La natura della luce

Nel XVII secolo e nei secoli successivi si contrapposero due modelli opposti sulla la natura della luce: la teoria corpuscolare e la teoria ondulatoria. Newton riteneva che la luce fosse composta da piccolissime particelle che, partendo dalla sorgente luminosa si muovessero in linea retta a velocità estremamente elevata. Ciò gli permise di giustificare i fenomeni della riflessione e della rifrazione della luce, ovvero il comportamento della luce a seguito dell’interazione con la materia.

Il modello ondulatorio era sostenuto tra gli altri da Christiaan Huygens, contemporaneo di Newton. Infatti egli arrivò a dimostrare che sia la riflessione che la rifrazione potevano essere interpretati come effetti della natura ondulatoria della luce.

Già nel 1665, quando fu pubblicato postumo di Francesco Maria Grimaldi il De lumine, si era a conoscenza del fenomeno della diffrazione, che si verifica quando la luce, proveniente da una sorgente luminosa viene proiettata su uno schermo e prima di giungervi attraversa una sottile fenditura. Se la luce fosse composta da tante particelle ci si aspetterebbe di vedere, proiettata sullo schermo una sola banda ben definita, mentre al contrario si osservano una serie di frange laterali, tipiche dei fenomeni ondulatori.

Benché questa evidenza deponga a favore della teoria ondulatoria i più continuarono a ritenere che la luce fosse composta da particelle finché nel 1801 Thomas Young mise in luce il fenomeno dell’interferenza.

Si verifica un’interferenza quando due onde interagiscono, sommandosi quando le creste si sovrappongono e annullandosi quando la cresta della prima onda coincide con il ventre della seconda.

Al fine di osservare tale fenomeno Young aggiunse all’apparato di Grimaldi un secondo ostacolo in cui era presente una doppia fenditura e osservò che sullo schermo comparivano una serie di frange in alcun modo compatibili con un modello corpuscolare della luce ma che si potevano spiegare solo come il risultato dell’interferenza di fenomeni ondulatori: le onde che transitavano dalle due aperture, interferivano in maniera costruttiva e distruttiva, generando un’alternanza di zone illuminate. Ciò avrebbe dovuto confermare definitivamente la natura ondulatoria della luce.

La scoperta dell’effetto fotoelettrico, fenomeno osservato da Philipp von Lenard nel 1900, riapre nuovamente la questione: la luce colpendo un metallo è in grado di estrarre elettroni e, come osservò Albert Einstein la modalità con cui tale fenomeno avviene è in conflitto con la teoria ondulatoria¹Nel suo articolo “Un punto di vista euristico relativo alla generazione e alla trasformazione della luce” del 1905 Einstein introduce il concetto di quanto di luce. Questi risultati gli valsero l‘attribuzione nel 1921 del premio Nobel per la fisica..

Queste osservazioni contraddittorie possono essere comprese immaginando per la luce una doppia natura, ondulatoria e corpuscolare allo stesso tempo: appare una particella quando il mezzo in cui si muove è omogeneo e la sua lunghezza d’onda è molto inferiore alle dimensioni degli oggetti con cui interagisce, viceversa quando gli oggetti con cui interagisce sono delle dimensioni della sua lunghezza (ostacoli, fenditure,…) si comporta come un’onda. In genere è possibile parlare di “raggi luminosi” quando si osservano fenomeni di riflessione o rifrazione, mentre l’interferenza e la diffrazione la luce va considerata un fenomeno ondulatorio. Per descrivere questo comportamento si usa il termine dualismo onda-particella.

I fenomeni ondulatori come il suono, i flutti del mare nonché la luce sono caratterizzate dall’ampiezza dell’onda, dalla frequenza f, il numero di oscillazioni compiute nell’unità di tempo e dalla lunghezza d’onda \lambda, ovvero la distanza tra due creste. La velocità dell’onda è data dalla relazione v=f \lambda.

La luce visibile ha una lunghezza d’onda compresa tra i 4 \cdot 10^{-7} \, \mathrm{m} e i 7 \cdot 10^{-7} \, \mathrm{m}; al di fuori di quest’intervallo le onde non sono visibili ai nostri occhi, anche se hanno la stessa natura delle onde luminose; nel loro insieme costituiscono lo spettro delle onde elettromagnetiche. Per lunghezze inferiori troviamo i raggi ultravioletti, i raggi X e infine i raggi gamma. Dal lato opposto, per frequenze superiori, troviamo le radiazioni infrarosse, le microonde e le onde radio.

Le onde meccaniche per propagarsi necessitano in un mezzo materiale, così come il suono si propaga nell’aria, sembra necessario un qualche tipo di supporto per le onde elettromagnetiche. L’Universo dovrebbe essere completamente permeato da una sostanza che consente alla luce di diffondersi, uno speciale “fluido” che fa da supporto per l’onda luminosa. A questa ipotetica forma di materia è stato dato il nome di etere luminifero.

Rispetto ad esso la luce si diffonderebbe all’enorme velocità di 300.000 km/s. Ciò comporta che l’etere debba avere caratteristiche fisiche straordinarie, essere cioè caratterizzato allo stesso tempo da una bassissima densità e da un’enorme rigidità. Inoltre in questa visione l’etere è da considerare immobile e ciò equivale a postulare l’esistenza di un sistema di riferimento rispetto al quale è in quiete, riaffermando la necessità di un sistema di un riferimento assoluto.

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