Nature and Nature's laws lay hid in night: God said, "Let Newton be!" and all was light Then comes the devil Said “Non! Let Einstein be” Restored the status quo.

Tutto cominciò con la luce.  Si era in pieno illuminismo e la luce della ragione risplendeva sull’Europa. Il secolo dei lumi. Ironia della sorte quella stessa luce che era ragione d’orgoglio e vessillo di un’epoca sfuggiva ad ogni spiegazione.

Due diversi tipi di struttura sembravano spiegare l’intero creato; il mondo era fatto di onde e materia.

La materia ha una massa e si comporta secondo leggi semplici e magnifiche. Due oggetti materiali si attraggono per gravità, con intensità inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Un nuovo Aristotele lo ha scritto e dimostrato; si chiama Isaac Newton. Le onde sono increspature che attraversano gli oggetti. Vibrazioni.

Si irradiano da un centro verso l’esterno con una velocità. Sono caratterizzate da una frequenza, il numero di increspature che si forma ogni secondo. Hanno un’intensità, l’altezza delle increspature.

Le onde hanno proprietà molto insolite; quando si scontrano tra loro non rimbalzano una sull’altra come fanno i corpi materiali. Al contrario due onde che si scontrano si uniscono e ne formano una soltanto. Le regole di addizione sono semplici; se un’increspatura si scontra con un’increspatura l’onda diventa più alta. Se un’increspatura si scontra con un avvallamento l’onda diventa più bassa.

E la luce? Onda o particella di materia? Da Londra arriva una prima congettura, la luce è certamente formata da minuscoli grani di materia, particelle. Lo afferma una voce autorevole. Ipse dixit.

Tuttavia una congettura ha bisogno di prove tra i luminari, anche se a formularla è il capofila. E non tutti sembrano concordi.

Lunghe elaborazioni di entrambi i punti di vista sono proposte. L’esperienza decisiva del 1801 è del britannico Thomas Young. Egli proietta un fascio di luce su di uno schermo in cui sono state create due fessure. Sulla parete dietro lo schermo si formano lunghe strisce di luce parallele.

Se la luce fosse composta di particelle, sulla parete dovrebbero formarsi due puntini luminosi in corrispondenza delle fessure. Se la luce è un’onda invece, all’uscita dalle due fessure la luce dovrebbe creare un effetto di sovrapposizione che in alcuni punti aumenta l’intensità dell’onda e in altri lo distrugge completamente.

Nessun dubbio dunque. Thomas Young è vincente, la luce è un’onda che si propaga. Tuttavia restano difficoltà; in particolare un’onda si propaga attraverso un oggetto solitamente (facendolo vibrare ad esempio) cosa che la luce sembra restia a fare. In cosa si propaga la luce?

Queste contraddizioni non fermano la ricerca; il secolo dei lumi si conclude senza una teoria completa, l’ottocento romantico scopre l’elettricità e il magnetismo e si entusiasma per le ricerche di Edison, Ampère e David Bowie. Lapsus: intendevo Nicola Tesla.

Maxwell, un brillante fisico matematico, riesce a incorporare le nuove teorie in un costrutto logico completo, quattro semplici equazioni che descrivono elettricità e magnetismo come un unico fenomeno. Nasce la nozione di campo elettromagnetico una sostanza impalpabile e invisibile che riempie lo spazio e si propaga a velocità finita. Intanto alcune esperienze di sofisticata ingegneria misurano la velocità della luce nel vuoto.

Ed ecco, sorpresa! La luce si propaga alla stessa velocità del campo elettromagnetico. Tutto sembra andare per il meglio: l’elettricità e il magnetismo si propagano come onde, ad una velocità uguale alla luce. Niente di più semplice che pensare alla luce come un caso particolare, una frequenza speciale di un’onda elettromagnetica.

L’incidente primario ha luogo con la spiegazione della radiazione di un corpo nero. Nessuna spiegazione basata su argomenti classici riesce a dare un responso sulla curiosa forma dello spettro. Un fisico tedesco, conservatore e tradizionalista, tale Max Planck, si rende conto che introducendo una piccola ipotesi ad hoc diventa possibile interpretare il mistero. È sufficiente supporre che la radiazione emessa (che grazie a Maxwell sappiamo essere una frequenza invisibile della luce) sia composta di piccoli corpuscoli, ognuno dotato di una energia ben precisa. L’energia di questi corpuscoli dipende soltanto dalla frequenza.

Il fatto fastidioso è che l’ipotesi di “corpuscoli di luce” reintroduce l’idea della luce come particella, localizzata in un luogo ben preciso e dotata di una traiettoria. La spallata definitiva alla teoria ondulatoria arriva però nel 1905, anno della pubblicazione della relatività ristretta e della spiegazione del modo Browniano (ad opera la prima di Albert Einstein, la seconda di Einstein Albert).

Si tratta della spiegazione brillante di un fenomeno noto come effetto fotoelettrico. Non occorre illustrare l’intera esperienza, una parte del fenomeno è sufficiente. Immaginiamo di bombardare con della radiazione elettromagnetica (anche detta luce) una placchetta di metallo.

La placchetta è legata ad un circuito (un filo); la luce ha un’energia, può dunque strappare elettroni dalla placchetta di metallo. Se così avviene gli elettroni sono liberi di muoversi nel circuito, e si forma della corrente.

Il fatto strano è questo: se si irradia la placchetta con della luce, e pensiamo che la luce è un’onda, allora i successivi fronti d’onda incidenti trasportano dell’energia che si accumula. Dopo un certo periodo ne dovrebbe essere arrivata abbastanza da strappare gli elettroni e far passare la corrente nel circuito.

Un’idea analoga sono le onde del mare che colpiscono una strada che costeggia la riva. Dopo un po’ di tempo, qualsiasi sia l’altezza delle onde, riusciranno a strappare via la strada.

In modo abbastanza sorprendente invece, quello che accade è che se si irradia con della luce a bassa frequenza, nel circuito non passa corrente. Significa che nessun elettrone è stato spostato. In compenso esiste una frequenza limite oltre la quale improvvisamente comincia a passare corrente.

Come è possibile? L’idea geniale di un giovane svizzero fu di supporre che la luce sia fatta di minuscoli corpuscoli, ognuno dotato di un’energia che dipende dalla frequenza (come proposto da Planck). Ognuno di essi colpisce gli elettroni come farebbero due biglie da biliardo. L’elettrone è imprigionato intorno ad un atomo; potete pensare che si trova all’interno di un cratere; al centro del cratere si trova il nucleo, l’elettrone si trova sulla parete in una nicchia che gli impedisce di muoversi. Se la particella di luce che colpisce l’elettrone ha abbastanza energia riesce a spararlo fuori dal cratere. Se invece non è così l’elettrone percorre un tratto di parete e poi ricasca all’indietro e torna nella sua nicchia.

Visto che le particelle di luce hanno un’energia che dipende soltanto dalla frequenza, solo frequenze che superano un certo valore possono sparare l’elettrone fuori dalla sua nicchia. Ecco spiegato l’effetto fotoelettrico.

L’analogia luce-particella non è più soltanto un’ipotesi, ma diventa una necessità. Il visionario fisico svizzero, Alberto Unapietra, chiamerà questa particella di luce quanto. La sua teoria si chiamerà teoria dei quanti di luce e gli varrà un premio Nobel, malgrado le origini ebree e l’infelice momento politico. Più tardi il quanto di luce verrà ribattezzato fotone; l’idea di “quantizzare” la natura ondulatoria di molte particelle darà invece il nome alla fisica quantistica.

Una incredibile successione di scoperte metterà in evidenza che la luce si comporta “talvolta come onda e talvolta come particella”, ma non solo. Anche gli elettroni che sembrano solitamente particelle si comportano a volte come onde. Questa diglossia ontologica spingerà i fisici dapprima a parlare di “dualità onda-particella”, poi davanti al numero spropositato di paradossi generati ad abbandonare questa nomenclatura in favore di un formalismo quantistico, basato su concetti matematici estremamente complessi.

L’essenza della natura quantistica è questa; la capacità di comportarsi in un modo che non è onda né particella ma un misto dei due. In modo abbastanza imbarazzante mostra una forte dipendenza dalla scelta dell’osservatore di voler guardare l’una oppure l’altra.

Ne riparleremo.