Cartone animato di Jorge Cham, "Daniel e Jorge spiegano l'universo"

La luce non è solo una chiazza di sole sul davanzale della finestra. È anche una metafora per l'illuminazione e l'esplorazione, un po' paradossale per un fenomeno che, anche dopo migliaia di anni di indagini e infiniti esperimenti, gli scienziati non riescono ancora a spiegare del tutto.

Nell'episodio "La luce è una particella o un'onda?" i conduttori del podcast "Daniel and Jorge Explain the Universe" discutono se la luce è una particella o un'onda... o qualcos'altro. Avviso spoiler:la luce no, come propone spensieratamente il co-conduttore e fumettista online Jorge Cham, "cuccioli".

I tuoi occhi ti dicono molto sul comportamento della luce. Viaggia molto veloce (circa 186, 000 miglia al secondo o 300, 000 chilometri al secondo) e sfreccia nello spazio in linee rette simili a laser. Ma rimbalza anche riflette e rifrange, e quando interagisce con il mezzo giusto, come l'obiettivo di una macchina fotografica, può curvare. Usiamo termini come lunghezza d'onda e fotoni per descrivere i suoi movimenti, ma nessuno di essi racchiude veramente gli strani meandri della luce.

In tempi antichi, i greci usavano domande filosofiche per affrontare l'ampia gamma di comportamenti della luce. Forse, si chiedevano, la luce è in realtà piccoli pezzi che rimbalzano avanti e indietro. Nel 1600, Il filosofo francese René Descartes si convinse che la luce fosse essenzialmente un'onda, uno che si muoveva attraverso una misteriosa sostanza chiamata plenum. Isaac Newton pensava che la luce fosse una particella, ma non sapeva come spiegare molte delle sue proprietà, come il modo in cui si rifrange e si divide in un prisma.

"Questo è tornato ai tempi in cui gli studi empirici sulla scienza non erano il modo principale per rispondere alle domande, ", afferma il co-conduttore del podcast Daniel Whiteson, un fisico che ha passato del tempo a lavorare sul Large Hadron Collider. La gente avrebbe idee su come funzionavano le cose, "... e poi litigare su di loro."

Nelle nostre indagini sulla luce, i nostri ospiti sottolineano, è importante ricordare alcune basi scientifiche. Le onde non sono una cosa o una sostanza, sono una proprietà di una cosa, comprimendo e allungando un particolare mezzo, come un'onda oceanica che si increspa sulla superficie di una laguna. Puoi vedere le onde con i tuoi occhi e sentirle con il tuo corpo.

Particelle, d'altra parte, non sono così facili da definire. Ad alcune persone piace pensare alle particelle come a pezzi di materia, frammenti che vengono scomposti nelle loro unità più piccole e basilari. Acqua, Per esempio, sono innumerevoli particelle ... particelle che sono influenzate dalle onde.

E allora, poi, è luce? È il suo tipo speciale di particella, un fotone? O la luce è davvero solo un'onda che scorre attraverso un altro mezzo? C'è qualcosa di raccapricciante, sostanza sconosciuta che ci circonda che semplicemente non percepiamo o non capiamo?

Whiteson mette in evidenza un famoso esperimento della doppia fenditura del XIX secolo, in cui i ricercatori hanno irradiato luce attraverso due fessure e hanno osservato il modo in cui la luce colpiva uno schermo dietro le fenditure. Quello che hanno visto è che i flussi di luce si influenzano a vicenda - come due mani che spruzzano acqua nello stesso lavandino - come se fossero onde che si interferiscono l'una con l'altra.

Nel XX secolo, gli scienziati hanno iniziato le loro esplorazioni pionieristiche su particelle come neutroni ed elettroni. Il famoso fisico Albert Einstein si chiedeva cosa accadrebbe se si emettesse luce un fotone alla volta nell'esperimento della doppia fenditura. Ciò che gli scienziati hanno visto li ha sbalorditi, perché i singoli fotoni si sono comportati con lo stesso schema di interferenza che si è verificato con fasci di luce a grandezza naturale che scorrevano attraverso entrambe le fenditure, introducendo elementi di meccanica quantistica che elevano le proprietà della luce a regni che ancora non comprendiamo veramente.

In definitiva, dicono i nostri ospiti, puoi chiamare la luce sia una particella che un'onda, e avresti ragione su un certo livello. Ma per quanto riguarda la spiegazione completa di come funziona la luce, ci stiamo ancora lavorando.

Ora è interessante

Il comportamento del particolato della luce diventa più evidente a seconda di dove lo stai osservando. Nel vuoto dello spazio, cerniere leggere lungo a più di 186, 000 miglia al secondo (300, 000 chilometri al secondo). Ma punta un raggio di luce su un pezzo di materia molto denso - diciamo, un diamante - e rallenta "solo" intorno a 77, 000 miglia al secondo (124, 000 chilometri al secondo).