Ottica

La prima formulazione della teoria ondulatoria della luce si deve a Christiaan Huygens, che sul finire del XVII secolo ipotizzò che i raggi luminosi fossero onde che si propagano in un mezzo elastico chiamato etere. La prima evidenza sperimentale della teoria ondulatoria fu fornita da Thomas Young, che all’inizio del XIX secolo allestì un esperimento – l’esperienza della doppia fenditura – in cui osservò una figura di interferenza generata dalla sovrapposizione di due fasci di luce. In seguito, nel corso del XIX secolo furono numerosi gli scienziati che contribuirono ad ampliare le conoscenze nel campo dell’ottica fisica: tra i più importanti, Joseph Fraunhofer, David Brewster, Armand Fizeau e Jean-Bernard-Léon Foucault. Fraunhofer pose le basi della spettroscopia osservando le righe di assorbimento dello spettro della luce solare e produsse la teoria della diffrazione; Brewster scoprì il fenomeno della polarizzazione per riflessione totale; Fizeau e Foucault misurarono la velocità della luce. Infine, nel 1865, James Clerk Maxwell, nell’ambito della sua teoria dell’elettromagnetismo, riconobbe che le onde di cui la luce è costituita sono di natura elettromagnetica.

La teoria classica della luce vista come insieme di onde elettromagnetiche spiega esaurientemente i fenomeni di interazione della luce con se stessa, quale, ad esempio, l’interferenza. La sua attendibilità, invece, viene meno nella descrizione delle interazioni tra luce e materia che avvengono su scala microscopica: ad esempio, l’assorbimento e l’emissione di luce da parte dell’atomo. Per la descrizione di questi fenomeni si deve ricorrere alla meccanica quantistica, e in particolare a una sua branca, che prende appunto il nome di ottica quantistica. Questa si basa sul principio secondo cui la luce è costituita da corpuscoli privi di massa detti fotoni o quanti di luce.

Oggi è universalmente riconosciuta la doppia natura della luce: corpuscolare e ondulatoria. A seconda del contesto fisico, emerge ora l’una, ora l’altra delle due; ad esempio, è tipicamente ondulatorio il comportamento della radiazione luminosa nei fenomeni di interferenza, mentre è corpuscolare quello di un fotone che dia luogo a effetto Compton.

L’inadeguatezza del modello ondulatorio a descrivere i fenomeni di interazione della luce con la materia emerse per la prima volta nello studio dello spettro di emissione del corpo nero. Fu per superare la discordanza tra la teoria e i dati sperimentali in questo contesto che Max Planck introdusse il concetto di “quanto” su cui si basa la meccanica quantistica. Di quest’ultima disciplina, l’ottica quantistica rappresenta un ramo: ad essa compete lo studio delle interazioni tra radiazione e materia quando la radiazione appartiene alla regione del visibile. Le più recenti conquiste nel campo dell’ottica sono l’invenzione dell’olografia, del laser e delle fibre ottiche; su queste ultime si basano i più efficienti e moderni sistemi di telecomunicazioni.