Attraversa i muri, ma rallenta fino a fermarsi nei gas ultrafreddi. Trasporta informazioni elettroniche per radio e TV, ma distrugge le informazioni genetiche nelle cellule. Si piega intorno agli edifici e si infila attraverso i fori di spillo.
È leggera, e sebbene lo conosciamo principalmente come l’opposto dell’oscurità, la maggior parte della luce non è visibile ai nostri occhi. Dalle onde radio a bassa energia ai raggi gamma ad alta energia, la luce sfreccia intorno a noi, rimbalza su di noi e talvolta ci attraversa.
Poiché si tratta di tante cose, definire la luce è un po’ un dilemma filosofico. Non aiuta che continui a sorprenderci, con nuovi materiali che ne alterano la velocità e la traiettoria in modi inaspettati.
Ciò che accomuna le microonde, i raggi X e i colori dell’arcobaleno è che sono tutte onde, onde elettromagnetiche per l’esattezza. La sostanza che scivola avanti e indietro non è acqua o aria, ma una combinazione di campi elettrici e magnetici.
Questi campi fluttuanti esercitano forze sulle particelle cariche, a volte facendole oscillare su e giù come boe nell’oceano.
Ciò che separa tutte le varie forme di luce è la lunghezza d’onda. I nostri occhi sono sensibili alla luce con lunghezze d’onda comprese tra 750 nanometri (rosso) e 380 nanometri (viola), dove un nanometro è un miliardesimo di metro, o circa la dimensione di una singola molecola.
Ma lo spettro visibile, visto attraverso un prisma, è solo una piccola parte dell’intero spettro elettromagnetico. La lunghezza d’onda varia da centinaia di miglia per le onde radio lunghe a un milionesimo di nanometro per i raggi gamma.
L’energia della luce è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda, tanto che i raggi gamma sono un miliardo di miliardi di volte più energetici delle onde radio.
La luce è una particella?
Ma le onde non sono l’intera storia. La luce è composta da particelle chiamate fotoni. Questo è evidente in un’energia più elevata come i raggi X e i raggi gamma, ma è vero fino alle onde radio.
Il classico esempio di particella è l’effetto fotoelettrico, in cui la luce che colpisce una lastra di metallo fa volare gli elettroni fuori dalla superficie. Sorprendentemente, la luce più lunga di una certa lunghezza d’onda non può liberare elettroni, non importa quanto sia luminosa la sorgente.
Una rigorosa teoria ondulatoria della luce non può spiegare questa soglia di lunghezza d’onda, poiché molte onde lunghe dovrebbero racchiudere la stessa energia totale di poche onde corte.
Albert Einstein decifrò il mistero nel 1905 presumendo che le particelle di luce colpissero gli elettroni, come palle da biliardo in collisione. Solo le particelle a lunghezza d’onda corta possono dare un “calcio” abbastanza forte.
Nonostante questo successo, la teoria delle particelle non ha mai sostituito la teoria delle onde, poiché solo le onde possono descrivere come la luce interferisce con se stessa quando passa attraverso due fessure. Quindi dobbiamo convivere con l’idea che la luce è sia una particella che un’onda, a volte agendo come una roccia, a volte morbida come un’increspatura.
I fisici rettificano la sua doppia personalità pensando in termini di pacchetti d’onda, che si possono immaginare come un gruppo di onde luminose che viaggiano insieme in un fascio stretto, simile a una particella.
Fare uno spettacolo
Invece di preoccuparsi di cosa sia, potrebbe essere meglio concentrarsi su ciò che fa la luce. Scuote, distorce e spinge le particelle cariche (come gli elettroni) che risiedono in tutti i materiali.
Queste azioni sono specifiche della lunghezza d’onda. O per dirla in altro modo, ogni materiale risponde solo a un particolare insieme di lunghezze d’onda.
Prendi una mela, per esempio. Le onde radio e i raggi X la attraversano direttamente, mentre la luce visibile viene bloccata da varie molecole di mela che assorbono la luce sotto forma di calore o la riflettono all’indietro.
Se la luce riflessa entra nei nostri occhi, stimolerà i recettori del colore (coni) che sono specificamente “sintonizzati” su lunghezze d’onda lunghe, medie o corte. Il cervello confronta le diverse risposte del cono per determinare che la mela riflette la luce “rossa”.
Ecco alcuni altri esempi di attività specifiche.
Le onde radio provenienti da una stazione locale fanno oscillare gli elettroni liberi nell’antenna di una radio. L’elettronica sintonizzata sulla frequenza (o lunghezza d’onda) della stazione, può decodificare il segnale oscillante in musica o parole.
Un forno a microonde riscalda il cibo dall’interno verso l’esterno perché le microonde penetrano nella superficie per ruotare le molecole d’acqua contenute nel cibo. Questo rimescolamento molecolare genera calore.
In piedi accanto a un fuoco da campo, la luce infrarossa fa vibrare le molecole nella nostra pelle per riscaldarci. Al contrario, perdiamo costantemente calore quando queste stesse molecole emettono luce infrarossa.
Alla luce del Sole, mancano diverse lunghezze d’onda visibili e ultraviolette o sono scure. Queste “ombre” sono dovute alla cattura dei fotoni da parte degli atomi, come l’idrogeno e l’elio, che compongono il Sole. L’energia del fotone catturato viene utilizzata per aumentare gli elettroni degli atomi da un livello di energia all’altro.
Un’immagine a raggi X di uno scheletro è dovuta al fatto che i raggi X passano attraverso i tessuti molli ma sono bloccati dall’osso denso. Tuttavia, anche quando sono appena attraversati, i raggi X e i raggi gamma ionizzano le molecole lungo il loro percorso, il che significa che strappano gli elettroni dalle molecole. Le molecole ionizzate possono danneggiare direttamente o indirettamente il DNA in una cellula. Alcune di queste alterazioni genetiche possono portare al cancro.
Tutto ciò mostra che la luce indossa molti cappelli diversi nella sua manipolazione della materia. Forse è appropriato quindi che la sua vera identità – onda o particella – sia inconfutabile.
