Conoscere la luce

Che cos'è la luce? Come è fatta? A cosa serve e come possiamo utilizzarla? L'uomo ha compreso molte cose sulla luce, in particolare ha capito che senza non ci potrebbe essere la vita, che luce e bellezza sono spesso strettamente legate insieme, che la luce è molto di più di quella che riusciamo a vedere con i nostri occhi. E che dalla luce possiamo avere un grande aiuto per risolvere i nostri problemi.

Lo scopo del concorso Fotonica in Gioco è proprio quello di trasmettere e sottolineare questi e molti altri aspetti della luce attraverso il gioco. Ma per riuscirci bisogna conoscerla meglio.

Di seguito è riportato qualche semplice spunto di riflessione, lasciando l'approfondimento alla bibliografia.

Luce e vita

La luce è alla base della vita sulla terra. La luce proveniente dal sole scalda il suolo e, grazie all'effetto serra, garantisce una temperatura sulla superficie terrestre abbastanza stabile ed adatta alla vita. Da notare che l'effetto serra non è di per se negativo, anzi è essenziale per la vita. Quello che è dannoso è l'alterazione del suo funzionamento dovuto all'incauta azione umana.

La luce è importante anche per la fotosintesi. Molte piante sono in grado di utilizzare l'energia che viene dalla luce del sole per trasformare acqua ed anidride carbonica in ossigeno e glucosio, gli elementi fondamentali per l'esistenza della vita. In poche parole la luce solare è il motore della vita sulla terra.


La natura della luce

Come è fatta la luce? In molti se lo sono chiesti nel corso della storia. Isaac Newton ipotizzò che fosse composta da un gran numero di minuscole particelle emesse in tutte le direzioni. Christiaan Huygens comprese invece che per spiegare molti strani comportamenti come la diffrazione e l'interferenza è più opportuno pensare la luce come un'onda, qualcosa di simile alle onde del mare o alle onde sonore. Con la scoperta della teoria elettromagnetica di Maxwell si capì anche la natura di queste onde: si tratta di onde elettromagnetiche, piccole increspature del campo elettrico e magnetico.

Ma con l'inizio del '900 ci si riavvicinò al punto di vista di Newton: ci sono fenomeni in cui la luce si comporta come un insieme di particelle o di quanti, in particolare quando luce e materia interagiscono. Nasce la meccanica Quantistica, la teoria che descrive il bizzarro comportamento del mondo al livello atomico e subatomico.

I numeri della luce

La luce si propaga nel vuoto ad una velocità ben definita, 300 000 km/s. Così un raggio di luce per percorrere 30 cm  impiega un miliardesimo di secondo (un nanosecondo), mentre per percorrere la distanza fra la luna e la terra (in media 360 000 km) impiega poco più di un secondo. Secondo la teoria della Relatività niente può superare questa velocità.

Attraversando un mezzo la luce viaggia ad una velocità più bassa rispetto a quella nel vuoto. Per esempio nell'acqua viaggia a circa 225 000 km/s, nel diamante a circa 124 000 km/s.

Pensiamo ora alla luce come ad un'onda, non quelle del mare in tempesta, ma quelle che si creano in un tranquillo stagno quando lanciamo un sassolino, o meglio quando tocchiamo ripetutamente l'acqua con la punta del dito. Ad ogni tocco generiamo la cresta di un'onda che si allontana dal punto di contatto. Queste creste viaggiano ad una certa distanza l'una dall'altra, chiamata lunghezza d'onda. Questa distanza dipende da quanto rapidamente ripetiamo i tocchi sull'acqua: la lunghezza d'onda è grande quando ripetiamo i tocchi con lentezza, è piccola se li ripetiamo più rapidamente. Il numero di tocchi al secondo prende il nome di frequenza. Come vedremo i concetti di lunghezza d'onda e frequenza sono fondamentali per comprendere i colori (e non solo).

Altro numero importante è l'ampiezza dell'onda, una misura di quanto è "alta" l'onda generata.

Colori e molto di più

Cosa distingue la luce blu da quella rossa? Solo una cosa: la lunghezza d'onda o, in modo equivalente, la frequenza. Al rosso corrisponde una lunghezza d'onda di circa 700 nanometri (miliardesimi di metro) ed una frequenza di circa 430 THz (terahertz, cioè milioni di milioni di vibrazioni ogni secondo), all'arancione rispettivamente 600 nm e 500 THz, al verde 500 nm e 600 THz, al viola 400 nm e 750 THz.

In realtà siamo circondati da molti diversi tipi di onde elettromagnetiche. I nostri occhi sono in grado di vederne solo una piccolissima parte che comunemente chiamiamo luce visibile, ma ci sono anche le onde radio, le microonde, gli infrarossi, gli ultravioletti, i raggi X, i raggi gamma ecc. Può sembrare molto difficile pensare che tutti queste manifestazioni così diverse corrispondano allo stesso fenomeno fisico, solo con lunghezze d'onda (e frequenze) differenti.