La luce è ciò che ci permette di capire il mondo in cui viviamo. Il nostro linguaggio riflette questo: dopo brancolare nel buio, vediamo la luce e la comprensione albe.
Eppure la luce è una di quelle cose che non tendiamo a capire. Se si dovesse ingrandire un raggio di luce, che cosa si vede? Certo, la luce viaggia incredibilmente veloce, ma cosa sta facendo il viaggio? Molti di noi farebbero fatica a spiegare.
Non deve essere così., La luce ha certamente perplesso le menti più grandi per secoli, ma le scoperte storiche fatte negli ultimi 150 anni hanno derubato la luce del suo mistero. In realtà sappiamo, più o meno, di cosa si tratta.
I fisici di oggi non solo comprendono la natura della luce, ma stanno imparando a controllarla con una precisione sempre maggiore, il che significa che la luce potrebbe presto essere messa al lavoro in modi nuovi e sorprendenti. Questo è parte del motivo per cui le Nazioni Unite hanno designato il 2015 come Anno Internazionale della Luce.
Ci sono tutti i tipi di modi per descrivere la luce., Ma potrebbe aiutare a cominciare da questo: la luce è una forma di radiazione.
Non è stato fino alla fine del diciannovesimo secolo che gli scienziati hanno scoperto l’esatta identità della radiazione luminosa
Questo si spera abbia un senso. Sappiamo tutti che troppa luce solare può innescare il cancro della pelle. Sappiamo anche che l’esposizione alle radiazioni può aumentare il rischio di sviluppare alcune forme di cancro, quindi non è difficile mettere insieme le due cose.
Ma non tutte le forme di radiazione sono uguali., Fu solo alla fine del diciannovesimo secolo che gli scienziati scoprirono l’esatta identità della radiazione luminosa.
La cosa strana è che questa scoperta non è venuta dallo studio della luce. Invece è emerso da decenni di lavoro nella natura dell’elettricità e del magnetismo.
L’elettricità e il magnetismo sembrano cose molto diverse. Ma scienziati come Hans Christian Oersted e Michael Faraday hanno stabilito che sono profondamente intrecciati.
Oersted ha scoperto che una corrente elettrica che passa attraverso un filo devia l’ago di una bussola magnetica., Nel frattempo, Faraday ha scoperto che spostare un magnete vicino a un filo può generare una corrente elettrica nel filo.
Maxwell mostrò che i campi elettrici e magnetici viaggiano alla maniera delle onde
I matematici del giorno iniziarono a usare queste osservazioni per creare una teoria che descrivesse questo strano nuovo fenomeno, che chiamarono “elettromagnetismo”. Ma non è stato fino a quando James Clerk Maxwell ha esaminato il problema che è emerso un quadro completo.
Il contributo di Maxwell alla scienza è enorme., Albert Einstein, che è stato ispirato da Maxwell, ha detto che ha cambiato il mondo per sempre. Tra molte altre cose, i suoi calcoli hanno aiutato a spiegare cos’è la luce.
Maxwell ha mostrato che i campi elettrici e magnetici viaggiano alla maniera delle onde e che quelle onde si muovono essenzialmente alla velocità della luce. Ciò ha permesso a Maxwell di prevedere che la luce stessa è stata trasportata da onde elettromagnetiche, il che significa che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica.,
Alla fine del 1880, pochi anni dopo la morte di Maxwell, il fisico tedesco Heinrich Hertz divenne il primo a dimostrare formalmente che il concetto teorico di Maxwell dell’onda elettromagnetica era corretto.
Nel 1861 egli ha presentato il primo durevole fotografia a colori
“io sono convinto che se Maxwell e Hertz aveva vissuto il premio Nobel per l’epoca, avrebbero certamente condivisa”, dice Graham Hall dell’Università di Aberdeen nel regno UNITO – dove Maxwell lavorato alla fine degli anni 1850.,
Maxwell occupa un posto negli annali della scienza della luce per un’altra ragione più pratica. Nel 1861 svelò la prima fotografia a colori durevole, prodotta utilizzando un sistema di filtri a tre colori che costituisce ancora oggi la base di molte forme di fotografia a colori.
Tuttavia, l’idea che la luce sia una forma di radiazione elettromagnetica potrebbe non significare troppo. Ma questa idea aiuta a spiegare qualcosa che tutti noi comprendiamo: la luce è uno spettro di colori.
Questa è un’osservazione che risale al lavoro di Isaac Newton., Vediamo questo spettro di colori in tutta la sua gloria ogni volta che un arcobaleno si blocca nel cielo-e quei colori si riferiscono direttamente al concetto di Maxwell di onde elettromagnetiche.
Molti animali riescono a vedere i raggi ultravioletti, e così alcune persone
La luce rossa lungo un bordo del rainbow è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d’onda di circa 620 750 nanometri; la luce viola lungo il bordo opposto è la radiazione con una lunghezza d’onda di 380 a 450 nm.
Ma c’è molto di più nella radiazione elettromagnetica di questi colori visibili., La luce con lunghezze d’onda leggermente più lunghe della luce rossa che vediamo è chiamata infrarossa. La luce con lunghezze d’onda leggermente più corte del viola è chiamata ultravioletta.
Molti animali possono effettivamente vedere l’ultravioletto, e così possono alcune persone, dice Eleftherios Goulielmakis del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching, in Germania. In alcune circostanze anche l’infrarosso è visibile agli esseri umani. Forse questo è il motivo per cui non è raro vedere sia l’ultravioletto che l’infrarosso descritti come forme di luce.,
Curiosamente, però, vai a lunghezze d’onda elettromagnetiche ancora più lunghe o più corte e smettiamo di usare la parola “luce”.
Oltre l’ultravioletto, le lunghezze d’onda elettromagnetiche possono essere inferiori a 100 nm. Questo è il regno dei raggi X e dei raggi gamma. Non sentirai spesso i raggi X descritti come una forma di luce.
Non c’è alcuna reale differenza fisica tra le onde radio e la luce visibile
“Uno scienziato non direbbe ‘Sto brillando di luce a raggi X sul bersaglio’. Direbbero ‘Sto usando i raggi X'”, dice Goulielmakis.,
Nel frattempo, andare oltre infrarosso e lunghezza d’onda elettromagnetica si estende a 1 cm e anche fino a migliaia di chilometri. A queste onde elettromagnetiche vengono dati nomi familiari come microonde e onde radio. Può sembrare strano pensare alle onde radio utilizzate nella trasmissione come luce.
“Non esiste una reale differenza fisica tra le onde radio e la luce visibile dal punto di vista della fisica”, afferma Goulielmakis. “Li descriveresti esattamente con lo stesso tipo di equazioni e matematica.”È solo il nostro linguaggio quotidiano che li tratta come diversi.,
Quindi abbiamo un’altra definizione di luce. È la gamma molto ristretta di radiazioni elettromagnetiche che i nostri occhi possono effettivamente vedere. In altre parole, la luce è un’etichetta soggettiva che usiamo solo perché i nostri sensi sono limitati.
Per ulteriori prove di quanto sia soggettivo il nostro concetto di luce, ripensa all’arcobaleno.
La maggior parte delle persone apprende che lo spettro della luce contiene sette colori principali: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola. Ci viene anche dato a portata di mano mnemonici e canzoni per ricordarli.,
Guarda un arcobaleno forte e probabilmente puoi convincerti che tutti e sette i colori sono in mostra. Tuttavia, Newton stesso ha lottato per vederli tutti.
Infatti, i ricercatori ora sospettano che abbia diviso l’arcobaleno solo in sette colori perché il numero sette era così significativo nel mondo antico: per esempio ci sono sette note in una scala musicale e sette giorni in una settimana.
Il lavoro di Maxwell sull’elettromagnetismo ci ha portato oltre tutto questo, e ha dimostrato che la luce visibile faceva parte di un più ampio spettro di radiazioni. Sembrava anche spiegare finalmente la natura della luce.,
Per secoli, gli scienziati avevano cercato di definire la forma effettiva che la luce assume su una scala fondamentale mentre viaggia da una fonte di luce ai nostri occhi.
Newton si rese conto che i raggi di luce obbedivano a regole geometriche molto rigide
Alcuni pensavano che la luce viaggiasse sotto forma di onde o increspature, attraverso l’aria o un “etere”più nebuloso. Altri pensavano che questo modello di onda fosse sbagliato e immaginavano la luce come un flusso di minuscole particelle.,
Newton preferì questa seconda opzione, in particolare dopo una serie di esperimenti che eseguì usando luce e specchi.
Si rese conto che i raggi di luce obbedivano a regole geometriche molto rigide. Brillare un raggio contro uno specchio e rimbalzò esattamente nello stesso modo in cui una palla sarebbe se fosse lanciata contro lo specchio. Le onde non si muovono necessariamente in linee rette così prevedibili, ragionò, quindi la luce deve essere trasportata da una qualche forma di minuscole particelle senza peso.
Il problema è che c’erano prove altrettanto convincenti che la luce è un’onda.,
Una delle dimostrazioni più famose di questo avvenne nel 1801. Il “double slit experiment” di Thomas Young è il tipo di esperimento che chiunque può replicare a casa.
Prendi un foglio di carta spessa e fai con cura due sottili fessure verticali attraverso di esso. Quindi ottieni una fonte di luce “coerente”, che produce solo luce di una particolare lunghezza d’onda: un laser farà bene. Ora fai brillare la luce attraverso le due fessure su un’altra superficie.
Su quella seconda superficie, ci si potrebbe aspettare di vedere due linee verticali luminose in cui parte della luce è passata attraverso le due fessure., Ma quando Young eseguì l’esperimento, vide una sequenza di linee chiare e scure piuttosto come un codice a barre.
Quando la luce passa attraverso le fessure sottili, si comporta nello stesso modo in cui le onde d’acqua fanno quando passano attraverso un’apertura stretta: diffrattano e si diffondono sotto forma di increspature emisferiche.
Dove le “increspature leggere” delle due fessure si colpiscono fuori fase, si annullano, formando barre scure. Dove le increspature si colpiscono a vicenda in fase, si sommano per creare linee verticali luminose.,
L’esperimento di Young era una prova convincente del modello delle onde, e il lavoro di Maxwell mise l’idea su un solido fondamento matematico. La luce è un’onda.
Ma poi è arrivata la rivoluzione quantistica.
Nella seconda metà del diciannovesimo secolo, i fisici stavano cercando di capire come e perché alcuni materiali assorbivano ed emettevano radiazioni elettromagnetiche meglio di altri.,
Nel 1900, Max Planck risolse il problema
Che potrebbe sembrare un po ‘ di nicchia, ma l’industria della luce elettrica stava emergendo in quel momento, quindi i materiali che potevano emettere luce erano una grande cosa.
Alla fine del diciannovesimo secolo, gli scienziati avevano scoperto che la quantità di radiazione elettromagnetica rilasciata da un oggetto cambiava a seconda della sua temperatura e avevano misurato questi cambiamenti. Ma nessuno sapeva perché è successo.
Nel 1900, Max Planck risolse il problema., Scoprì che i calcoli potevano spiegare quei cambiamenti, ma solo se presumeva che la radiazione elettromagnetica fosse contenuta in minuscoli pacchetti discreti. Planck chiamò questi “quanti”, il plurale di”quantum”.
Alcuni anni dopo, Einstein usò questa idea per spiegare un altro esperimento sconcertante.
I fisici avevano scoperto che un pezzo di metallo viene caricato positivamente quando viene immerso nella luce visibile o ultravioletta. Hanno chiamato questo “effetto fotoelettrico”.,
Questo non ha molto senso se la luce è semplicemente un’onda
La spiegazione era che gli atomi nel metallo stavano perdendo elettroni caricati negativamente. Apparentemente, la luce ha consegnato abbastanza energia al metallo per scuotere alcuni di loro sciolti.
Ma il dettaglio di ciò che gli elettroni stavano facendo era strano. Potrebbero essere fatti per trasportare più energia semplicemente cambiando il colore della luce. In particolare, gli elettroni rilasciati da un metallo immerso nella luce viola trasportavano più energia degli elettroni rilasciati da un metallo immerso nella luce rossa.,
Questo non ha molto senso se la luce è semplicemente un’onda.
Di solito si modifica la quantità di energia in un’onda rendendola più alta – si pensi al potere distruttivo di uno tsunami alto – piuttosto che rendendo l’onda stessa più lunga o più corta.
Ogni quantum racchiude un pugno di energia discreta
Per estensione, il modo migliore per aumentare l’energia che la luce trasferisce agli elettroni dovrebbe essere rendendo le onde luminose più alte: cioè rendendo la luce più luminosa., Cambiare la lunghezza d’onda, e quindi il colore, non dovrebbe fare la stessa differenza.
Einstein si rese conto che l’effetto fotoelettrico era più facile da capire pensando alla luce in termini di quanti di Planck.
Ha suggerito che la luce viene trasportata in piccoli pacchetti quantistici. Ogni quantum racchiude un pugno di energia discreta che si riferisce alla lunghezza d’onda: più breve è la lunghezza d’onda, più denso è il pugno di energia. Questo spiegherebbe perché i pacchetti di luce viola, con una lunghezza d’onda relativamente corta, trasportavano più energia dei pacchetti di luce rossa, con uno relativamente più lungo.,
Ha anche spiegato perché semplicemente aumentando la luminosità della luce fatto meno di un impatto.
Una sorgente luminosa più luminosa fornisce più pacchetti di luce al metallo, ma non modifica la quantità di energia che ogni pacchetto di luce contiene. Crudamente parlando, un singolo pacchetto di luce viola potrebbe trasferire più energia a un singolo elettrone di qualsiasi numero di pacchetti di luce rossa.,
Gli scienziati decisero che la luce si comportava sia come un’onda che come una particella allo stesso tempo
Einstein chiamò questi pacchetti di energia fotoni, e questi sono ora riconosciuti come una particella fondamentale. La luce visibile è trasportata dai fotoni, così come tutti gli altri tipi di radiazioni elettromagnetiche come i raggi X, le microonde e le onde radio. In altre parole, la luce è una particella.
A questo punto i fisici decisero di porre fine al dibattito sul fatto che la luce si comportasse come un’onda o una particella., Entrambi i modelli erano così convincenti che nessuno dei due poteva essere respinto.
Alla confusione di molti non fisici, gli scienziati hanno deciso che la luce si comportava sia come un’onda che come una particella allo stesso tempo. In altre parole, la luce è un paradosso.
I fisici, tuttavia, non hanno alcun problema con l’identità divisa della luce. Semmai, rende la luce doppiamente utile. Oggi, basandosi sul lavoro dei luminari – letteralmente “donatori di luce”-come Maxwell e Einstein, stiamo spremendo ancora di più dalla luce.,
Si scopre che le equazioni utilizzate per descrivere la luce come onda e la luce come particella funzionano altrettanto bene, ma in alcune circostanze una è più facile da usare rispetto all’altra. Così i fisici passano da uno all’altro, proprio come usiamo i metri per descrivere la nostra altezza, ma passiamo ai chilometri per descrivere un giro in bicicletta.
Le particelle impigliate possono essere utilizzate per comunicare informazioni
Alcuni fisici stanno cercando di usare la luce per creare canali di comunicazione crittografati: per esempio per i trasferimenti di denaro., Per loro, ha senso pensare alla luce come particelle.
Questo è a causa di un’altra strana stranezza della fisica quantistica. Due particelle fondamentali, come una coppia di fotoni, possono essere “impigliate”. Ciò significa che condividono proprietà non importa quanto siano distanti l’uno dall’altro, quindi possono essere utilizzati per comunicare informazioni tra due punti sulla Terra.
Un’altra caratteristica di questo entanglement è che lo stato quantico dei fotoni cambia quando vengono letti., Ciò significa che se qualcuno ha cercato di origliare su un canale criptato utilizzando le proprietà quantistiche della luce, avrebbero, in teoria, tradire immediatamente la loro presenza.
Altri, come Goulielmakis, stanno usando la luce nell’elettronica. Per loro è molto più utile pensare alla luce come a una serie di onde che possono essere domate e controllate.
I moderni dispositivi chiamati “sintetizzatori di campo luminoso” possono racchiudere le onde luminose in perfetta sincronia tra loro. Di conseguenza, creano impulsi di luce che sono molto più intensi, di breve durata e diretti rispetto alla luce di una lampadina ordinaria.,
Hanno letteralmente scattato foto di onde luminose in movimento
Negli ultimi 15 anni, questi dispositivi sono stati utilizzati per domare la luce in misura straordinaria.
Nel 2004 Goulielmakis ei suoi colleghi sono riusciti a produrre impulsi incredibilmente brevi di radiazioni a raggi X. Ogni impulso è durato solo 250 attosecondi, o 250 quintillionesimi di secondo.
Utilizzando questi piccoli impulsi come un flash della fotocamera, sono riusciti a catturare immagini di singole onde di luce visibile, che oscillano piuttosto più lentamente. Hanno letteralmente scattato foto di onde luminose in movimento.,
“Sappiamo da Maxwell che la luce è un campo elettromagnetico oscillante, ma nessuno sognava che saremmo stati in grado di catturare la luce mentre oscilla”, afferma Goulielmakis.
Vedere quelle singole onde luminose è un primo passo verso il controllo e scolpire loro, dice, tanto quanto abbiamo già scolpire onde elettromagnetiche molto più a lungo, come le onde radio che trasportano segnali radio e televisivi.
Un secolo fa, l’effetto fotoelettrico ha mostrato che la luce visibile colpisce gli elettroni in un metallo., Goulielmakis dice che dovrebbe essere possibile manipolare con precisione quegli elettroni, utilizzando onde luminose visibili che sono state modellate per interagire con i metalli in modo accuratamente definito. “Possiamo controllare la luce e attraverso di essa possiamo controllare la materia”, dice.
Gli occhi umani sono rivelatori di fotoni che utilizzano la luce visibile per conoscere il mondo che ci circonda
Che potrebbero rivoluzionare l’elettronica, portando a nuove generazioni di computer ottici più piccoli e veloci di quelli che abbiamo oggi., “Si tratta di impostare gli elettroni in movimento nei modi che vogliamo, creando correnti elettriche all’interno dei solidi usando la luce, invece dell’elettronica convenzionale.”
Quindi c’è un altro modo in cui la luce può essere descritta: la luce è uno strumento.
Non è una novità. La vita ha sfruttato la luce fin dai primi organismi primitivi evoluti tessuti sensibili alla luce. Gli occhi umani sono rivelatori di fotoni che utilizzano la luce visibile per conoscere il mondo che ci circonda.
La tecnologia moderna sta semplicemente prendendo questa idea ancora di più., Nel 2014, il premio Nobel per la chimica è stato assegnato ai ricercatori che hanno costruito un microscopio ottico così potente, che si pensava fosse fisicamente impossibile. Si è scoperto che, con un po ‘ di persuasione, la luce ci avrebbe mostrato cose che pensavamo non avremmo mai visto.