un numero enorme è coinvolto in un fascio di luce propagante, dove viaggiano fianco a fianco molto vicini tra loro. Al momento dell’impatto dello specchio, le particelle rimbalzano da punti diversi, quindi il loro ordine nel fascio di luce viene invertito al momento della riflessione per produrre un’immagine invertita, come dimostrato nella Figura 4. Entrambe le teorie delle particelle e delle onde spiegano adeguatamente la riflessione da una superficie liscia. Tuttavia, la teoria delle particelle suggerisce anche che se la superficie è molto ruvida, le particelle rimbalzano via in una varietà di angoli, spargendo la luce. Questa teoria si adatta molto strettamente all’osservazione sperimentale.

Anche le particelle e le onde dovrebbero comportarsi diversamente quando incontrano il bordo di un oggetto e formano un’ombra (Figura 5). Newton si affrettò a sottolineare nel suo libro Opticks del 1704, che “La luce non è mai nota per seguire passaggi storti né per piegarsi nell’ombra”. Questo concetto è coerente con la teoria delle particelle, che propone che le particelle di luce devono sempre viaggiare in linee rette. Se le particelle incontrano il bordo di una barriera, allora getteranno un’ombra perché le particelle non bloccate dalla barriera continuano in linea retta e non possono diffondersi dietro il bordo. Su scala macroscopica, questa osservazione è quasi corretta, ma non è d’accordo con i risultati ottenuti da esperimenti di diffrazione della luce su una scala molto più piccola.

Quando la luce viene fatta passare attraverso una stretta fessura, il raggio si diffonde e diventa più ampio del previsto. Questa osservazione di fondamentale importanza conferisce una notevole credibilità alla teoria delle onde della luce. Come le onde nell’acqua, le onde luminose che incontrano il bordo di un oggetto sembrano piegarsi attorno al bordo e nella sua ombra geometrica, che è una regione che non è direttamente illuminata dal fascio di luce. Questo comportamento è analogo alle onde d’acqua che avvolgono l’estremità di una zattera, invece di riflettere via.

Quasi cento anni dopo che Newton e Huygens proposero le loro teorie, un fisico inglese di nome Thomas Young eseguì un esperimento che sosteneva fortemente la natura ondulatoria della luce. Poiché credeva che la luce fosse composta da onde, Young ragionò che un certo tipo di interazione si sarebbe verificata quando due onde luminose si incontravano. Per testare questa ipotesi, ha usato uno schermo contenente una singola fessura stretta per produrre un fascio di luce coerente (contenente onde che si propagano in fase) dalla luce solare ordinaria. Quando i raggi del sole incontrano la fessura, si diffondono o diffrattano per produrre un singolo fronte d’onda. Se si permette a questo fronte di illuminare un secondo schermo con due feritoie ravvicinate, si producono due ulteriori sorgenti di luce coerente, perfettamente al passo l’una con l’altra (vedi Figura 6). La luce da ogni fessura che viaggia verso un singolo punto a metà strada tra le due fessure dovrebbe arrivare perfettamente al passo. Le onde risultanti dovrebbero rafforzarsi a vicenda per produrre un’onda molto più grande. Tuttavia, se si considera un punto su entrambi i lati del punto centrale, la luce proveniente da una fessura deve viaggiare molto più lontano per raggiungere un secondo punto sul lato opposto del punto centrale. La luce dalla fessura più vicina a questo secondo punto arriverebbe prima della luce dalla fessura lontana, quindi le due onde sarebbero fuori passo l’una con l’altra e potrebbero annullarsi a vicenda per produrre oscurità.

Come sospettava, Young scoprì che quando le onde luminose della seconda serie di fessure si diffondono (o diffratte), si incontrano e si sovrappongono. In alcuni casi, la sovrapposizione combina le due onde esattamente al passo. Tuttavia, in altri casi, le onde luminose sono combinate leggermente o completamente fuori passo l’una con l’altra. Young ha scoperto che quando le onde si incontravano al passo, si sommavano con un processo che è stato definito interferenza costruttiva. Le onde che si incontrano fuori passo si annullano a vicenda, un fenomeno noto come interferenza distruttiva. Tra questi due estremi, vari gradi di interferenza costruttiva e distruttiva si verificano per produrre onde con un ampio spettro di ampiezze. Young è stato in grado di osservare gli effetti dell’interferenza su uno schermo posto a una certa distanza dietro le due fessure. Dopo essere stata diffratta, la luce ricombinata dall’interferenza produce una serie di frange chiare e scure lungo la lunghezza dello schermo.

Sebbene apparentemente importanti, le conclusioni di Young non furono ampiamente accettate all’epoca, principalmente a causa della schiacciante credenza nella teoria delle particelle. Oltre alle sue osservazioni sull’interferenza della luce, Young postulò che la luce di diversi colori era composta da onde di diversa lunghezza, un concetto fondamentale che è ampiamente accettato oggi. Al contrario, i sostenitori della teoria delle particelle immaginavano che vari colori derivassero da particelle aventi masse diverse o che viaggiavano a velocità diverse.

L’effetto di interferenza non è limitato alla luce. Le onde prodotte sulla superficie di una piscina o di uno stagno si diffonderanno in tutte le direzioni e subiranno un comportamento identico. Dove due onde si incontrano al passo, si sommeranno per creare un’onda più grande con interferenze costruttive. Le onde di collisione che sono fuori passo si annullano a vicenda tramite interferenze distruttive e producono una superficie piana sull’acqua.

Ancora più prove per una natura ondulatoria della luce sono state scoperte quando il comportamento di un fascio di luce tra polarizzatori incrociati è stato attentamente esaminato (Figura 7). I filtri polarizzatori hanno una struttura molecolare unica che consente di passare solo la luce con un singolo orientamento. In altre parole, un polarizzatore può essere considerato un tipo specializzato di veneziane molecolari con piccole file di lamelle orientate in un’unica direzione all’interno del materiale polarizzante. Se un fascio di luce può colpire un polarizzatore, solo i raggi di luce orientati parallelamente alla direzione di polarizzazione sono in grado di passare attraverso il polarizzatore. Se un secondo polarizzatore è posizionato dietro il primo e orientato nella stessa direzione, la luce che passa attraverso il primo polarizzatore passerà anche attraverso il secondo.

Tuttavia, se il secondo polarizzatore viene ruotato con un piccolo angolo, la quantità di luce che passa attraverso sarà diminuita. Quando il secondo polarizzatore viene ruotato in modo che l’orientamento sia perpendicolare a quello del primo polarizzatore, allora nessuna luce che passa attraverso il primo polarizzatore passerà attraverso il secondo. Questo effetto è facilmente spiegabile con la teoria delle onde, ma nessuna manipolazione della teoria delle particelle può spiegare come la luce è bloccata dal secondo polarizzatore. In effetti, anche la teoria delle particelle non è adeguata a spiegare l’interferenza e la diffrazione, effetti che in seguito si sarebbero rivelati manifestazioni dello stesso fenomeno.

Gli effetti osservati con la luce polarizzata sono stati fondamentali per lo sviluppo del concetto che la luce è costituita da onde trasversali aventi componenti perpendicolari alla direzione di propagazione. Ciascuno dei componenti trasversali deve avere una direzione di orientamento specifica che gli consenta di passare o di essere bloccato da un polarizzatore. Solo quelle onde con una componente trasversale parallela al filtro polarizzatore passeranno attraverso e tutte le altre saranno bloccate.

Verso la metà del 1800, gli scienziati stavano diventando sempre più convinti del carattere ondulatorio della luce, ma rimaneva un problema prepotente. Cos’è esattamente la luce? Una svolta è stata fatta quando è stato scoperto dal fisico inglese James Clerk Maxwell che tutte le forme di radiazione elettromagnetica rappresentano uno spettro continuo e viaggiano attraverso un vuoto alla stessa velocità: 186.000 miglia al secondo. La scoperta di Maxwell ha effettivamente inchiodato la bara della teoria delle particelle e, all’alba del 20 ° secolo, sembrava che le domande di base della teoria della luce e dell’ottica avessero finalmente avuto risposta.

Un duro colpo alla teoria delle onde si è verificato dietro le quinte alla fine del 1880, quando gli scienziati hanno scoperto che, in determinate condizioni, la luce potrebbe rimuovere gli elettroni dagli atomi di diversi metalli (Figura 8). Anche se all’inizio solo un fenomeno curioso e inspiegabile, è stato rapidamente scoperto che la luce ultravioletta potrebbe alleviare gli atomi di elettroni in un’ampia varietà di metalli per produrre una carica elettrica positiva. Il fisico tedesco Philipp Lenard si interessò a queste osservazioni, che definì l’effetto fotoelettrico. Lenard ha usato un prisma per dividere la luce bianca nei suoi colori componenti e quindi focalizzare selettivamente ogni colore su una piastra metallica per espellere gli elettroni.

Ciò che Lenard scoprì lo confuse e lo stupì. Per una specifica lunghezza d’onda della luce (blu, ad esempio), gli elettroni hanno prodotto un potenziale costante o una quantità fissa di energia. Diminuendo o aumentando la quantità di luce prodotto un corrispondente aumento o diminuzione del numero di elettroni liberati, ma ogni ancora mantenuto la stessa energia. In altre parole, gli elettroni che sfuggivano ai loro legami atomici avevano energie che dipendevano dalla lunghezza d’onda della luce, non dall’intensità. Ciò è contrario a quanto ci si aspetterebbe dalla teoria delle onde. Lenard ha anche scoperto un legame tra lunghezza d’onda ed energia: lunghezze d’onda più corte hanno prodotto elettroni con maggiori quantità di energia.

Le basi per una connessione tra luce e atomi furono gettate nei primi anni del 1800 quando William Hyde Wollaston scoprì che lo spettro del sole non era una banda continua di luce, ma conteneva centinaia di lunghezze d’onda mancanti. Oltre 500 linee strette corrispondenti alle lunghezze d’onda mancanti sono state mappate dal fisico tedesco Joseph von Fraunhofer, che ha assegnato lettere alle lacune più grandi. Successivamente, è stato scoperto che le lacune sono state prodotte dall’assorbimento di lunghezze d’onda specifiche da parte di atomi nello strato esterno del sole. Queste osservazioni sono stati alcuni dei primi collegamenti tra atomi e luce, anche se l’impatto fondamentale non è stato capito al momento.

Nel 1905, Albert Einstein postulò che la luce potrebbe effettivamente avere alcune caratteristiche di particelle, indipendentemente dalle prove schiaccianti per una natura ondulatoria. Nello sviluppare la sua teoria quantistica, Einstein suggerì matematicamente che gli elettroni attaccati agli atomi in un metallo possono assorbire una quantità specifica di luce (prima chiamata quantistica, ma in seguito modificata in un fotone) e quindi avere l’energia per sfuggire. Ha anche ipotizzato che se l’energia di un fotone fosse inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda, allora lunghezze d’onda più corte produrrebbero elettroni con energie più elevate, un’ipotesi nata in realtà dai risultati della ricerca di Lenard.

La teoria di Einstein è stata solidificata nel 1920 dagli esperimenti del fisico americano Arthur H. Compton, che ha dimostrato che i fotoni avevano slancio, un requisito necessario per sostenere la teoria che la materia e l’energia sono intercambiabili. Circa nello stesso periodo, lo scienziato francese Louis-Victor de Broglie ha proposto che tutta la materia e la radiazione hanno proprietà che assomigliano sia a una particella che a un’onda. De Broglie, seguendo il piombo di Max Planck, estrapolò la famosa formula di Einstein relativa alla massa e all’energia per includere la costante di Planck:

dove E è l’energia di una particella, m la massa, c è la velocità della luce, h è la costante di Planck e ν è la frequenza. Il lavoro di De Broglie, che mette in relazione la frequenza di un’onda con l’energia e la massa di una particella, fu fondamentale nello sviluppo di un nuovo campo che alla fine sarebbe stato utilizzato per spiegare sia la natura ondulatoria che quella particellare della luce. La meccanica quantistica è nata dalla ricerca di Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger e altri che hanno tentato di spiegare come la radiazione elettromagnetica possa mostrare ciò che ora è stato definito dualità, o comportamento sia simile a particelle che a onde. A volte la luce si comporta come una particella e altre volte come un’onda. Questo ruolo complementare, o doppio, per il comportamento della luce può essere impiegato per descrivere tutte le caratteristiche note che sono state osservate sperimentalmente, che vanno dalla rifrazione, riflessione, interferenza e diffrazione, ai risultati con luce polarizzata e l’effetto fotoelettrico. Combinati, le proprietà della luce lavorano insieme e ci permettono di osservare la bellezza dell’universo.