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Che cosa é la luce?

 

Che cosa é la luce?  

Barry R. Masters

“Sia la luce!”, nulla di più facile e allo stesso tempo così difficile, ma cosa è in verità la luce?


List of recommended reading

“Dio disse: 'Sia la luce!', E la luce fu.” Genesi 1:3

“Per il resto della mia vita, rifletterò su cosa sia la luce” Albert Einstein, circa 1917

“Questi 50 anni di ruminazioni non mi hanno portato più vicino alla risposta alla domanda su cosa siano i quanti di luce..Ovviamente al giorno d'oggi ogni furbetto crede di sapere la risposta ma in verità non fa altro che ingannarsi!” Albert Einstein, 1951

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“Luci del nord “ di Kshitijr96 (own work) [CC BY­SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by­sa/3.0)], via Wikimedia Commons.

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“L'occhio è un rivelatore di fotoni” Di Woodwalker (own work) [CC BY 3.0(http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons.

La luce è un prerequisito per la vita dal momento che è la fonte principale di energia per il nostro cibo. La luce riveste un ruolo costitutivo e integrante nella religione, nelle storie della creazione, nella poesia, in letteratura, nel linguaggio e nella cultura. La luce è anche un'opera d'arte atmosferica quando si osserva un tramonto, un'alba, l'arcobaleno, l'aurora boreale e l'aurora astrale. Già ai tempi dei filosofi greci e arabi le teorie sulla luce erano strettamente connesse a quelle sulla vista: la luce ci permette di vedere e strumenti ottici come occhiali, lenti a contatto e terapie chirurgiche al laser consentano di migliorare l'acuità visiva. Allo stesso tempo la luce viene impiegata per diagnosticare e curare difetti e malattie oculari. Tutto questo è possibile grazie ai fotoricettori presenti nelle nostre retine e ai rivelatori a semiconduttore presenti nelle macchinette fotografiche che possediamo. I colori arricchiscono l'ambiente che ci circonda, sono una grande fonte di stimoli per l'uomo in tutti i campi, riscaldano le nostre case, migliorano le nostre città e le nostre vite. La luce del sole, della luna così come quella delle stelle è da sempre fonte di grande bellezza e al contempo mistero per l'uomo. La luce rappresenta l'ente fondante per il mondo moderno: poterla generare, manipolare, trasmettere e rilevare ha consentito lo sviluppo nel campo delle comunicazioni, delle industrie, dei dispositivi medici, dell'arte pubblica, della strumentazione biotecnologica, dei programmi didattico- educativi e di tutta la strumentazione atta a rendere sempre più avanzata la ricerca scientifica. La luce è per noi anche la fonte da cui attingere informazioni sulla creazione dell'universo e sui processi fotofisici che avvengono nelle stelle e quindi anche sulla natura universale delle leggi fisiche che regnano in tutto l'universo. La luce, grazie a studi spettroscopici, ha consentito grandi avanzamenti nella nostra conoscenza teorica e sperimentale sulla reale struttura degli atomi e delle molecole. La stessa meccanica quantistica ha visto la sua nascita e il suo sviluppo grazie allo studio della luce e delle sue interazioni con la materia. Non è quindi strano osservare come la luce abbia interessato poeti, filosofi (già a partire dal V secolo a.C.), artisti, scienziati e ingegneri. Al giorno d'oggi essa permette di unire e collegare persone di tutto il genere umano, provenienti da culture e nazioni disparate fra loro. La luce affascina, stimola e ci fa avvicinare. I bambini si sorprendono quando si riesce ad accendere un fuoco facendo convergere i raggi solari tramite una lente, così come gli adulti si meravigliano nell'osservare il microcosmo e il macrocosmo guardando attraverso un microscopio o un telescopio.

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Sinistra: Schizzo della Galassia Whirlpool come vista dal telescopio Birr Castle ( con specchio di 1.8m), autore Lord Rosse nel 1865. Centro: 2005 Nasa/esa combinazione digitale di un'immagine della galassia proveniente dal telescopio basato a terra dell'Osservatorio Nazionale Kitt Peak e di una proveniente dal telescopio spaziale Hubble. Destra: la galassia da un telescopio infrarosso.

Storicamente la luce è stata descritta come un'onda, come una particella e come un campo quantistico...complicato? Sì, lo è! Al giorno d'oggi infatti la domanda cosa sia la luce viene riletta e interpretata passando attraverso lo studio del suo comportamento. Quello che dunque ci si chiede è in che maniera essa si propaghi e interagisca con la materia. In questo articolo presenterò i concetti chiave che hanno portato all'origine e allo sviluppo,nei primi anni del ventesimo secolo, alla teoria del dualismo onda­particella e a quelle dell'interazione fra luce e materia.

Discuterò dei contributi fondamentali che ha apportato Albert Einstein alla nostra comprensione sulla natura della luce e delle sue interazioni con la materia. Le teorie di Einstein sulla relatività e le successive conferme sperimentali ne hanno fatto un scienziato e un pensatore conosciuto in tutto il mondo e hanno avuto come conseguenza un incredibile avanzamento nel campo dell'ottica. Questo ha trasformato la nostra concezione della luce e le nostre capacità di manipolarla per tutte quelle vastissime applicazioni che oggi conosciamo e che coinvolgono la medicina, le telecomunicazioni, la fotonica e la ricerca sperimentale sulla fisica fondamentale attraverso lo studio dei condensati di Bose­Einstein. Il suo lavoro sull'emissione stimolata ha contribuito allo sviluppo del laser, un dispositivo che sta trasformando il nostro mondo. Le pubblicazioni di Einstein sulla luce hanno influenzato sia Louis De Broglie che Erwin Schroedinger e hanno condotto alla formulazione della 'meccanica ondulatoria'. Einstein è riuscito a colmare la distanza che separava la propagazione della radiazione nello spazio e le interazioni radiazione­materia. Fra il 1905 e il 1916, Einstein ha spiegato l'interazione fra luce e materia in termini di emissione e assorbimento di quanti di luce, risolvendo così una serie di altri fenomeni fisici: la legge di Stokes della fluorescenza, la ionizzazione dei gas da parte di luce ultravioletta e l'effetto fotoelettrico. A quest'ultimo dobbiamo l'emissione di elettroni da parte di una superficie metallica quando viene colpita da una radiazione avente una certa frequenza di soglia: questo principio è alla base dei rilevatori ottici fra cui il tubo fotomoltiplicatore.

Primi esperimenti sulle interazioni luce­materia

Studiare gli antefatti al lavoro di Einstein sulle interazioni luce­materia ha risvolti molto interessanti ed istruttivi. Nel 1887, Heinrich Hertz, che ha generato, rilevato e caratterizzato la propagazione delle onde elettromagnetiche, ha osservato che, nel cosiddetto 'dipolo hertziano', la luce ultravioletta incidente sul risonatore induceva un miglioramento nella produzione di scintille. Il suo assistente Wilhelm Hallwachs ha confermato ed esteso questa osservazione quando dimostrò nel 1888 che la radiazione ultravioletta induceva i metalli neutri ad acquisire una carica positiva. Nel 1899, Joseph J. Thompson indagò l'effetto della radiazione ultravioletta circa la produzione di corpuscoli [elettroni] da parte di un piatto metallico all'interno di un tubo di Crookes. Thompson misurò che la corrente dal piatto cresceva con la frequenza e con l'intensità della radiazione e fu il primo a dichiarare in una pubblicazione che l'effetto ultravioletto fotoindotto si manifesta nell'emissione di elettroni. Nel 1902 Philipp Lenard, che stava lavorando all'Università di Kiel, dimostrò che facendo incidere la radiazione con breve lunghezza d'onda proveniente da una lampada ad arco in carbonio su di una superficie metallica si causava l'emissione di elettroni. Il numero di questi elettroni emessi, ma non la loro energia cinetica, aumentava con l'intensità luminosa ed esisteva uno specifico valore della frequenza della radiazione al di sotto della quale non si osservava alcuna emissione. Leonard trovò infine che l'energia cinetica degli elettroni emessi è indipendente dall'intensità della radiazione incidente ma cresce all'aumentarne della frequenza: egli misurò l'emissione di elettroni da una lastra di platino sottoposta a tre differenti frequenze di luce ultravioletta.

Il quanto di luce di Einstein

Nel 1905 Einstein pubblicò “Emissione e trasformazione della luce da un punto di vista euristico”, un saggio che rompeva con gli schemi del passato nel quale riusciva a dedurre, a partire dalla meccanica statistica termodinamica di Boltzmann, che l'entropia di radiazione, descritta dalla legge di distribuzione di Wien, presenta la stessa forma dell'entropia di un gas di particelle elementari o di quanti di energia, dove ciascuno di questi quanti è proporzionale alla frequenza dell'onda corrispondente. Riportando testualmente le parole dell'autore: “La radiazione monocromatica a bassa densità si comporta (entro il range di validità della formula di radiazione di corpo nero di Wien [valida per ) e in senso termodinamico, come se fosse costituita da quanti di radiazione mutuamente indipendenti di grandezza ” dove h è la costante di Planck, k la costante di Boltzmann, T è la temperatura espressa in Kelvin e infine è la frequenza della luce. E poi ancora “Quando un raggio luminoso si diffonde a partire da una sorgente puntiforme, l'energia non si distribuisce in maniera continua su di un volume via via crescente, ma consta invece di un numero finito di quanti di energia localizzati puntualmente nello spazio che si muovono senza dividersi e che possono unicamente essere o assorbiti o generati come unità complete”. Einstein nei sui lavori alterna l'uso dell'espressione quanti di energia (Energiequant) a quella di quanti di luce (Lichtquant). Questo concetto di discontinuità dell'energia nella propagazione della radiazione era in contraddizione con la teoria ondulatoria di Maxwell per la quale la radiazione elettromagnetica poteva essere intesa come un'onda continua. Un decennio più tardi, nel 1916, Einstein discusse del momento e della massa zero a riposo dei quanti di luce nella sua pubblicazione: “Emissione e assorbimento della radiazione nella teoria quantistica”, Deutsche Physikalische Gesellschaft. Verhandlungen 18, 318.

Il fotone

Il chimico­fisico americano Gilbert N. Lewis coniò il termine “fotone” in un articolo pubblicato nella rivista Nature nel 1926. “Sembrerebbe improprio riferirsi a una di queste ipotetiche entità come ad una particella di luce o come a un corpuscolo di luce o un quanto di luce dal momento che stiamo assumendo che impiega solo una piccolissima frazione della sua esistenza come portatore di energia sotto forma di radiazione, mentre per gran parte del tempo rimane un elemento costitutivo e strutturale all'interno dell'atomo. Mi prendo quindi la libertà di proporre per questo ipotetico nuovo atomo, che pur non essendo luce gioca un ruolo essenziale in qualsiasi processo che coinvolga la radiazione, il nome di fotone”. Dopo che Lewis ebbe proposto questo termine nel 1926, molti fisici lo adottarono per indicare i quanti di luce introdotti da Einstein anche se il concetto di fotone proposto da Lewis era completamente differente da quello del fisico tedesco. Come poi evidenziò H. Kragh, il nome fotone era stato proposto da almeno quattro scienziati prima del 1926. Successive intuizioni vennero invece poi riscontate nel pubblicazione di Lamb del 1995: l' “anti­fotone”.

Le ipotesi di Einstein sui quanti di luce spiegano l'effetto fotoelettrico

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Albert Einstein nel 1921, autore F Schmutzer [public domain], via Wikimedia Commons.

Einstein, applicando i suoi concetti di quanti di luce, riuscì a spiegare l'effetto fotoelettrico cosa invece impossibile se ci si rifaceva alla teoria ondulatoria di Maxwell. Riportando le parole del fisico matematico: “ Se la radiazione monocromatica si comporta come un mezzo discontinuo che consta di quanti di energia di grandezza , allora sembra ragionevole cercare di capire se anche le leggi che governano l'emissione e la trasformazione della luce coinvolgano a loro volta il concetto per cui la luce è formata dai suddetti quanti.” Assunse quindi che la luce interagisse con la materia attraverso l'emissione e l'assorbimento di questi quanti da lui proposti presentando così un nuovo approccio a misterioso meccanismo, descrivendo quindi la sua teoria dell'effetto fotoelettrico come segue. I quanti di luce penetrano lo strato superficiale della materia e la loro energia cinetica viene convertita in energia cinetica degli elettroni; così facendo un quanto di luce trasferisce interamente la sua energia a un singolo elettrone. “Un elettrone – scrisse lui- che si muova negli strati più profondi della materia avrà perso parte della sua energia cinetica quando ne avrà raggiunto la superficie.” Egli assunse inoltre che un elettrone di una superficie metallica debba compiere un lavoro , detto lavoro di estrazione e proprio di ogni materiale, per vincere le forze attrattive che lo terrebbero vincolato al materiale e lasciarne così la superficie. L'energia massima che può dunque presentare un elettrone che abbia effettuato questo salto è data da , che in notazione moderna , dove e è la carica dell'elettrone e V è il potenziale necessario a bloccare i fotoelettroni più veloci. Questa rappresenta la prima equazione della teoria quantistica delle interazioni radiazione­materia. Conferme al lavoro proposto da Einstein sull'effetto fotoelettrico vennero nel 1913 quando Arthur L. Hughes misurò la velocità massima di uscita di alcuni foto elettroni da vari metalli, verificando così l'equazione fotoelettrica del fisico tedesco. La prima conferma circa le ipotesi quantistiche proveniente da una branca della fisica che non afferisse alle radiazioni giunse nel 1907 quando Einstein spiegò e dimostrò che la quantizzazione dell'energia poteva essere applicata anche alla materia condensata. Egli riuscì a illustrare la dipendenza anomala dalla temperatura dei calori specifici dei solidi ( ovverosia che si riducevano all'abbassarsi della temperatura) figurandosi un solido come se fosse un reticolo di oscillatori quantizzati. La formula di Einstein era in buon accordo con i risultati sperimentali ottenuti nel 1910 da Walther Nernst e dal suo assistente Frederick A. Lindemann.

L'assegnazione nel 1922 del Premio Nobel per la Fisica ad Einstein rendeva merito proprio al suo saggio del 1905 sull'effetto fotoelettrico: “per il suo servizio alla fisica teorica ed in particolar modo la sua scoperta della legge che governa l'effetto fotoelettrico”. Al tempo in cui Einstein aveva formulato la sua teoria sull'effetto fotoelettrico, molti fra i maggiori fisici dell'epoca fra cui Max Planck, Hendrik A. Lorentz, Max von Laue, Wilhelm Wien e Arnold Sommerfeld non accettavano la sua teoria quantistica sulla luce perché si basavano sul fenomeno di interferenza della luce, perfettamente spiegato dalla meccanica ondulatoria. Sia Planck che Lorentz accettavano che la radiazione interagisse con la materia mediante processi quantizzati ma rigettavano la teoria secondo la quale i singoli quanti di luce venivano propagati come un'onda. Unica eccezione venne rappresentata da Johannes Stark che,nel 1909, propose l'idea di quanti di energia localizzati nei raggi X e dunque sostenne le ipotesi di Einstein sui quanti di luce. Lo stesso Einstein riconosceva il fatto che le sue teorie avessero bisogno o di una validazione sperimentale o di un rigetto e al congresso Solvay nel 1911 affermò: ”Io insisto sul carattere temporaneo di questo concetto [di luce quantizzata]”. Nel 1921 Maurice de Broglie espose durante il terzo congresso Solvay tenutosi a Bruxelles che l'emissione di elettroni derivante dall'interazione di radiazione X incidente sulla materia poteva essere spiegata assumendo che i raggi X avessero un'energia pari proprio ad . Suo fratello Loius de Broglie, dalla lettura dei saggi di Einstein sulla luce e sul successivo concetto di quanti di luce, ha costruito la sua teoria sulle “onde di materia”. Erwin Schroedinger proprio a partire dalle derivazioni di Loius de Broglie ideò la “meccanica ondulatoria”.

Scetticismo e successive validazioni sperimentali sui quanti di luce di Einstein

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Condesato di Bose­Einstein. La figura mostra una vista 3­D della distribuzione delle velocità di un gas di atomi di rubidio, confermando così la scoperta di una nuova fase della materia, il condensato di Bose­Einstein. Sulla sinistra il grafico mostra appena prima che appaia il condensato, al centro la figura è relativa all'istante successivo alla sua apparizione e a destra il campione di pressoché puro condensato che rimane dopo l'evaporazione. NIST/JILA/CU-Boulder (NIST Image) [Public domain], via Wikimedia Commons.

Nel 1916, Robert A. Millikan verificò sperimentalmente e con grande precisione la teoria fotoelettrica di Einstein, estendendo i precedenti esperimenti di Lenard. Millikan ha così mostrato che la massima energia cinetica degli elettroni emessi dipende proporzionalmente dalla frequenza della radiazione. I suoi grafici attestanti il potenziale di frenamento per la fotoemissione in funzione della frequenza della radiazione incidente seguivano perfettamente l'andamento lineare predetto da Einstein e i valori ottenuti per h a partire da diversi metalli erano uguali a quello di Planck calcolato nel suo articolo del 1901. Millikan dimostrò inoltre che il numero di elettroni fotoemessi è proporzionale all'intensità della radiazione. Ciò nonostante egli rigettò i quanti di luce proposti da Einstein. Solo dopo che nel 1923 Arthur Holly Compton e, indipendentemente, Peter Debye ebbero pubblicato i loro articoli sullo scattering da raggi X degli elettroni, in cui si rifacevano all'ipotesi di luce quantizzata di Einstein, la comunità fisica accettò questa teoria proposta dal fisico tedesco. Compton condusse degli studi sullo scattering di raggi X e da elementi leggeri. La sua teoria del 1923 mostrava che l'energia del quanto diffuso è minore rispetto a quella del quanto incidente e questa differenza è pari all'incremento dell'energia cinetica dell'elettrone diffuso che rincula. Compton derivò un'equazione che metteva in relazione l'aumento della lunghezza d'onda del fascio diffuso con l'angolo , inteso come l'angolo che si viene a creare fra il fascio incidente e quello diffuso. Un quanto di raggi X a frequenza è diffusa da un elettrone di massa m, considerato inizialmente a riposo. In seguito alla collisione con il quanto di radiazione, l'elettrone rincula. A partire dalla conservazione dell'energia e del momento per i processi di scattering, Compton derivò l'equazione che mette in luce la variazione di lunghezza d'onda dei raggi X:

Egli validò la sua teoria con una serie di misure precise e scrisse: “L'incredibile accordo fra valori attesi e sperimentali per lo scattering è più che straordinario...Non c'è una singola costante da sistemare che lega i due insiemi di dati”. Trovò che l'aumento di lunghezza d'onda è indipendente dalla lunghezza d'onda stessa e quindi concluse asserendo che: “Lo scattering da raggi X è un fenomeno quantistico”. E poi ancora: “...la teoria indica in maniera molto convincente che una radiazione quantistica trasporti con sé un momento diretto così come trasporta energia”.

Teoria di Einstein sulla dualotà onda­particella della luce

Le origini del dualismo onda­particella della luce sono da rintracciare nell'articolo miliare del 1909 di Einstein sulle fluttuazioni di energia: “Sullo status presente del problema della radiazione”. Einstein calcolò le fluttuazioni dell'energia e del momento nella sua analisi del moto Browniano (1905) e applicò questi metodi analitici anche alla radiazione di corpo nero, proponendo quindi una estensione della sua teoria della fluttuazione dei sistemi meccanici del 1905 alla radiazione di corpo nero non meccanica. Einstein indagò le fluttuazioni di energia della radiazione di corpo nero contenuta in un volume parziale V di una cavità isoterma a temperatura T. A partire dalla legge di distribuzione di Planck, egli espresse la varianza delle fluttuazioni di energia in termini di

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dove con <> si indica la media statistica, E è l'energia della radiazione a frequenze comprese fra e e c è la velocità della luce nel vuoto. Questa equazione è conosciuta sotto il nome di formula per le fluttuazioni della radiazione di corpo nero di Einstein. Il suo ragionamento affonda le radici nell'analisi della meccanica statistica per cui il primo termine a destra dell'uguale è riferito alle proprietà quantistiche della radiazione. Questo termine, lineare con l'energia media, si riscontra nel limite delle alte frequenze dove la legge di Wien è valida. Eistein concluse perciò che la radiazione, ed in particolar modo le sue fluttuazioni di energia,potessero essere pensate come un gas fatto di particelle identiche, i.e. i quanti di luce di energia . A partire da un ragionamento dimensionale, il secondo termine, quadratico rispetto all'energia media, deriva dall'interferenza delle onde. Einstein riuscì quindi a concepire il fatto che la radiazione all'interno della cavità fosse composta da molti modi normali aventi ampiezze, fasi e polarizzazioni differenti e che si propagavano in molte direzioni. Propose quindi che le fluttuazioni in un qualsiasi volume parziale della cavità potessero essere originate dall'interferenza fra differenti onde piane. Nel 1909 scrisse: “..il prossimo avanzamento nella fisica teorica ci condurrà verso una teoria per la quale la luce può essere interpretata come una fusione fra la teoria ondulatoria e quella nelle emissioni..” .

La teoria di Einstein sull'emissione stimolata

Nove anni dopo l'ideazione da parte di Einstein del concetto di quanti di luce, egli tornò al problema dell'interazione radiazione­materia e, più specificamente, sul ruolo che questi quanti hanno nelle transizioni fra stati di energia degli atomi. Nel 1916 formulò la teoria dell'emissione indotta o stimolata all'interno del suo influente articolo “Emissione e assorbimento di radiazione nella teoria quantistica”. In questo saggio risultava di cruciale importanza l'introduzione di un approccio probabilistico alla fisica quantistica, si introducevano i ben noti “coefficienti A e B di Einstein” e l'autore presentava le sue previsioni circa l'emissione indotta e quella spontanea. All'epoca il concetto di transizioni di energia all'interno dell'atomo governate dall'assorbimento e dall'emissione di quanti di luce non era diffusamente accettato all'interno della comunità fisica. La teoria di Bohr riguardante l'atomo di idrogeno non faceva riferimento all'idea del fotone; Bohr infatti rigettò questa ipotesi fino agli inizi degli venti. Anche lo stesso Max Planck, seppur ritenuto da molti l'ideatore e fondatore della teoria quantistica nel 1900, abbandonò le sue ritrosie verso la quantizzazione solo quando nel 1913 Bohr riuscì a quantizzare i livelli di energia dell'atomo di idrogeno.

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Il primo laser a rubino smontato.

Einstein basò il suo ragionamento sul fatto che un campo di radiazioni può causare o il guadagno o la perdita di energia in un atomo. Considerò un processo che prevedeva due stati di energia per un atomo, uno inferiore e uno superiore, e che le transizioni che avvenivano fra questi due erano guidate dall'assorbimento o dall'emissione di un fotone di energia pari proprio alla differenza di energia dei due livelli. Se un atomo assorbe un fotone allora la sua energia elettronica sarà aumentata di una quantità pari all'energia del fotone e l'atomo di troverà in uno stato eccitato. A questo punto un atomo eccitato può spontaneamente emettere un fotone venendosi così a trovare o in un nuovo stato a energia inferiore o nello stato fondamentale. L'energia del fotone emesso sarà quindi pari alla differenza fra le energie dello stato eccitato e quello fondamentale. L'emissione spontanea da parte di un atomo che si trovi in uno stato eccitato può avvenire se si è in assenza di radiazione incidente. Nell'emissione stimolata o indotta un atomo che sia un uno stato eccitato si trova dunque a interagire con un campo elettromagnetico a cui viene trasferita l'energia che l'atomo libera nel passare dallo stato eccitato a quello ad energia inferiore. Il fotone che viene così creato presenta stessa frequenza, fase, polarizzazione e direzione di propagazione dei fotoni del campo incidente.

Einstein considerò un insieme di atomi all'equilibrio termico e un processo che presentava due stati di energia: uno più alto e uno più basso tali per cui le transizioni fra essi erano mediate dall'emissione o dall'assorbimento di un fotone di energia pari proprio alla differenza dei due livelli. Assunse inoltre che il numero di atomi che si trovavano nello stato a energia più alta e quello a energia più bassa fossero costanti. All'equilibrio termico pertanto il numero di atomi che per unità di tempo avrebbe emesso radiazione sarebbe stato perfettamente uguale a quello che ne avrebbe assorbita.

Einstein distinse allora fra due tipi di transizioni possibili. La prima si verificava quando l'emissione della radiazione avveniva in assenza di influenze esterne, in analogia alla legge di Rutherford sul decadimento radioattivo. Questo processo è dunque quello che noi conosciamo che va sotto il nome di emissione spontanea, caratterizzato dal coefficiente A di Einstein e che dunque avviene in assenza di radiazione esterna. Il fotone risultante può essere emesso in qualsiasi direzione. Il secondo tipo do transizione individuata dal fisico tedesco è dovuta all'interazione fra gli atomi e la radiazione incidente. Einstein assunse che l'effetto della radiazione incidente fosse proporzionale alla densità di radiazione e causasse dunque la transizione fra i due stati. Egli inoltre asserì che il principio di reversibilità microscopica, per il quale il rapporto di energia trasferita dal livello inferiore a quello superiore dovesse essere pari a quella trasferita dal superiore all'inferiore per ogni transizione, potesse essere applicato alla radiazione all'equilibrio. Il processo di emissione stimolata doveva quindi avvenire in modo tale che i livelli di energia di un atomo in equilibrio con il campo di radiazioni rispondessero alla distribuzione di Boltzmann e fossero inoltre consistenti con la legge di radiazione di Planck. Se il coefficiente B di Einstein, quello dunque identificativo dell'emissione indotta, fosse nullo, non si avrebbe alcuna distribuzione di Boltzmann degli stati all'equilibrio termico. Come detto, all'equilibrio termico, il numero di atomi che guadagna energia deve essere pari al numero di atomi che ne perdono; da questo egli dedusse che le probabilità dei processi indotti di assorbimento ed emissione dovessero essere uguali. I coefficienti di Einstein sono quindi indipendenti dalla densità di radiazione.

Einstein, anticipando i tempi, suggerì che i coefficienti A e B potessero essere calcolati a partire da una nuova versione dell'elettrodinamica e della meccanica che fosse in accordo con le ipotesi quantistiche: la meccanica quantistica. Questa intuizione venne successivamente verificata nel 1927 quando Dirac utilizzò la sua versione della meccanica quantistica per derivare in un primo articolo il coefficiente B di Einstein e in un secondo articolo il coefficiente A di Einstein dell'emissione spontanea.

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Generazione di supercontinuum in una fibra di cristallo fotonico. Courtesy of J Dudley, Presidente del comitato guida dell' Anno Internazionale della Luce 2015.

Verifiche sperimentali della concezione di Einstein circa l'emissione stimolata arrivarono solo dopo decenni che il fisico l'aveva sviluppata teoricamente. Nell'articolo “Perchè il laser è stato inventato così tardi?” [ICO Newsletter, January 2010, numero 82] Bertolotti fornisce una spiegazione di questo ritardo. Nel 1954 Gordon, Zeiger e Townes inventarono il maser (amplificatore di microonde) che operava, appunto, nella regione delle microonde. Nel 1960 Theodore H. Maiman riuscì a produrre un'emissione stimolata all'interno di un cristallo di rubino come componente del primo laser. Nel 1964 il Premio Nobel per la Fisica venne condiviso da Charles H. Townes, Nicolay G. Basov and Aleksandr M. Prokhorov per i loro lavori indipendenti sul laser.

Se volessimo tornare dunque alla nostra domanda iniziale su cosa sia la luce possiamo ora rispondere rifacendoci alla teoria concepita da Einstein. Il fotone è uno stato del campo elettromagnetico con frequenza , vettor d'onda K, energia e momento . E' una particella che ha massa zero a riposo, ha spin uno e ha due stati di polarizzazione. Nel 1924 il fisico scrisse: “I risultati positivi dell'esperimento di Compton provano che la radiazione si comporta come se fosse fatta da una quantità discreta di proiettili di energia, non solo per quanto riguarda il trasferimento di energia ma anche di momento”. Perciò ancora una volta noi, dopo tanti anni, ci rifacciamo alle parole “la radiazione si comporta come se fosse” trovando così più una risposta alla domanda 'Come si comporta la luce?' che a 'Cosa è la luce?'. Anche se quindi non possiamo considerare completamente risolto il quesito che ci eravamo inizialmente posti, la nostra crescente comprensione della luce ha apportato bellezza alle nostre vite e ha trasformato il nostro mondo. Grazie luce!

Barry R Masters, Independent Scholar, Cambridge, MA, USA


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Il Professore Barry R Masters ha conseguito il suo PhD presso il Weizmann Institute of Science in Israele, la sua laurea specialistica all'Università dello stato della Florida e la sua laurea triennale all'Istituto Politecnico di Brooklyn. E' stato visiting scientist al Dipartimento di Ingegneria biologica all' MIT, visiting professor al Dipartimento di Oftalmologia all'Università di Berna, visiting scholar al dipartimento di Storia della Scienza dell'Università di Harvard e professore di Anatomia e Biologia Cellulare presso la Uniformed Services University of the Health Sciences. E' membro dell'Associazione Americana per l'Avanzamento della Scienza (AAAS), della Optical Society of America (OSA) e della SPIE. Dal 1999 al 2000, il professore è stato membro del congresso scientifico e ingegneristico della AAAS e ha ricoperto il ruolo di assistente legislativo nel congresso degli Stati Uniti. Ha ricevuto il Premio Vogt per la Ricerca sull'Oftalmologia ( il più importante riconoscimento svizzero per gli studi in questo campo) con il dottor Böhnke nel 1999 per il loro lavoro “Confocal Microscopy of the Cornea”. Il professore ha pubblicato 86 articoli citati e 143 capitoli di libri. E' autore o editore di 10 libri: Noninvasive Diagnostic Techniques in Ophthalmology; Confocal Microscopy and Multiphoton Excitation Microscopy: the Genesis of Live Cell Imaging; Handbook of Biomedical Nonlinear Optical Microscopy (con Peter So). Sta ora lavorando a un nuovo libro che verrà pubblicato a cura dell'Università di Cambridge: Superresolution Optical Microscopy: The quest for enhanced resolution and contrast. Tiene lezioni in tutto il mondo sul comportamento responsabile della ricerca, sull'etica biomedica, sul pensiero critico e sulla fotonica biomedica.


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 CHIARA BORTIGNON

Chiara Bortignon is getting her MD in Physics at the University of Trento, Italy, specializing both on scientific divulgation and the importance on new materials and techniques for green energy, such as the artificial leaf. She got her BD in Physics at the University of Trieste, Italy, with a Thesis on Boron Neutron Capture Therapy, an experimental form of binary radiotherapy, based on nuclear medicine. She has been working as a Maths and Physics Teacher at high school level and she is still part of different project involving pupils in her home town.