11 settembre 2011

LUX

LUX


Qui di seguito un breve percorso divulgativo per cercare di capire cosa è la luce. Dall'elettrodinamica classica alla meccanica quantistica, tutti i modelli proposti nella storia per interpretare di volta in volta nuovi fenomeni. In realtà la luce cosi come ogni altro "ente" non è spiegabile in assoluto ma tramite la comprensione del suo interagire con altri "enti" ... non chiediamoci dunque cosa è la luce ma piuttosto come funziona la luce ?

Capendo come "funziona" la luce, tramite questo processo mentale (asintotico) ci avvicineremo passo dopo passo alla comprensione di cosa sia realmente la luce. 
Questo approccio è più generale di quanto si possa pensare ed andrebbe applicato alla comprensione di ogni ente fondamentale. La domanda (un pò infantile) cosa è questo ? andrebbe sostituita con la domanda, come funziona questo ?

Quando tuttavia si fa della buona fisica, come è stata fatta in questo caso, non si torna mai indietro, non si butta via niente; con il progredire della conoscenza bisogna "solo" reinterpretare gli enti conservando le leggi che ne regolano il mutuo interagire e introducendo nuove teorie che riescono a descrivere e (se sono delle buone e robuste teorie) a predire nuovi fenomeni ancora non osservati.

Cosi nel caso della luce ad esempio, quelle che sono le leggi dell'ottica geometrica, ricavate nell'antichità, rimangono valide fino ai giorni nostri reinterpretando di volta in volta la natura della luce stessa. I raggi luminosi, pensati da Isaac Newton come le traiettorie di ipotetiche particelle materiali, sono successivamente divenute le direzioni di propagazione di un fenomeno ondulatorio non ben definito, poi la direzione del vettore di Poynting (ossia la direzione di propagazione dell'energia associata al campo elettromagnetico che ne è il portatore) per arrivare alla direzione di propagazione della d'onda di probabilità (secondo la meccanica quantistica) e quindi alla traiettoria dei fotoni (Newton non aveva del tutto torto !) ...

I capitoli della fisica che si occupano dello studio della luce, prendono il nome di ottica geometrica e ottica fisica, ma una più completa descrizione la si ha nell'ambito della teoria elettromagnetica della luce, della meccanica quantistica e dell'elettrodinamica quantistica (di cui non parleremo in questa sede).

Un possibile percorso che tenga conto sia dell'evoluzione storica delle varie teorie che dell'inclusione sempre più estesa di nuovi fenomeni, è indicato qui di seguito (ogni nuova teoria deve descrivere in un contesto coerente tutta la conoscenza e la fenomenologia fino a quel punto accumulata, e deve inglobare e descrivere i nuovi fenomeni non interpretati dalla vecchia teoria. Infine, possibilmente, deve predire nuova fenomenologia per creare nuova conoscenza e testare la teoria stessa)

La luce, in certi esperimenti ed in certi contesti, si comporta come un insieme di "raggi" che si propagano in linea retta seguendo delle semplici leggi fisiche. Questa teoria spiega bene fenomeni come la riflessione e la rifrazione e in parte la diffusione (interpretata come scattering)

In altri contesti ed in altri esperimenti, la luce si comporta come un'onda e segue le leggi meccaniche delle onde, anche se non è necessario ipotizzare una natura specifica per queste onde. La teoria ondulatoria spiega egregiamente tutti i fenomeni di interferenza e di diffrazione oltre che naturalmente i precedenti fenomeni spiegati dall'ottica geometrica.

Pur non essendo la teoria definitiva, per una enorme quantità  di fenomeni la teoria elettromagnetica è più che soddisfacente e in molti settori dell'ingegneria si possono progettare dispositivi e sistemi (ad esempio nel campo delle telecomunicazioni ottiche) utilizzando in parte questa teoria. D'altra parte per progettare e costruire macchine, automobili, ponti, grattacieli, aerei etc. non è necessario ricorrere alla più moderna e corretta meccanica relativistica (non è nemmeno consigliabile) ma è sufficiente la "vecchia" meccanica classica di Newton e la termodinamica classica.






purtroppo non tutta la fenomenologia è spiegabile tramite la teoria elettromagnetica di Maxwell e per una più completa comprensione bisogna ricorrere ai principi della meccanica quantistica. La luce torna ad essere costituita da "particelle" dal comportamento un pò bizzarro, i fotoni. Per farvi una idea seguite i video qui di seguito (in particolare : Gli elettroni e la luce tratto dal sito INFN)
 

Le caratteristiche del fotone 


Effetto fotoelettrico 

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