IYL 2015: Anno internazionale della Luce
Nuove prospettive nella conoscenza dei fenomeni luminosi sono state aperte in anni recenti dai progressi tecnologici che hanno consentito di utilizzare laser ultraveloci (capaci di generare impulsi della durata di qualche decina di femtosecondi, cioè milionesimi di miliardesimi di secondo) come quello realizzato nel 2014 (l’articolo è stato pubblicato il 30 maggio sulla rivista Science) presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. L’esperimento ha consentito a un gruppo di ricercatori del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) di studiare la conversione della luce solare in corrente elettrica all’interno di una cella solare organica, un dispositivo più economico ed efficiente degli attuali pannelli solari al silicio.
Già nel settembre del 2010, utilizzando un laser dello stesso tipo e sofisticate simulazioni al computer, ricercatori dell’Università di Bologna, in collaborazione anche con colleghi di Berkeley (USA), di Oxford (UK) e di Mülheim (Germania), erano riusciti a indagare i dettagli del primo momento della percezione visiva, ricostruendo le modificazioni della rodopsina, una molecola presente nei recettori della retina, in grado di assorbire l’energia di un singolo fotone e di avviare il processo chimico che la trasforma in impulso nervoso.
I grandi progressi registrati in questi ultimi anni dalla fotonica — lo studio della propagazione dei singoli fotoni che compongono un raggio di luce — hanno indotto l’Assemblea Generale delle Nazioni Unite a proclamare il 2015 Anno internazionale della Luce e delle tecnologie basate sulla Luce (IYL 2015).
I grandi progressi registrati in questi ultimi anni dalla fotonica — lo studio della propagazione dei singoli fotoni che compongono un raggio di luce — hanno indotto l’Assemblea Generale delle Nazioni Unite a proclamare il 2015 Anno internazionale della Luce e delle tecnologie basate sulla Luce (IYL 2015). Breve storia della luce
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La curiosità dell’uomo verso la natura della luce e i tentativi di comprendere la dinamica della visione risalgono all’antichità. Sviluppandosi nel corso della Storia hanno portato a scoperte talvolta imprevedibili e sconcertanti.
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di Edoardo B. Drummond
Da sempre, la luce e la visione sono state per gli esseri umani non solo strumenti essenziali per la conoscenza del mondo, ma anche fenomeni affascinanti da studiare e da comprendere in sé. La centralità della luce nella vita umana è del resto evidenziata, nel linguaggio comune, da espressioni quali: venire alla luce, fare luce su un argomento, essere un luminare in questa o in quella disciplina, perdere o riacquistare il lume della ragione; per non parlare dell’Illuminismo, il cosiddetto "secolo dei lumi".
Stando all’incipit della Genesi, la luce sarebbe stata creata subito dopo il cielo e la terra; la separazione tra luce e tenebra avrebbe poi dato luogo al giorno e alla notte, e così all’inizio del tempo. Ma luce e conoscenza hanno un carattere ambivalente, testimoniato dal fatto che l’antagonista del dio unico, presunto tentatore di Eva, viene nominato Lucifero, ovvero portatore di luce. Nel mondo pagano, Lucifero era l’epiteto di diverse divinità legate al pianeta Venere, detta stella del mattino. In una Sura del Corano (24:35), Allah viene indicato come luce dei cieli e della terra. Egli guida verso la propria luce chi vuole, e parla agli uomini usando parabole, poiché conosce ogni cosa.
La luce è quindi comunemente associata al giorno, alla veglia e al pensiero verbale, alla conoscenza — non ultima quella scientifica — mentre il buio sarebbe associato alla notte, al sonno, al pensiero senza coscienza, non verbale; questa concezione semplicistica, che si può far risalire al logos greco, non considera però che il neonato, venuto alla luce, trascorre un anno e più nel rapporto con la madre prima di potersi esprimere verbalmente, periodo durante il quale il suo pensiero non potrà consistere che in affetti e immagini (come avviene nei sogni), immagini il cui rapporto con la visione e con la luce è evidente.
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Spettro elettromagnetico
La luce visibile dall’occhio umano è solo una piccola porzione dello spettro elettromagnetico, quella di lunghezza d’onda compresa tra i 400 e i 700 nanometri, ovvero milionesimi di millimetro. La lunghezza d’onda determina le dimensioni degli oggetti con i quali il fotone può interagire, da un’antenna ricetrasmittente (per le onde radio) alle particelle subatomiche (per i raggi gamma).
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Ma cos’è esattamente la luce da un punto di vista fisico? Quel che comunemente si intende è la luce visibile all’occhio umano, anche se oggi noi sappiamo che esistono molte altre varietà (ovvero frequenze diverse) di questa stessa radiazione che non sono direttamente percepibili all’occhio, ma che possono essere rilevate mediante opportuni strumenti; diverse specie animali (come gli insetti) sono in grado di vedere frequenze differenti dalle nostre ma abbastanza simili (raggi infrarossi o ultravioletti) e persino tra gli esseri umani esistono minime variazioni. Inoltre, allo stesso tipo di radiazioni appartengono sia le onde radio (caratterizzate da bassa frequenza e da grande lunghezza d’onda), sia — all’altra estremità dello spettro — i raggi x e i raggi gamma (massima frequenza e minima lunghezza d’onda).
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L’occhio umano e la funzione visiva
L’inversione dell’immagine all’interno dell’occhio indusse erroneamente Alhazen — medico, filosofo, matematico, fisico e astronomo persiano vissuto a cavallo dell’anno 1000 — a cercare il sensorio non sulla retina ma sul cristallino.
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I primi studi sui fenomeni ottici e sulla percezione visiva che ci sono pervenuti risalgono a Pitagora (VI secolo a.e.v., Ante Era Vulgaris), poi a Democrito e infine a Euclide (300 a.e.v.), che sistematizzò le conoscenze dell’epoca (oggi note come ottica geometrica) in un trattato. L’ottica geometrica venne ulteriormente perfezionata da Claudio Tolomeo (II sec.) e nel mondo islamico da Ibn Sahl e da Alhazen (X-XI sec.), le cui teorie vennero poi portate nell’occidente cristiano dal monaco polacco Vitellione (XIII sec.), e utilizzate dall’abate Francesco Maurolico (XVI sec.) per spiegare come potessero formarsi le immagini sulla retina tramite la messa a fuoco del cristallino. Nel 1604 Keplero (Johannes von Kepler) riprende il lavoro dell’abate, e lo completa nel 1610 con lo studio delle lenti. Siamo ormai in piena rivoluzione scientifica, con l’uso del cannocchiale, le ben note disavventure di Galileo con l’Inquisizione, i contributi di altri studiosi come Snell (leggi della rifrazione) e il gesuita Grimaldi (che osservò il fenomeno della diffrazione), la disputa tra teoria ondulatoria (Huygens, 1690) e quella corpuscolare (Newton, 1704) della propagazione della luce.
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Diffrazione di un raggio monocromatico
Il fenomeno della diffrazione — evidenziato nel De Lumine (1665) del gesuita Francesco Maria Grimaldi — dimostra la propagazione ondulatoria della luce.
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Nel frattempo, del tutto indipendentemente, si studiavano altri fenomeni di grande interesse quali l’elettricità e il magnetismo (Biot, Savart e Ampère in Francia, Faraday in Inghilterra), finché nel 1873 lo scozzese James Clerk Maxwell dimostrò per via teorica non solo lo stretto legame tra le forze elettriche e quelle magnetiche, ma anche la natura elettromagnetica della luce, confermata poi dall’osservazione sperimentale di onde elettromagnetiche diverse dalla luce visibile (Hertz, 1887), onde che vennero appunto denominate hertziane.
Nel 1900 Planck dimostra che la radiazione elettromagnetica deve essere emessa ed assorbita dalla materia in quantità finite dette quanti, e cinque anni più tardi Einstein, studiando l’effetto fotoelettrico (l’emissione di elettroni da parte di un metallo colpito dalla luce, ovvero trasformazione di luce in corrente elettrica), evidenzia che i quanti di luce hanno un’esistenza fisica ben concreta (nel 1926 verranno poi denominati fotoni); contemporaneamente, con la teoria della relatività (1905), lo stesso Einstein smentiva l’ipotesi dell’esistenza dell’etere, ritenuto fino allora necessario alla propagazione delle onde elettromagnetiche. Negli anni immediatamente successivi, i quanti, le proprietà corpuscolari e ondulatorie della radiazione verranno fusi insieme ed estesi alle altre particelle dallo sviluppo della teoria quantistica, permettendo di comprendere la struttura interna degli atomi che costituiscono la materia e le loro interazioni, la trasmutazione tra elementi (radioattività), fino a suggerire audaci teorie sull’evoluzione delle stelle e dell’universo intero.
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Big Bang e radiazione cosmica di fondo
La sonda spaziale WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), progettata per misurare l’anisotropia della radiazione cosmica di fondo — la traccia residua del Big Bang — è stata lanciata nel 2001, e ha concluso con successo la sua missione nel 2010, permettendo l’accurata misurazione di alcuni parametri cosmologici relativi all’evoluzione dell’universo.
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Le attuali conoscenze sul mondo fisico ci consentono di affermare che la luce dovette avere un ruolo importante fin dai primi istanti di esistenza dell’universo. Secondo l’ormai famosa teoria cosmologica nota come Big Bang, nelle primissime frazioni di secondo (dell’ordine di 10e-11 secondi, centesimi di miliardesimo di secondo) l’universo era caldissimo e concentratissimo, costituito da un plasma di particelle e antiparticelle che collidevano a velocità prossime a quelle della luce; coppie di particelle e antiparticelle si formavano continuamente e continuamente si annichilavano producendo fotoni di altissima energia che di nuovo generavano altre coppie. L’universo però si espandeva rapidamente ed espandendosi si raffreddava, così dopo circa un milionesimo di secondo cominciarono a formarsi i primi protoni e neutroni stabili (le particelle che oggi compongono i nuclei atomici, ovvero la maggior parte della materia conosciuta), e circa un secondo dopo lo stesso avvenne per gli elettroni (le particelle più leggere che degli atomi costituiscono la parte esterna). Ci vollero poi 379.000 anni perché cominciassero a formarsi i primi atomi (quelli più leggeri, principalmente idrogeno), ed è a quest’epoca che risale la radiazione cosmica di fondo che ancora ci giunge dalle profondità dello spazio siderale, dopo aver viaggiato per più di 13 miliardi di anni. Nel frattempo la materia così formata si addensò e aggregò per l’attrazione gravitazionale, formò ammassi, galassie, stelle e pianeti che ebbero ciascuno la propria evoluzione. All’interno delle stelle, enormi fornaci nucleari, ancora si fondono atomi più semplici (idrogeno ed elio) in atomi più complessi e pesanti, liberando nello spazio quantità immense di energia, una parte della quale giunge a noi, sulla superficie terrestre, soprattutto sotto forma di radiazione luminosa.
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Un esperimento sul Teletrasporto quantistico
Il teletrasporto quantistico — il trasferimento a distanza, istantaneo e senza trasmissione materiale, dello stato quantistico da un sistema atomico o molecolare a un altro, sfruttando il cosiddetto entanglement quantistico — già allo studio dal 1998, è stato realizzato nel 2009 da ricercatori negli USA e perfezionato di recente alla TU Delft (Delft University of Technology), in Olanda.
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Ed è così che la luce non è fondamentale solo per comprendere la struttura e il comportamento della materia, fino a ricostruire l’evoluzione dell’universo, essa è essenziale anche perché possa svilupparsi la vita. La luce emessa dal sole è la prima fonte energetica dalla quale trae origine la catena alimentare: a partire dalla sintesi clorofilliana che nelle piante converte la luce in energia chimica, vengono infatti sintetizzate sostanze sempre più complesse (amidi, aminoacidi, grassi, proteine, enzimi ecc.), i mattoni che costituiscono tutti gli esseri viventi. Persino i carburanti fossili, l’energia idroelettrica e quella eolica provengono in definitiva dalla luce solare che raggiunge, o ha raggiunto in passato, la superficie del nostro pianeta.
NOTA: preferiamo la notazione a.e.v. (Ante Era Vulgaris), e la sua corrispettiva e.v. (Era Vulgaris, locuzione introdotta nel 1615 da Keplero), a quelle (a.C./d.C.) basate sulla cronologia cristiana, perché pur essendo numericamente equivalenti evitano di fare esplicito riferimento a una data di nascita non significativa in altre culture, e oltretutto notoriamente infondata dal punto di vista storico.
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ANNOTAZIONI E SPUNTI
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Il testo sopra riportato, dopo una prima stesura risalente al luglio 2014, e un successivo aggiornamento (con l’aggiunta del preambolo iniziale relativo all’iniziativa dell’UNESCO “IYL-2015 Anno Internazionale della Luce”) nel gennaio 2015, è stato infine reso disponibile su internet nel luglio 2015 nelle pagine del blog “Letture di Rocco Solina” (qui).
Di E.B. Drummond, il magazine “Babylon Post” ha pubblicato tra il 2014 e il 2016 i seguenti articoli:
• Il vuoto, il nulla teorico e poi quel silenzio della nascita umana (6/11/2014)
• Uguale e diverso: dai calcoli degli antichi alla scienza della realtà umana (5/1/2015)
• IYL2015: Anno della fotonica, della luce divina o di un'identità nuova a Sinistra? (11/2/2015)
• Libertà, indeterminismo, pulsione (19/5/2015)
• Il ritorno del Nulla (12/10/2015)
• La potenza delle parole, dal peccato originale alla fantasia di sparizione (4/6/2016)
• E = mc². Massa, energia e… velocità della luce al quadrato (27/11/2016)
Della fine del 2018 è invece, dello stesso autore, l’articolo:
• Quella linea impercettibile sospesa tra il nulla e l’infinito (dicembre 2018)
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[] http://letturediroccosolina.blogspot.it/p/una-breve-storia-della-luce.html
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