Scienza leggera: la fantastica storia dell’invenzione del LASER

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Un uomo su una spiaggia deserta, in piedi, in silenzio a guardare l’oceano. Solo le onde. Sussurrando sulla riva del mare di Malibu, California. E’ il momento della verità. Tra poco, saprà se è il vincitore della grande gara. E’ il 16 maggio 1960.

No, non stiamo parlando di un “beach boy” in attesa di una competizione di surf. Quell’uomo è Ted Maiman, colui che, quel giorno, realizzò il primo laser della storia.

La storia dell’invenzione del laser coinvolge molte altre persone: il proprietario di un negozio di caramelle, un fotografo e almeno altri tre scienziati che condividono l’onore di essere gli inventori di questo apparato che ha rivoluzionato le nostre esistenze. Tutto comincia con Einstein, che per primo descrive nel 1916 il principio-base del laser: l’emissione stimolata. Gli atomi sono di solito nel loro stato di energia fondamentale, ma se assorbono una certa quantità di energia, possono saltare ad uno più alto: uno stato eccitato. E’ una situazione instabile e quindi ritornano allo stato fondamentale, emettendo spontaneamente un fotone (una “particella di luce”). Ma se un atomo viene colpito da un fotone quando è eccitato, ciò lo stimola a “diseccitarsi” con conseguente emissione di due fotoni identici.

Considerando che normalmente la maggior parte degli atomi di un dato sistema non sono in uno stato eccitato, l’emissione stimolata non è, in generale, particolarmente importante. Tuttavia, se si riesce ad eccitare la maggior parte degli atomi (un’inversione di popolazione), un fotone avrà più possibilità di colpire un atomo eccitato, che emetterà due fotoni, che probabilmente colpiranno un altro atomo eccitato e così via: si ha una amplificazione di luce (fotoni) causata da emissione stimolata: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)….

Charles Townes (Greenville, USA, 28 luglio 1915 – Berkley, 27 gennaio 2015)

Per qualche tempo, la comunità scientifica rimane quasi del tutto indifferente al concetto di emissione stimolata. Solo 35 anni dopo l’osservazione di Einstein, un fisico di nome Charles H. Townes, professore di 36 anni alla Columbia University di New York, se ne ricorda. E nel 1954, costruisce un dispositivo per amplificare microonde usando emissione stimolata: un maser (amplificazione di microonde mediante emissione stimolata di radiazione). Come indica il nome, il maser è il precursore del laser in quanto entrambi sono basati sull’emissione stimolata. La principale differenza è il tipo di radiazione amplificata. La luce visibile, le microonde, i raggi X, quelli ultravioletti sono tutte radiazioni che si differenziano solo per la loro lunghezza d’onda (a sua volta legata alla loro energia). Un maser amplifica e produce una radiazione a bassa energia, mentre un laser genera un fascio di energia più elevata, che può corrispondere a luce visibile.

A quel punto tutti i fisici dell’epoca si gettano nella corsa per costruire il laser (che ancora non si chiama così). Dato che Townes ha già costruito il maser, il passo successivo sembra facile, ma non è così: ci sono mille problemi tecnici da risolvere. Townes però non può chiedere migliori condizioni per la costruzione di quello che chiama un “maser ottico” (ottico si riferisce alla luce visibile) per sottolineare che si tratta “semplicemente” di una estensione del “suo” maser. Alla Columbia è circondato da numerosi Premi Nobel e nel 1957 inizia a lavorare come consulente presso la ricca compagnia telefonica Bell con suo cognato, Art Schawlow.

Gordon Gould

Gordon Gould (New York, 17 luglio 1920 – New York, 16 settembre 2005)

Ma la storia è molto più complicata. Il 25 ottobre 1957, uno studente va a parlare con Townes per discutere del “maser ottico”: il suo nome è Gordon Gould. I due non potrebbero essere più diversi: Townes è una persona metodica e “convenzionale”, mentre Gould ha 37 anni e non s’è ancora laureato; ama la fisica, ma anche ciò che esiste al di fuori della vita universitaria: è uno spirito libero e indipendente. Ma è anche uno scienziato di talento e comincia a lavorare giorno e notte attorno all’idea del maser ottico. Tre settimane dopo, Gould ha in mano l’idea del laser, compresa la brillante intuizione di usare due specchi per far sì che la emissione stimolata rimbalzi avanti e indietro tra di loro, così da aumentare l’intensità della radiazione ed ottenere un fascio molto intenso, che alla fine emerge da uno dei due specchi in parte trasparente.

Le parole sono importanti, anche nella scienza: Gould considera la sua invenzione qualcosa di diverso dal maser di Townes e decide di dargli un nuovo nome: LASER… Un acronimo “figo”e azzeccatissimo : probabilmente il termine scientifico più famoso di tutti i tempi.

Il foglio con gli appunti di Gould

A differenza di Townes, Gould è un inventore intuitivo, non un ricercatore analitico e subito comprende le potenzialità concrete del laser. Il 13 novembre 1957, irrompe in un negozio di caramelle del Bronx e fa firmare il suo block notes con le idee del suo laser al proprietario, che è un notaio. Gould vuole subito brevettare la sua creazione ed ha bisogno di una prova che dimostri che egli sia l’inventore. Il problema è che, quando consulta un avvocato, capisce, erroneamente, che deve costruire un laser prima di poter chiedere il brevetto…

Nel frattempo, anche Townes e Schawlow stavano facendo progressi e sviluppano fondamentalmente le stesse idee che, da bravi ricercatori universitari, pubblicano sulla rivista “Physical Review Letters” nel 1958. E’ appena cominciata una guerra di 30 anni tra loro e Gould per stabilire chi per primo concepì l’idea del laser e che alla fine si concluderà con una serie di compromessi che renderà tutti felici…e ricchi…

La teoria è fatta, ma un laser che funzioni è ancora nel mondo delle idee. Gould ha bisogno di denaro per costruire il suo laser e quindi bussa alle porte di chi di denaro è pieno: mentre lavora per una compagnia chiamata TRG, propone il progetto al Pentagono. Gould è un bravissimo venditore e impressiona i militari, che vedono nel laser il “raggio della morte” in grado di uccidere milioni di russi, e che gli concedono valanghe di soldi. Ma c’è un problema: anche se Gould, come un perfetto capitalista, vuole diventare ricco e potente, è anche un “alternativoide” che, in gioventù, ha fatto parte di circoli comunisti e il Pentagono non può consentire che una potenziale spia sovietica lavori su un progetto militare top-secret, anche se lui ne è l’autore: il mondo militare e la logica sono quasi sempre in contrapposizione. Gould non è quindi né autorizzato a conoscere i risultati degli esperimenti che lui stesso propone né gli viene dato il nulla osta per entrare fisicamente nell’edificio in cui essi vengono eseguiti, nemmeno per andare al bagno!

Nel 1959 si svolge un importante convegno nei pressi di New York e lo sviluppo del laser è uno degli argomenti principali. La scienza è fondata sulla condivisione di dati e risultati, ma in quell’occasione nessuno è disposto a rivelare troppi dettagli per non dare alcun vantaggio ai rivali nella corsa al laser. Uno dei problemi è quale materiale utilizzare per ottenere emissione stimolata. Alcuni propongono il potassio, altri una miscela di elio e neon o forse cesio. Il rubino (un minerale) sembra promettente, ma nel suo discorso Schawlow risolutamente afferma che non avrebbe mai funzionato. Tra gli ascoltatori c’è uno sconosciuto scienziato californiano: Ted Maiman…

Maiman è una persona indipendente, competitiva e ostinata e non è affatto convinto delle conclusioni di Schawlow. Tornato in California, esegue alcuni esperimenti sul rubino e si convince che può funzionare. Maiman non ha le risorse di cui dispongono Gould e i laboratori Bell, ma è una persona pratica con un background d’ingegneria: sa come far funzionare le cose e sa come renderle semplici.

Una delle questioni che Maiman deve affrontare è come ottenere la grande quantità di energia necessaria per eccitare gli atomi nella cavità del laser per ottenere l’inversione di popolazione. Maiman è alla ricerca di un laser che funzioni, non è interessato a realizzare un esperimento da libro di testo e quindi cerca strumenti facili da trovare che possano fare al caso suo. Un fotografo dilettante che lavora con lui gli dà l’idea di cui ha bisogno: basta usare una lampada flash!

Mentre Gould litiga con il Pentagono per ottenere il permesso di lavorare al suo progetto e il gruppo di Townes punta tutto su un sofisticato laser di elio e neon, nessuno s’immagina che il rubino e una lampada flash stanno portando un “outsider” di Malibu vicino al traguardo.

Teodor Maiman

Theodore Maiman (Los Angeles, 11 luglio 1927 – Vancouver, 9 maggio 2007)

Dopo alcuni mesi di esperimenti, Maiman è pronto a provare la sua creazione straordinariamente semplice: una piccola bacchetta di rubino ricoperta da uno strato di argento riflettente, inserita in una lampada flash a spirale. Il flash eccita gli atomi dentro al rubino, provocando l’emissione stimolata di luce che, dopo aver rimbalzato avanti e indietro nella cavità, esce dal laser come un fascio intenso concentrato. Semplice e perfetto. Il 16 maggio 1960, nel suo laboratorio di fronte all’oceano, dopo quella breve passeggiata sulla spiaggia, spinge un bottone, la lampada s’accende e un intenso bagliore di luce rossa illumina la stanza: il laser è nato!

Nessuno conosce Maiman e deve trascorrere un bel po’ di tempo perché la maggior parte dei fisici accetti che è lui il vincitore. Il fatto di non appartenere all’establishment scientifico costerà a lui (e a Gould) il premio Nobel che sarà invece assegnato a Townes (nel 1964). La verità è che quel giorno il laser entra nelle nostre vite diventandone presto uno strumento indispensabile, nonché un emblema della scienza e….della fantascienza… Le caratteristiche principali del laser sono produrre un fascio di luce ad una determinata lunghezza d’onda, coerente (questo è un concetto che interessa i fisici), molto intenso e collimato. Grazie a tutto ciò il laser ha innumerevoli applicazioni, dalla medicina, alla depilazione, dalle stampanti ai più avanzati laboratori di fotonica, ecc. ecc.. Molte di esse non erano neanche immaginabili cinquanta anni fa (e poi c’è chi dice che la ricerca scienfitica non serve a niente…), tanto che in molti si riferivano al laser come a “una soluzione in cerca di un problema”. Questo è il fascino della ricerca scientifica: esplorare nuovi mondi senza sapere sempre cosa puoi trovare e senza sapere sempre a cosa servirà quello che hai trovato. Non è questo parte di ciò che ci rende umani?

Per saperne di più sul LASER, la sua storia, le applicazioni e le celebrazioni per i 50 anni della sua invenzione, visitate il sito del LaserFest!

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2 commentiCosa ne è stato scritto

  1. Galateo

    Grazie a tutti questi scienzatoni. Senza di loro, Star Wars non sarebbe stato quello che è stato.

    Rispondi

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