Facciamo luce sulla LUCE

Quello che affronteremo insieme oggi è un viaggio nel mondo della luce. L’idea è quella di raccontarvi velocemente le tappe più importanti della storia di questa fantastica creatura, per poi focalizzarci su tre particolari argomenti in cui la luce è protagonista assoluta. Questa non è una lezione, non starò a fare calcoli e dimostrazioni: oggi sarà come mangiare le nocciole sbucciate senza dover perdere tempo a pulirle, come quando a Natale la nonna prepara il cesto di noci e tu ti ci tuffi dentro e poi devi chiuderti una settimana in bagno. Ecco, è la stessa cosa, ma senza il bagno. Cominciamo alla grande eh?

0. Introduzione

La vista è, a mio avviso, lo strumento che più ci rende partecipi di questo mondo: il “vedere” ci permette di comunicare ad esempio, senza proferire parola. Linguaggio del corpo o semplicemente la scrittura. E tutto, ma proprio tutto quello che vediamo, dipende dalla luce. Per dirla bene, è luce. Non sarete sorpresi quindi dal fatto che sin dall’antichità l’uomo si è interrogato sui meccanismi che si celano dietro questo fantastico fenomeno.  

Tra le prime teorie degne di nota troviamo quelle di Platone e Archita da Taranto, convinti che i nostri occhi emettono un qualcosa molto simile ad un fluido (un fuoco invisibile) che colpendo gli oggetti circostanti ritorna poi all’occhio permettendoci di vedere. Non avevano capito molto sulla luce ma ehi, Superman lo conosciamo tutti no? Le teorie sviluppate nella Magna Grecia sono davvero infinite e particolareggiate, ma bisogna aspettare il periodo rinascimentale e del barocco per avere uno studio più raffinato e meno filosofico, anche se non sempre corretto, del fenomeno luce.

Mentre in questi anni cominciano per la prima volta ad essere ipotizzati ed effettuati esperimenti per misurare la velocità della luce, sul ring della fisica del 600 c’è uno scontro accesissimo tra due teorie contrastanti: la teoria corpuscolare di Newton, che sosteneva che la luce avesse una natura “materiale”, che cioè fosse costituita da un flusso di particelle microscopiche emesse continuamente dalle sorgenti. Dall’altra parte c’è la teoria ondulatoria di Huygens: la luce è vista come un'onda che si propaga, analogamente alle onde del mare o a quelle acustiche, in un mezzo, chiamato etere. L'etere si supponeva pervadere tutto l'universo ed essere formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare, anche se in maniera matematicamente complessa, un gran numero di fenomeni, oltre alla riflessione ed alla rifrazione. Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione e dell'interferenza fossero interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dalla teoria corpuscolare.

Nel 1864 viene poi pubblicato “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, il capolavoro della fisica classica. Maxwell raccoglie millenni di studi su elettricità e magnetismo collegando i due effetti e formulando quattro semplici quanto geniali formule. In una dozzina di caratteri si nascondono segreti che, almeno in parte, proveremo a raccontare insieme.

Lo scontro sembra vinto da Huygens, la teoria corpuscolare sembra riuscire a spiegare ogni comportamento. Fino al 1900, quando avviene la più grande rivoluzione che la scienza abbiamo mai vissuto. Senza entrare nel dettaglio, perchè ci vorrebbe un pomeriggio intero solo quel parlarvi della cosa, diciamo che i fisici decisero di applicare le leggi conosciute per studiare come un corpo, come ad esempio il sole, emetta radiazione (quindi luce visibile, ma anche infrarossi e ultravioletti, raggi gamma per Hulk e raggi X per le lastre). Si resero conto però che le formule prevedevano che all'aumentare dell’energia della radiazione aumentasse anche l'intensità della radiazione: questo significa che il sole dovrebbe emettere una quantità di raggi gamma tali da disintegrarci all’istante.

La catastrofe dell’ultravioletto, come viene solitamente chiamata, è l’evento che ha portato per la prima volta alla teorizzazione della base della meccanica quantistica e che dopo anni di sconfitte, ridiede dignità alla teoria corpuscolare di Newton. Oggi possiamo affermare che la luce è sia onda che particella, e che i due comportamenti non si manifestano mai insieme ma dipendono dal tipo di esperimento che stiamo portando a termine.

Ad ogni modo questo video, registrato (con dei trucchi) a cento miliardi di frame al secondo, mostra abbastanza chiaramente cosa intendiamo per natura corpuscolare della luce.

Per approfondire: Breve storia della luce

1. Miraggi

Ma cominciamo a fare sul serio e lanciamoci nel primo argomento.

In questa definizione c’è già tutto, dobbiamo semplicemente sviscerarne il significato. Per cominciare dobbiamo quindi parlare della rifrazione, ovvero di come la luce cambi direzione quando colpisce l'interfaccia tra due materiali diversi. Per nostra fortuna la legge che descrive questo comportamento, la legge di Snell, è davvero semplice:  il rapporto tra gli indici di rifrazione dei due mezzi è uguale al rapporto tra i seni degli angoli che il raggio forma con la retta perpendicolare alla superficie. Più difficile da dire che da capire.

 

L’indice di rifrazione, che ci servirà anche dopo, è una proprietà del materiale che ci dice quanto è difficile per la luce muoversi in un mezzo, quanto viene rallentata rispetto ad un raggio che può felicemente propagarsi nel vuoto cosmico.

Questo comportamento è una conseguenza della pigrizia della natura, che come sempre cerca di sforzarsi il meno possibile per raggiungere i suoi obiettivi: in questo caso il Principio di Fermat recita che "il percorso fra due punti preso da un raggio di luce è quello che è attraversato nel minor tempo", e questo è proprio quello che si trova applicando la legge di Snell. Ok, va bene. Ma noi vogliamo i miraggi.

Giusto, allora seguitemi: siete un raggio di luce che si propaga libero nel cielo. Siete velocissimi, quindi prima o poi un ostacolo lo incontrerete: dato che siete sfigati andate a schiantarvi sull’asfalto rovente di Agosto: siete passati dall’aria fredda, che avrà il suo indice di rifrazione, all’aria calda che è sopra l’asfalto. Se arrivate abbastanza inclinati succede qualcosa di magnifico che si chiama riflessione totale interna. Questo significa che l’aria calda, per quanto vi riguarda, è uno specchio: quindi “rimbalzate” sull’asfalto e finite dritti negli occhi di un malcapitato. Congratulazioni, siete appena diventati un miraggio inferiore.

Vostri fratelli saranno i miraggi superiori, è più rari e stupefacenti: i raggi vengono curvati verso il basso, permettendo all’osservatore di scorgere immagini che si trovano anche molto oltre l’orizzonte fluttuare nel cielo. E’ questo il caso di navi e coste avvistate mentre navigano allegramente nel cielo sopra mari molto freddi, tipicamente nel Nord Europa.

La combinazione dei due miraggi genera quella che è nota come Fata Morgana, dove il riferimento alla sorellastra di Re Artù deriva dai racconti che vedono la strega artefice di visioni di fantastici castelli in aria o in terra per attirare i marinai e condurli alla morte. Inoltre in nome italiano è conosciuto in tutto il mondo perché questo fenomeno è molto frequente nello Stretto di Messina, dove leggenda vuole che un re Barbaro giunto in Calabria stesse architettando un modo per giungere in Sicilia (il ponte all’epoca ancora non esisteva……) quando una donna gli fece apparire l’isola a due passi: tuffatosi in acqua scoprì che era tutto finto, ma era tardi ormai. Tornando alla fisica, il fenomeno ottico in questione consiste in una deformazione molto spinta di oggetti che si trovano oltre l’orizzonte, che vengono compressi e allungati in maniera repentina e «casuale»: sembra di osservare una pellicola danneggiata, tanto che spesso gli oggetti sono difficilmente riconoscibili. La differenza fondamentale con i miraggi sopra descritti è la presenza in questo caso di un condotto atmosferico: uno strato d’aria molto calda deve sovrastare uno strato di aria molto più fredda, per cui avremo una situazione in cui l’indice di rifrazione varia con la quota, aumentando per poi diminuire di nuovo. Questo fa sì che «sopra» i raggi vengano deviati in alto e «sotto» verso il basso generando immagini allungate e appunto distorte (oltre alla tipica fluttuazione che deriva dal miraggio superiore).

Per approfondire: L’olandese volante e la Fata Morgana: i miraggi

2. Kamehameha e Rasengan

Vi siete mai chiesti perché nei fumetti l’energia è sempre rappresentata in blu? E’ una strana coincidenza o in qualche modo è possibile giustificare, fisicamente, questa scelta cromatica? Se così non fosse non ne staremmo parlando ora, quindi andiamo subito al dunque.

Come forse avrete sentito da qualche parte, la teoria della Relatività di Albert Einstein si basa su di un concetto basilare: la velocità della luce nel vuoto è una costante fisica indipendente dalla velocità dell'oggetto che emette la radiazione (e quindi dal sistema di riferimento inerziale utilizzato) e non può essere superata, neanche da Bolt. Da questo semplice concetto è nata una delle teorie più rivoluzionarie della fisica di sempre, quindi non è qualcosa che possiamo prendere sotto gamba. In particolare la luce nel vuoto corre fino a nel vuoto 299 792 458 m/s (circa 0.3 miliardi di metri al secondo).

Perfetto, tenete a mente questo concetto.

Ora immaginate con te. Immaginate che io voglia dare un cazzotto a Billy. Il mio gesto viaggia alla velocità della luce negli occhi di Marco, viene elaborato dal cervello e ci mette circa un millisecondo ad arrivare alle terminazioni nervose che lo fanno reagire spostandosi dalla traiettoria del mio cazzotto potentissimo. Se io però non avessi fatto le cose in moto teatrale preparandomi a dare il cazzotto della vita avrei colto di sorpresa Billy e l’informazione del mio pugno sarebbe arrivata dopo la rottura dello zigomo. Ora questo esempio, per quanto strampalato è davvero azzeccato credetemi.

Un altro esempio: avete mai sentito parlare del boom sonico? Quando un Boing supera la velocità del suono, che è la velocità alla quale le informazioni sulla pressione viaggiano in un fluido (nel nostro caso l’aria) le particelle non vengono informate del corpo che sta arrivando e non si preparano a spostarsi: quando si dice “il muro del suono” si intende proprio questo, perchè il Boing si va a schiantare con un vero e proprio muro d’aria emettendo il caratteristico boato.

Ma cosa c’entra tutto questo con la luce e i Rasengan? La risposta si chiama “Effetto Cherenkov”. Sebbene non sia possibile superare la velocità della luce nel vuoto come abbiamo sottolineato prima, ci sono delle condizioni in cui è la luce stessa a viaggiare più lentamente. In particolare quando la luce attraversa un materiale ci sono vari effetti che abbassano la velocità di propagazione della luce, di un fattore chiamato indice di rifrazione di quel materiale (come abbiamo già visto parlando di indici di rifrazione).

In queste condizioni è dunque possibile che particelle subatomiche, come gli elettroni, possano viaggiare a velocità maggiori di quella della luce in quel materiale. Normalmente un elettrone, passando nel materiale, emetterebbe un campo elettrico che informerebbe le particelle del fluido della sua presenza facendole reagire di conseguenza. In questo caso avremmo un accumulo di carica positiva nella direzione dell’elettrone: si vengono a creare dei dipoli elettrici, che senza entrare nel dettaglio in generale emettono onde elettromagnetiche. In questo caso però, data la simmetria sferica del problema, la somma di tutte le radiazioni è nulla. Se però, come nel nostro caso, l’elettrone viaggia più velocemente del campo elettrico, l’informazione non riesce ad arrivare in tempo a tutte le particelle, ma solo a quelle che sono già state superate: non c’è più la situazione simmetrica di prima e viene emessa della radiazione luminosa, generalmente raggi ultravioletti (che sono invisibili) ma anche una piccola componente nel blu, che è quella che conferisce il colore tipico che è possibile osservare (in realtà anche nel viola, ma i recettori di questo colore sono molti meno rispetto a quelli del blu, ed è per questo che vediamo il cielo blu e non viola.

La luce Cherenkov così emessa copre una banda di frequenze nell’ultravioletto ma comprende anche una porzione di spettro visibile da cui il caratteristico colore azzurro.

Per approfondire: Ma il cono è sempre più blu

4. Are we alone?

Da quando l’uomo ha alzato gli occhi al cielo e si è reso conto di essere un minuscolo granello di polvere nel calderone che è lo spazio, la domanda del “Siamo davvero le uniche forme di vita?” non ha mai trovato una risposta. Statisticamente essere gli unici è davvero improbabile, l’universo per quanto ne sappiamo potrebbe essere infinito e sarebbe davvero presuntuoso sostenere la cosa. Eppure finora non abbiamo incontrato, perlomeno consciamente, nessuna forma di vita aliena. E visto che i nostri amici verdi non vengono a trovarci, questi due simpatici ragazzoni hanno deciso di andare a bussare alle porte della galassia.

Breakthrough Starshot è un programma di ricerca il cui fine ultimo è quello di creare una tecnologia ultraleggera che permetta di raggiungere, nel giro di una generazione (una ventina di anni), il sistema stellare Alpha Centauri, il nostro vicino galattico più prossimo (circa 276mila volte la distanza della Terra dal Sole).

Dove sta la difficoltà? Nella la distanza.

Questo simpatico sistema stellare si trova infatti solo a 41mila miliardi di chilometri di distanza dalla Terra, che in unità astronomiche possiamo scriverli come 4,37 anni luce. Sembra poco per delle “navicelle spaziali”, ma non è affatto così: Voyager 1, lanciata nel 1977 (quindi praticamente 20 anni fa, per fare un paragone), ha percorso solo 18 ore luce! Cominci ad afferrare che il problema non è da poco. Come si risolve il problema?

Come ti accennavo prima, l'obiettivo è quello di costruire delle sonde miniaturizzate (si parla della grandezza di un chip) e dal peso di pochi grammi. Queste piccole navicelle, una volta rilasciate da una navicella madre, dispiegherebbero al “vento” una speciale vela di qualche metro quadrato e spessa pochissimi strati atomici. Cosa forse saprete, nell’universo c’è un vuoto più o meno perfetto, quindi il vento lo dobbiamo creare.

Ora facciamo un passo indietro: come funziona una barca a vela?

Si basa tutto sulla pressione esercitata dal vento: le molecole che compongono l’aria urtano contro il tessuto della vela cedendo la propria energia cinetica e accelerando la barca. Dato che creare una ventola che spinga l’aria contro le vele ad una distanza di un miliardo di chilometri dalla Terra non è un’idea particolarmente brillante, poiché probabilmente non riusciremmo ad oltrepassare neanche la nostra atmosfera, dobbiamo utilizzare una spinta diversa. E indovinate un poco cosa utilizzeremo? La luce!

Il simpaticone di Maxwell che abbiamo visto all’inizio della presentazione, tra le varie cose teorizza che la radiazione elettromagnetica esercita sulle pareti esposte ad essa una pressione. Ora che sappiamo che la luce è anche composta da particelle, questa deduzione ci sembra quasi logica: se i fotoni si comportano come le molecole dell’acqua, l’urto con la vela dovrebbe mettere in movimento la sonda. Quello che in realtà succede è leggermente differente, in quanto i fotoni non urtano, ma vengono assorbiti: dato che si deve conservare la quantità di moto (che è una misura della loro velocità), sparando un laser contro le vele delle nostre sonde abbiamo la possibilità di accelerarle a distanza.

Ricapitolando, l'obiettivo è quello di inviare delle sonde piccole come dei chip nello spazio, sparargli contro un laser ed accelerarle fino alla velocità di 50mila chilometri al secondo, circa il 20% della velocità della luce. Mentre la miniaturizzazione delle sonde non sarebbe così futuristica come sembra, lo scoglio maggiore rimane la fonte laser, che dovrebbe raggiungere la potenza indicativa di 100 gigaWatt: per fare un paragone, l’energia necessaria al lancio di uno Space Shuttle, al secondo. L’altro grande problema rimane quello dei fondi: i primi 100 milioni di dollari sono stati donati dal miliardario russo Milner, ma il tetto della missione rimane molto (moltissimo) lontano. Ci saranno altri investitori così temerari? Staremo a vedere.

Per approfondire: Siamo soli nell’universo? Andiamo a scoprirlo!