La teoria della luce (da quelle classiche a quelle più moderne) in un libro di Francesco La Teana

Il libro di Francesco La Teana, dirigente scolastico e appassionato cultore di Storia della Fisica, già collaboratore della rivista Lettera Pristem con l'articolo "Storie di Meccanica Quantistica" (n. 36) e con la voce "Dirac" (nn. 50-51 - Grandi matematici del Novecento), autore di una Nascita del concetto di quanto e di altre pubblicazioni, prende in esame le varie teorie proposte per spiegare la natura della luce da Newton ai giorni nostri. L'obiettivo del libro è quello di rendere comprensibile a qualsiasi persona dotata di conoscenze da scuola secondaria superiore, di un po' di passione per gli argomenti trattati, i concetti fisici alla base delle teorie proposte anche quando sono molto astratte e lontane dalla realtà quotidiana.
La storia narrata può essere idealmente divisa nelle due parti della Fisica classica (settecento e Ottocento) e della Fisica moderna e attuale (Novecento).

Nella prima parte, dopo una presentazione dei principali fenomeni luminosi conosciuti nel Seicento, vengono presentate le due teorie (corpuscolare di Newton e ondulatoria di Huygens) che si contesero il primato della migliore teoria esplicativa. Soprattutto grazie alla grande personalità di Newton, quella corpuscolare dominò la scena durante tutto il Settecento. L'aspetto più curioso della diatriba è che, per spiegare gli stessi fenomeni, vengono utilizzate due teorie per molti versi antitetiche. La teoria corpuscolare afferma che la luce è "sostanza" (fatta di particelle emesse dalla materia che viaggiano nello spazio fino a colpire i nostri occhi); quella ondulatoria sostiene che è una particolare "conformazione" dell'etere (sostanza sottilissima che riempie tutto lo spazio) che si propaga come le onde del mare o le onde sonore. Per la prima le particelle di luce occupano spazi molto ridotti, quasi puntiformi; per la seconda le onde occupano spazi più ampi.

L'Ottocento vede il ritorno della teoria ondulatoria, grazie alla scoperta del fenomeno dell'interferenza da parte di Young e il suo trionfo grazie alle ricerche di Fresnel, Maxwell e Hertz. La luce viene identificata con le onde elettromagnetiche; si spiegano i meccanismo della sua generazione, propagazione e assorbimento, fornendo alla teoria una veste matematica molto raffinata (equazioni di Maxwell) che consentono una descrizione quantitativa corretta e offrono una capacità predittiva elevata e altamente attendibile. Il periodo classico viene concluso con un resoconto dell'anello debole della toeria ondulatoria: la ricerca dell'etere. Come abbiamo detto, la luce - onde elettromagnetiche che viaggiano nell'etere - viene paragonata alla propagazione delle onde nel mare o del suono nell'aria con la differenza che il mare e l'aria possono essere facilmente visti o identificati mentre nessun esperimento sembrava consentire l'individuazione dell'etere, che restava in vita come un'ipotesi necessaria ma non dimostrabile.

Nel Novecento vi sono stati tre elementi fondamentali che hanno fatto rientrare in gioco l'ipotesi particellare: le difficoltà a trovare una spiegazione ondulatoria per l'effetto fotoelettrico (1887) e per l'effetto Compton (1923) ma soprattutto il grande lavoro svolto a cavallo tra i due avvenimenti da parte di Albert Einstein. Il libro ripercorre questo lavoro fino all'avvento della Meccanica quantistica (1926). Quest'ultima però, così come era stata formulata, non era in grado di spiegare le proprietà della luce e bisognò attendere fino alla formulazione dell'Elettrodinamica quantistica (avvenuta a metà degli anni '40).

L'Elettrodinamica quantistica rappresenta le teoria più avanzata messa a punto dai ricercatori dal punto di vista quantitativo, pervenendo ad un grado di precisione mai raggiunto prima. Essa ha aperto la strada allo sviluppo di una serie di nuove tecnologie già realizzate, come il laser e l'olografia, o in fase di studio. Tra quelle descritte nel libro citiamo solo il caso del teletrasporto, dei computer quantistici e della crittografia quantistica che attualmente sono oggetti di ricerche e promettono sorprendenti sviluppi futuri. Molte di queste tecnologie sono basate sulla "fantastica" proprietà (nel senso che può sembrare un risultato della fantasia ma ha invece effetti ben osservabili) degli oggetti quantistici di non possedere un'identità ben definita ma di trovarsi, prima di essere osservati, in uno stato dato dalla sovrapposizione di diverse identità (si pensi al famoso gatto di Schrödinger che si trova, prima di essere osservato, nella poco invidiabile situazione di essere in uno stato di sovrapposizione "gatto vivo+gatto morto"). Così l'Elettrodinamica quantistica non solo non ha risolto l'annosa questione del comportamento particellare o ondulatorio - il fotone continua tranquillamente a comportarsi in un modo o nell'altro a seconda delle situazioni - ma per molti versi ha anche complicato le cose. Il libro, dopo un puntata sulla Teoria delle Superstringhe, vista come alternativa a quella attuale, prende in esame i più recenti sviluppi sperimentali per evidenziare come per il fotone anche la proprietà di essere una particella elementare (laddove per elementare si intenda l'impossibilità di scomposizione in ulteriori elementi) incontri serie difficoltà dal momento che gli ultimi esperimenti effettuati nelle macchine acceleratrici evidenziano fotoni che si trasformano in particelle di ogni tipo.

Tutto ciò, e molto altro ancora, possiamo trovare nel bel libro di La Teana a cui rinviamo.