Dall’esperimento di Young ai fotoni: perché la luce non si lascia rinchiudere in una sola definizione

La luce non è soltanto un’onda, né soltanto un insieme di particelle: è entrambe le cose, e questa sua doppia natura è uno dei concetti più affascinanti della fisica moderna.
All’inizio del XIX secolo, l’esperimento di Young con la doppia fenditura suggerì che la luce si comporta come un’onda, perché produce frange chiare e scure tipiche dell’interferenza. Due onde che si sovrappongono, infatti, possono rafforzarsi o annullarsi, ed è lo schema che appare sullo schermo dietro le fenditure attraverso cui passa la luce.

Per molto tempo, questo sembrò bastare a descrivere la luce, ma il quadro cambiò con l’avvento della fisica quantistica: la luce scambia energia in piccoli pacchetti chiamati fotoni. Questa idea spiega fenomeni come l’effetto fotoelettrico, in cui la luce fa uscire elettroni da un materiale solo se ha energia sufficiente. In questo caso la luce non si comporta come un’onda continua, ma come un flusso di “quanti” discreti di energia. Ciò vuol dire che possiede anche una natura particellare, e le particelle che la compongono sono chiamate “fotoni”.

Le due descrizioni non si escludono: la luce può mostrare proprietà ondulatorie in alcuni esperimenti e proprietà corpuscolari in altri. Quindi non va immaginata come una pallina o come un’onda d’acqua, ma come qualcos’altro che la fisica descrive con entrambe le immagini a seconda del contesto.  Questa doppia natura è alla base di tecnologie come laser, fotocamere digitali, pannelli solari e fibre ottiche. Capire che la luce è fatta di fotoni ma si comporta anche come un’onda aiuta a spiegare come trasporta energia e come interagisce con la materia.

In immagine: la luce del Sole che raggiunge la Terra. Crediti: NASA/ISS Expedition 13 crew