Luce: non solo lampadine, le meraviglie nascoste

Difficile dire quale sia la prima cosa che ci viene in mente alla parola “luce”. Per il guardiano di un faro, luce vuole in qualche maniera dire lavoro. Per un automobilista fa invece rima con sicurezza. Per un regista? Un elemento estetico fondamentale del proprio film, mentre per un architetto è anche funzionalità. Nella tradizione cristiana, è simbolo del divino. Per noi esseri umani la luce rappresenta moltissimi concetti diversi, alcuni più concreti altri meno, ma per la fisica si tratta sempre della medesima cosa: radiazione elettromagnetica, ovvero un’onda composta da campi elettrici e magnetici.  

Il 16 maggio è la Giornata internazionale della luce, indetta dall’UNESCO nell’anniversario della costruzione del primo laser ad opera di Theodore Maiman. Nonostante, tra lampadine e radiazione solare, la luce sia pressoché onnipresente nella nostra vita, ci sono molti aspetti a riguardo meno noti ai più. 

La fotosintesi è il processo attraverso il quale le piante trasformano la luce solare in energia disponibile per il proprio corpo attraverso degli organuli chiamati cloroplasti. Alcuni tipi di lumache di mare, tra le quali la costasiella kuroshimae presente in Giappone, si cibano di particolari alghe filamentose e poi ne trattengono i cloroplasti, utilizzandoli a propria volta per ricavare energia dal Sole.  Questa capacità si chiama “cleptoplastia”, dal greco “kleptes ”, ladro.

La luce, è noto, non ha massa, ma sente comunque gli effetti della gravità. A dircelo è la Teoria della relatività generale di Albert Einstein, che descrive la gravità come una distorsione dello spazio-tempo in grado di perturbare anche la traiettoria dei raggi luminosi. L’effetto è visibile solo per i corpi molto grossi, come le stelle, ed è stato proprio questo l’esperimento che nel 1919 ha consentito alla comunità scientifica di convincersi dell’accuratezza della Teoria della relatività generale. Durante un’eclissi di Sole, infatti, gli scienziati hanno potuto sfruttare l’oscurità per osservare con precisione la posizione di alcune stelle localizzate nel cielo dietro al Sole. Con loro grande sorpresa, Einstein aveva ragione: le stelle erano in una posizione diversa rispetto a quella predetta dai calcoli astronomici. La Teoria della relatività generale ha consentito di calcolare la deviazione subita dalla luce proveniente dalle stelle dovuta al passaggio vicino al Sole.

La teoria della relatività di Albert Einstein spiega anche che non c’è niente di più veloce della luce nel vuoto. Non tutti però sanno che la sua velocità, per la precisione di 299’792’458 metri al secondo, è stabilita per convenzione. Questo significa che se qualcuno misurasse la velocità della luce e trovasse un valore differente, allora la causa è da imputarsi a delle procedure sbagliate o a un errore di calibrazione degli strumenti. A prima vista può sembrare strano, ma la ragione è da cercarsi nella definizione di metro: è la lunghezza che la luce percorre in un secondo diviso 299’792’458. Mentre il secondo è definito su alcune proprietà quantistiche dell’atomo di cesio, il metro è dunque derivato proprio dalla velocità della luce. 

Negli inizi del Novecento, la scoperta della fisica quantistica ci ha fatto scoprire che la luce è composta da “unità” (più correttamente di dice “quanti”) chiamati fotoni. Però, la teoria spiega anche che, mentre alle scale infinitamente piccole i fotoni sono soggetti alle stranezze del mondo quantistico, nella vita di tutti i giorni i fotoni sono talmente tanti che appaiono semplicemente come un’onda. Nonostante noi non percepiamo gli effetti quantistici del mondo, uno studio pubblicato nel 2016 su Nature Communications da un gruppo di ricerca di Vienna ha stabilito che l’occhio umano è così sensibile da riuscire a vedere singoli fotoni. Nel corso della ricerca, volta a determinare l’intensità luminosa più bassa percepibile dall’uomo, tre volontari sono stati messi alla prova. Le persone sono state abituate al buio totale per quaranta minuti e sono state poi soggette a invii di impulsi di luce costituiti da un singolo fotone. Le risposte dei tre partecipanti mostrano chiaramente la capacità di percepire questi “flash” debolissimi. 

Nella luce visibile, ovvero quella che i nostri occhi percepiscono, a ogni frequenza corrisponde un colore, dal rosso, meno energetico e quindi di frequenza più bassa, al blu, più energetico. Però, le onde elettromagnetiche possono avere anche frequenze molto più alte o più basse. Le onde radio, quelle su cui viene trasmessa appunto la radio, sono molto basse, le microonde sono una fascia di frequenze più alta, l’infrarosso è poco meno energetico della luce visibile, quella ultravioletta leggermente di più e i raggi X sono ad alta frequenza, seguiti poi dai raggi gamma. Le microonde scaldano i cibi perché sono la frequenza giusta per essere assorbite dall’acqua, mentre i raggi X penetrano nel nostro corpo proprio grazie alla loro alta energia. In questo modo vengono però assorbiti da tessuti più densi come quelli ossei e formano le tipiche radiografie utilizzate dai medici.

Il laser è una tecnologia importantissima e le sue applicazioni vanno dalla medicina ai lettori cd, i tagli industriali e la ricerca di base sulla meccanica quantistica. Per usare un’analogia, la luce della lampadina è caotica come le onde del mare, mentre quella del laser è come le onde prodotte da un sassolino che cade in uno stagno. In termini fisici si dice “coerente” e approssimativamente monocromatica, ovvero composta all’incirca da una sola frequenza. Questa proprietà le permette sia di essere concentrata in un unico punto che collimata in una sola direzione, ottenendo così livelli di precisione e potenza altrimenti inarrivabili.  

Articolo legato all’almanacco del giorno di venerdì 16 maggio 2025 (Rete Uno ore 5h45).