Sempre accanto a voi, illuminandovi…

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Io ero lì. Mi portò con lui, quel giorno di 15.000 anni fa quando entrò in quella grotta oscura. Senza di me non avrebbe mai potuto farlo, non avrebbe mai avuto il coraggio. Mi teneva per mano, entrammo, mi mise per terra e…cominciò a dipingere!

Non mi riconoscete? Ci conosciamo da sempre, dall’inizio di tutto. Anche se vi ci è voluto molto tempo e lavoro per capire chi sono. Quando siete riusciti a controllarmi, la vostra storia è mutata radicalmente: sono cambiate le vostre abitudini, avete conquistato luoghi apparentemente inaccessibili e oggi potete vedere l’invisibile, giocare, comunicare, curare malattie in modi che mai avrebbero potuto immaginare e finanche catturare oggetti microscopici.

I primi a farsi domande su di me sono i Greci. Pensatori come Pitagora, Tolomeo e Euclide credono che gli occhi emettano raggi che sondano l’ambiente circostante, colpiscono le cose e tornano con le loro immagini. Questo è il meccanismo della visione, secondo loro. Altri come Epicuro, Democrito e Leucippo sono invece conviti che siano gli oggetti a inviare qualcosa, corpuscoli, verso gli occhi, penetrando nell’anima.

Anche Platone parla molto di me: crede che l’anima produca nell’occhio un “fuoco” che può mescolarsi come per trasferire all’occhio l’informazione riguardo agli oggetti e permettere di vederli. Per questo, quando io non ci sono, la visione è impossibile: il solo “fuoco” emesso dall’occhio non è sufficiente, ha bisogno della mia presenza. E quando gli occhi si chiudono, questo fuoco si trasforma in sogni…

Gli specchi ustori usati da Archimede durante l'assedio di Siracusa in un dipinto di Giulio Parigi del 1600

Gli specchi ustori usati da Archimede durante l’assedio di Siracusa in un dipinto di Giulio Parigi del 1600

Secondo una leggenda, in quell’epoca, c’è anche chi mi usa in una guerra. E’ un signore che si chiama Archimede, un greco che vive a Siracusa, intorno al 200 a.C.. Si tratta di una persona assai brillante, oggi si direbbe uno scientifico di successo. E pare che, dopo avermi fatto rimbalzare su vari specchi, mi dirige contro alcune navi Romane che stavano provando a conquistare la città. E io…beh, cosa posso fare? Le brucio…e salvo Siracusa e i siracusani.

Né Archimede, né i Romani possono immaginare che questa capacità di riflettermi sarebbe stata impiegata duemila anni più tardi per qualcosa di molto più bello: comunicare e trasferire informazione da un lato del mondo all’altro e generare energia.

Nel secolo II d.C., Galeno, un medico nato a Pergamo (nell’attuale Turchia) durante la epoca romana è il primo che prova sul serio a comprendere come è fatto un occhio e in quale modo interagisce con me. Le sue teorie sono simili a quelle di Platone, ma si basano in uno sforzo di adattarle all’anatomia dell’occhio (anche se studia solamente cani e scimmie giacché la dissezione di cadaveri umani fu proibita fino al Rinascimento). Secondo Galeno, è il cristallino che interagisce con me e in seguito invia l’immagine delle cose al cervello. In realtà, è principalmente la retina ad essere sensibile a me, pero Galeno ci arriva abbastanza vicino…

Quando cade l’Impero Romano e comincia il Medio Evo, la cultura si mantiene vive tra le mura dei monasteri cristiani (dove però molti libri sono vietati perché non piacciono alla Chiesa del tempo) e nel mondo islamico. Gli studiosi islamici traducono libri dal greco all’arabo e in molti continuano ad interessarsi a me. In particolare uno scienziato originario dell’attuale Irak, chiamato Alhazen, capisce qualcosa di molto importante: io sono una qualche entità esterna al corpo, qualcosa di distinto dal processo della visione, esisto da sola, senza bisogno di considerare l’occhio, l’anima e i raggi che escono dal corpo.

Nel 1015 (esattamente 100 anni fa), Alhazen pubblica un libro importantissimo che parla di me o meglio, parla di ottica (“Kitāb al-Manāzir“, “Il Libro dell’Ottica”) della quale è considerato il fondatore. Questa è una delle ragioni per cui il 2015 è l’anno internazionale a me dedicato…sono molto orgogliosa di questa ricorrenza. Alhacen studia come mi comporto quando passo da un mezzo all’altro, per esempio dall’aria all’acqua, ossia il fenomeno della rifrazione, e studia anche la riflessione.

alhazen

Alhazen (Bassora, 965 circa – Il Cairo, 1039)

Tutti questi fenomeni di cui ci si occupa in quell’epoca sono certamente molto importanti, anche se sono solamente alcune delle cose che posso fare. Pero non anticipiamo i tempi! Mancano ancora molti anni prima che riusciate a farmi fare altre meraviglie.

Il libro di Alhazen viene tradotto al latino e diviene il testo di riferimento nell’Europa occidentale per lo studio dei meccanismi della visione e dell’ottica per vari secoli. Nel Medioevo, con una teoria assai simile all’attuale il francescano Roger Bacon (1214-1294) riesce a intendere la mia relazione con l’arcobaleno. Gli studiosi si concentrano sempre più su di me in quanto entità fisica e meno nel processo sensoriale e psichico della visione. Bacon intuisce anche che la mia velocità è finita e quindi non mi muovo istantaneamente da un posto all’altro. Tuttavia, solo dopo 400 anni e molte discussioni alle quali partecipano Keplero, Galileo e Cartesio, un astronomo danese Ole Rømer, nel 1675, osservando le lune di Giove, dimostra che la mia velocità non è infinita, stimandola in 200.000 km/sec..

All’inizio del XVIIesimo secolo, già sapete molto cose di me: mi muovo in linea retta, sono “qualcosa” di esterno al corpo umano, ho una velocità finita, mi rifrango, rifletto e sono assorbita a seconda della superficie sulla quale incido. Però…cosa sono esattamente? Qual è la mia natura? Le risposte a queste domande occupano il dibattito scientifico durante i tre secoli seguenti. E la risposta finale sarà la più inattesa e la più difficile da assimilare per le vostre menti che hanno sempre bisogno di classificare ogni cosa in maniera definita: bianco o nero, bello o brutto, buono o cattivo.

La diffrazione

La diffrazione

Nel 1665, in un saggio scritto dal gesuita bolognese Grimaldi si descrive per la prima volta cosa mi accade quando incontro un ostacolo o un’apertura molto piccola: cambio direzione ossia smetto di muovermi in linea retta. Questo fenomeno, chiamato diffrazione, obbliga Grimaldi a concepire l’idea che, “almeno in alcuni casi” io mi propaghi non in linea retta, bensì come un’onda che è capace di aggirare gli ostacoli. Quindi, la domanda cruciale è se sono “moto o materia”, ossia se sono un’onda che si muove così come fanno le onde di uno stagno quando vi tiriamo un sasso o se sono invece formata da corpuscoli, che interagiscono con il resto del mondo più o meno come palline. Entrambe le ipotesi possono interpretare alcuni miei fenomeni, ma nessuna delle due può spiegarli tutti. Se sono un’onda, non si spiegano le ombre, giacché le onde sono capaci di schivare gli ostacoli; se sono una particella, non si spiega perché due raggi luminosi possono intersecarsi senza disturbarsi.

La teoria ondulatoria viene sviluppate dall’olandese Huygens (1629-1695) che riprese alcune idee dell’inglese Hooke, mentre quella corpuscolare dall’inglese Newton (1642-1727). Anche se non chiuse completamente la porta di fronte alla possibilità che io mi comporti, a volte, come un’onda, secondo Newton io sono materia (particelle) che trasporta energia luminosa. Al contrario Huygens crede che io sia energia che si muove (onda) ed ho bisogno di un mezzo che oscilla per poterlo fare, così come le onde del suono hanno bisogno dell’aria o quelle nello stagno dell’acqua. Cos’è questo misterioso materiale? Secondo Huygens si tratta dall’aristotelico etere, una sostanza sottile e senza peso che permea tutto lo spazio e sarebbe composta da piccole sfere elastiche che, scontrandosi una con l’altra, producono un impulso ondulatorio.

Il modello dell’olandese ha diverse contraddizioni e punti deboli a cominciare dalla presenza dell’etere che oggi sappiamo non esistere. Per questo e anche per il grande prestigio di Newton, la teoria corpuscolare è la vincente nel secolo XVIII. Le particelle di Newton rimbalzano quando colpiscono qualcosa o sono assorbite quando questo qualcosa è poroso e le lascia passare. In questo secondo caso, vengono accelerate dall’attrazione gravitazionale generata dalle particelle del corpo in cui penetrano e, se questo corpo è molto denso, cambiano direzione (rifrazione).

L’ampiezza di questa deviazione dipende dalla massa delle particelle delle quali io sarei composta: le più pesanti vengono deviate meno, le più leggere di più. Questa idea è connessa a una grande novità riguardo alla mia natura che scopre Newton. Facendomi passare attraverso un prisma, lo scienziato inglese riesce a decompormi (disperdermi) in diversi colori. Ciò significa che esiste una prova sperimentale del fatto che non sono un’entità omogenea, bensì formata da colori che sono entità fisiche e non fenomeni soggettivi. Newton chiama la serie di colori che escono dal prisma “spettro”, una parola che viene dal latino e che significa “visione”, “immagine”, ma anche “fantasma”, a dimostrazione del mistero e della sorpresa prodotti da questo fenomeno.

The-dark-side-of-the-moonSecondo Newton, quando sono bianca, sono formata da moltissime particelle di massa diversa: quelle corrispondenti al colore rosso sono le più pesanti e per questo quelle meno deviate dal prisma; quelle del viola sono le più leggere e le più deviate. L’esperimento, la cui rappresentazione appare nella copertina di un famoso disco dei Pink Floyd del 1973 (ne vado molto orgogliosa!) è assai importante, anche se oggi accettiamo il fatto che ogni colore è associato ad una lunghezza d’onda (corrispondente ad una determinata energia) e dunque il prisma seleziona le lunghezze d’onda e non le particelle.

Se il secolo XVII era stato il secolo delle particelle, il XIX è quello delle onde. Nel 1801, l’inglese Thomas Young (1773-1829) realizza un esperimento nel quale mi fa passare per due fenditure. Quando esco, a causa della diffrazione, ossia la deviazione che sperimento quando passo per due buchi molto piccoli, produco un fenomeno chiamato interferenza, tipico delle onde. In sostanza, le onde che escono dalle fenditure possono incontrarsi e, proprio come accade alle onde d’acqua, sommarsi e amplificarsi oppure cancellarsi. Si tratta di una netta prova a favore della teoria ondulatoria che si scontra con quella corpuscolare di Newton. Nel 1803, Young ripete l’esperimento nella Royal Society (l’Accademia delle Scienze inglese) della quale era stato presidente lo stesso Newton. Pochi anni più tardi, esattamente 200 anni fa, nel 1815, il fisico francese Augustin-Jean Fresnel pubblica alcuni studi che confermano i risultati di Young.

Nel 1864, la ipotesi ondulatoria acquista ancora più forza quando lo scozzese James Maxwell (1831-1879) ottiene alcune equazioni che indicano che il campo elettromagnetico si propaga nello spazio sotto forma di onde. Maxwell calcola la velocità di queste onde e trova che il valore è molto simile a quello della mia velocità: questo lo conduce a concludere che anche io debbo essere un’onda elettromagnetica. Bisogna ammettere che – a volte – siete davvero brillanti: utilizzando un insieme di simboli e codici apparentemente astratti che chiamate “matematica” siete capaci di comprendere fenomeni naturali assai concreti come per esempio…io.

Nel 1885, il tedesco Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) dimostra sperimentalmente l’esistenza delle onde elettromagnetiche che Maxwell aveva dedotto teoricamente. Il secolo delle onde termina con la impressione che non sono si è compreso tutto di me, ma anche della maggior parte dei fenomeni naturali. La intuizione di un fisico tedesco nell’autunno del 1900 avrebbe smentito tutto ciò in maniera clamorosa.

Però, prima di proseguire, bisogna menzionare che, alcuni anni prima, nel 1814, un altro tedesco Joseph von Fraunhofer (1787-1826) osserva qualcosa di assai particolare che ha a che fare con l’uso che fate di me e con quel giorno di 15.000 anni fa di cui si raccontava all’inizio. Fraunhofer nota che, quando il Sole mi emette, non tutte le lunghezze d’onda arrivano alla Terra: nello spettro di emissione del Sole (intensità di emissione in funzione di tutte le lunghezze d’onda) ci sono delle linee nere che indicano che, a quelle lunghezze d’onda particolare, qualcosa mi assorbe. Alcuni anni dopo, si comprende che ogni elemento chimico mi assorbe e mi emette solamente ad alcune lunghezze d’onda che possono dunque essere considerate come le impronte digitali dell’elemento stesso. Questa osservazione permette di stabilire che le linee nere dello spettro d’emissione solare si devono ad alcuni elementi che mi assorbono mentre viaggio dal Sole alla Terra.

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Le linee di Fraunhofer dello spettro solare

Nel 1885, un professore di liceo svizzero Johann Jakob Balmer (1825-1898) ottiene una formula che descrive esattamente le lunghezze d’onda (ossia i colori, ossia le energie) che l’atomo d’idrogeno emette quando assorbe energia. La formula indica che esiste una regolarità negli spettri d’emissione di linee degli atomi: i valori di energia ai quali gli atomi emettono sono multipli interi di una certa quantità. In altre parole, si comincia a capire che esiste una forte relazione tra me e gli atomi e, quando gli si somministra energia, per esempio in forma di calore, questi ultimi possono generarmi e, in alcuni casi, questo accade solamente per determinati valori di energia.

Il primo passo decisivo per comprendere come interagisco con gli atomi e quindi come vengo generata viene compiuto a Berlino, una domenica di ottobre del 1900 quando il fisico Heinrich Rubens va a prendere il tè dal suo collega Max Planck.

Planck e Rubens stanno lavorando allo spettro di emissione del corpo nero (un oggetto teorico o ideale che assorbe tutta la energia radiante che incide sopra di esso) per poter migliorare l’efficienza di strumenti di illuminazione che stavano sviluppandosi velocemente in quegli anni. Quel pomeriggio, Rubens, uno sperimentale, conferma a Planck, un teorico, la contraddizione tra i risultati degli esperimenti e la teoria. Quando Rubens se ne va, Planck si siede alla scrivania con il proposito di non alzarsi fino a quando non abbia trovato una nuova formula in grado di spiegare i dati sperimentali. Quando si alza, nei suoi appunti c’è qualcosa che rivoluzionerà la scienza intera. Planck, infatti, fa l’ipotesi che l’energia possa scambiarsi solo sotto forma di pacchetti discreti e non in maniera continua come sembra accadere nel nostro mondo macroscopico. Il fisico tedesco considera la sua idea di “quanti di energia” solamente un artificio matematico utile per risolvere quel problema specifico, senza metterla in relazione con entità fisiche reali.

Tuttavia, nel 1905, un fisico che lavora nell’ufficio brevetti di Berna (Svizzera) riprende l’idea di Planck per razionalizzare l’effetto fotoelettrico, ossia la emissione di elettroni da parte di un metallo quando lo colpisco. Questo fisico si chiama Albert Einstein (1879-1955) e, quell’anno, propone la rivoluzionaria teoria secondo la quale gli elettroni (considerati particelle) sono estratti dal metallo a causa di una interazione particella-particella e non onda-particella. In altre parole, io sarei composta da particelle localizzate (“quanti”) che trasportano quantità discrete di energia che dipendono dalla mia lunghezza d’onda. Einstein unisce concetti e comportamenti propri delle onde e delle particelle, aprendo la strada alla idea più contro-intuitiva e rivoluzionaria sulla mia natura, oggi completamente accettata: io non sono né solamente un’onda, né solamente particella, bensì onda e particella e mi rivelo sotto forma di una o l’altra a seconda del tipo di “domanda” che mi viene posta. Volete verificare che sono un’onda? Io mi comporto come un’onda. Volete la prova che sono una particella? E allora assumo comportamenti tipici delle particelle. Però non sono mai entrambe le cose allo stesso tempo, così com’è impossibile vedere le due facce di una moneta contemporaneamente.  Tutti i fenomeni che sono stati studiati dall’epoca dei Greci si possono spiegare considerandomi onda o particella secondo i casi, perché è questo che sono: sia onda che particella. Intuitivamente la mente umana non è fatta per afferrare concetti come questo. Ma anche il fatto che il Sole sta fermo e la Terra si muove è un’idea contro-intuitiva. Tuttavia, grazie all’educazione, accettiamo questo concetto anche se, guardando il cielo, ci sembra che sia il Sole a muoversi…

Nel 1926, il chimico statunitense Gilbert Lewis battezzerà ufficialmente i “quanti” a me associati dando loro il nome di fotoni. Il fotone è la particella della quale sono composta; una particella un po’ particolare poiché non ha massa, carica elettrica. Nel mondo normale, macroscopico, è impossibile rendersi conto del fatto che sono fatta di corpuscoli (cioè, non vengo normalmente percepita come intermittente) giacché, per esempio, una lampadina emette milioni di miliardi di fotoni al secondo.

Nel 1913, facendo uso di questi concetti di quantizzazione, il fisico danese Bohr (1885-1962) propone un modello di atomo in grado di spiegare gli spettri di emissione di linee di cui si parlava sopra con Fraunhofer. Secondo Bohr, gli elettroni che si muovono attorno al nucleo possono stare solamente in alcuni livelli di energia particolari.

Quando un atomo eccitato si diseccita (un elettrone 'scende' di livello) emette energia in forma di luce. Questo è il meccanismo alla base delle generazione della luce.

Quando un atomo eccitato si diseccita (un elettrone ‘scende’ di livello) emette energia sotto forma di luce (emissione di un fotone). Questo è il meccanismo alla base delle generazione della luce.

Quando un atomo assorbe una quantità di energia che corrisponde esattamente alla differenza tra un livello occupato da un elettrone ed uno più alto, l’elettrone può andare ad occupare quest’ultimo (eccitarsi). L’elettrone eccitato tende a tornare al suo stato iniziale e, diseccitandosi, emette la stessa quantità di energia che ha assorbito sotto forma di fotone ossia mi emette. Questo processo di assorbimento ed emissione ha luogo solo per valori discreti di energia (quantizzati) che sono caratteristici di ogni elemento chimico.

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Albert Einstein e Niels Bohr

In altre parole, gli atomi (o la materia in generale) possono assorbirmi, ossia assorbire fotoni o energia in altre forme (ad esempio calore) e, in seguito, emettermi. Ed è proprio quello che accadde in quella grotta oscura 15.000 anni fa con una torcia, ogni volta che accendete una lampadina e anche quando utilizzate uno strumento ormai ubiquo e davvero fantastica, inventato nel 1960. Anche in questo caso, la teoria si deve ad Einstein. Se un fotone interagisce con un atomo eccitato (ossia quando uno dei suoi elettroni è eccitato), ciò induce la diseccitazione, accompagnata dall’emissione di due fotoni. Si tratta di un’emissione stimolata e di una maniera di amplificarmi: avevamo un fotone, e poi ne abbiamo due. Se si riesce ad eccitare la maggior parte degli atomi, un fotone che interagisce con essi, colpirà probabilmente un atomo eccitato provocando l’emissione di due fotoni, i quali colpiranno probabilmente un altro atomo eccitato e così via: una Amplificazione di Luce attraverso una Emissione Stimolata di Radiazione o LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation).

Quando vengo emessa da un LASER posseggo caratteristiche assai particolari: la mia potenza è concentrata in un’area molto ridotta e ho una sola lunghezza d’onda (energia). Ciò offre la possibilità di utilizzarmi per trasportare informazione, per effettuare tagli molto precisi, per afferrare oggetti microscopici e di aprire il cammino a nuovi studi e processi ottici.

Ad esempio, la fibra ottica (piccoli tubi di vetro) è come un’autostrada per me: io mi muovo dentro di essa in maniera molto efficiente, anche e soprattutto grazie al fatto che mi ha generato un LASER, rimbalzando continuamente contro le pareti e senza dissiparmi, portando informazione codificata dentro di me, fino alle vostre case e uffici perché possiate parlare con Skype, vedere film, scambiarvi email, ecc..

Il 2015 è l'Anno internazionale della Luce e delle tecnologie basate sulla Luce

Il 2015 è l’Anno internazionale della Luce e delle tecnologie basate sulla Luce

L’impulso fondamentale per l’uso della fibra ottica si deve al cinese Charles K. Kao (1933), che, nel 1965 (esattamente 50 anni fa), dimostra che la fibra ottica può sostituire i cavi di rame se si riesce a produrre un vetro molto puro che possa minimizzare l’attenuazione del mio segnale, cosa che effettivamente accade. Anche questa ricorrenza è una delle ragioni per cui il 2015 è l’anno a me dedicato, a dimostrazione dell’estrema importanza delle mie applicazioni che hanno rivoluzionato e rivoluzioneranno le vostre vite. Provate solamente a pensare cosa sarebbe il mondo attuale senza la fibra ottica…o senza il LASER che utilizzare ormai in ogni dove dalla medicina, ai giochi, a migliaia di applicazioni tecnologiche.

E’ curioso notare che anche questa tecnologia così moderna ha un legame con un mio comportamento che era già stato osservato. A metà del XIXesimo secolo, lo svizzero  Daniel Colladon (1802-1893) scopre che, infilandomi in un getto d’acqua, io cambio direzione rimbalzando nell’interfaccia a tra aria e acqua, facendomi guidare da quest’ultima: esattamente lo stesso principio della fibra ottica.

Inoltre, grazie al LASER, potete dividermi in due ed ottenere lunghezze d’onda diverse rispetto a quella iniziale. O ottenere coppie di fotoni che si generano quando un fotone si separa in due. Questo processo è importantissimo poiché permette di studiare in profondità il mio comportamento e poiché questi due fotoni sono “intrecciati” (“entangled”), ossia quello che accade ad uno ha un effetto immediato sull’altro, indipendentemente dalla distanza che li separa e senza che esista tra loro una connessione fisica. Questo fenomeno così misterioso (in inglese “entanglment”) è alla base della crittografia quantistica, ossia se il PIN della nostra carta di credito o una password è codificata in uno stato quantistico, se qualcuno ce la ruba o la scopra, noi possiamo immediatamente e certamente saperlo. Poco tempo fa, in Svizzera questo sistema è stato utilizzato alle elezioni ed esperimenti molto concerti a riguardo vengono realizzati quotidianamente in varie università di tutto il mondo. L’”entanglment” e la possibilità di utilizzare fotoni individuali sono alla base anche del futuro sviluppo del computer quantistico che avrà una velocità enormemente maggiore degli attuali.

Dipinti nelle Grotte di Lascaux (Francia) risalenti a circa 15.000 anni fa.

Dipinti nelle Grotte di Lascaux (Francia) risalenti a circa 15.000 anni fa.

Come vedete, questa storia ha un grande futuro davanti a sé, e promette nuove avventure e nuove sorprese. Se il secolo passato è stato il secolo dell’elettrone per le numerose applicazioni nel campo dell’elettronica, questo sarà probabilmente sarà il secolo del fotone, visto il gran numero di applicazioni che mi riguardano che si stanno sviluppando. Con me e grazie a me avete esplorato ed esplorerete il più intimo dell’universo e delle vostre anime, che sia in un laboratorio di ottica quantistica oggi giorno utilizzando il LASER per studiare i fondamenti dell’ottica non lineare o in una grotta usando una torcia per dipingerne le pareti, 15.000 anni fa. In entrambi i casi io ero e sarò con voi, illuminando nuovi cammini di esplorazioni scientifiche, artistiche e culturali…in altre parole in tutto ciò che vi rende più orgogliosi di essere umani.

 

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Cosa ne è stato scritto

  1. cicciusprof

    Bellissimo omaggio allá Luce, grazie, “Jumpi”, per avermi “eccitato” i neuroni per la gioia di incontrare gli amici fotoni!

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