La Luce e i Fotoni, Due Costanti Fisiche …
La Luce e i Fotoni, Due Costanti Fisiche fondamentali
VELOCITA DELLA LUCE
IL DUALISMO DELLA LUCE
I FENOMENI ONDULATORI
LA COSTANTE DI PLANCK
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Velocità della Luce
La Velocità della Luce! Quanto si è detto e fantasticato su questo termine! Si tratta infatti forse della Costante Fisica più nota, più conosciuta al mondo. Il fatto che sia stato appurato con certezza che si tratta di una barriera insormontabile del mondo fisico (come poi avremo modo di osservare) ha scatenato la fantasia di tanti scrittori riempiendo per circa un secolo la letteratura di innumerevoli opere, anche pregevoli, in cui molto spesso ci si ingegna a superare tale limite impiegando determinati artifizi a volte puerili, altre volte con una parvenza di pseudo – scientificità, ma sempre e comunque sempre nel quadro di quel ramo della letteratura che può essere chiamato solo con un unico nome: fantascienza.
Perché, e risulterà ben chiaro dopo che più avanti avremo esposto la teoria della Relatività Ristretta, si capisce bene come sia solo fantascienza pensare di poter superare la Velocità della Luce! Una Velocità relativamente piccola in fondo, se ci si pensa bene, quando rapportata alla scala delle reali dimensioni nell’Universo. Che sono un qualcosa di immenso, che travalica la comprensione umana. Queste elevate Distanze ci saranno sempre precluse proprio a causa del basso valore della Velocità della Luce, che in Fisica – come ormai sappiamo – viene comunemente indicato con la lettera c:
Naturalmente sappiamo anche che, molto più semplicemente, si usa approssimare c al valore di 300.000 Km al secondo.
Certo, a noi umani una Velocità del genere può sembrare elevatissima, e in effetti lo è per le nostre comuni attività: ma solo qui sulla Terra. Se volessimo allontanarci dal nostro pianeta ci accorgeremmo subito di quanto sia in realtà piccolo il valore della Velocità della Luce, una volta che desiderassimo spingerci gradatamente sempre più lontano, anche magari rimanendo entro i confini del nostro Sistema Solare.
Infatti mentre è sufficiente poco più di un secondo per raggiungere il nostro satellite, la Luna,
occorrono invece quasi 8 minuti per raggiungere l’astro che illumina il nostro pianeta, il Sole,
un po’ più di mezz’ora per raggiungere Giove, il più grande pianeta del Sistema Solare,
e ben 11 ore per arrivare nei dintorni delle estreme periferie del nostro Sistema Solare, li dove si estende la cosiddetta Fascia di Kuiper, una regione piena di asteroidi e situata molto esternamente rispetto all’orbita dei pianeti maggiori.
E questo è ancora niente!
Ad esempio, alla Velocità della Luce, ci vogliono addirittura più di 4 anni per raggiungere la stella più vicina, la Proxima Centauri, facente parte del sistema triplo di stelle dell’Alfa del Centauro!
E poi?
Per raggiungere le altre stelle i tempi continuano a dilatarsi, fino a richiedere ben più di 30.000 anni per arrivare centro della nostra galassia, la Via Lattea.
Ma ci vuole poi ancora molto di più per raggiungere la galassia più vicina, Andromeda: il tempo richiesto alla Velocità della Luce è infatti ancora maggiore, pari a ben 2,8 milioni di anni.
E possiamo così continuare, fino addirittura a spingerci alle estreme propaggini dell’Universo oggi visibile. Infatti riusciamo a vedere oggetti la cui luce è stata emessa un qualcosa come 12 o 13 miliardi di anni fa, oggetti – cioè – la cui luce ha viaggiato per 12 o 13 miliardi di anni per giungere fino a noi.
(HDF – Hubble Deep Field: particolare della ripresa finale, effettuata nel dicembre 1995 dal Telescopio spaziale Hubble – L’immagine definitiva conteneva più di 3.000 galassie, tra le più distanti mai osservate dall’uomo.
(foto cortesia NASA)
La Luce si muove quindi “piano”? Certamente, su determinate scale di osservazione, il suo valore di Velocità può essere considerato piuttosto scarso. Ma si tratta di un valore scarso, ripetiamo, solo se rapportato a determinate dimensioni. Su scala “locale”, come possiamo intenderla noi, il valore della Velocità della Luce è invece elevatissimo: e anzi, poi, per dirla poi ancora meglio, è anche un valore insuperabile (per tutta una serie di motivi, come vedremo più avanti quando descriveremo appunto la Relatività Ristretta).
L’apparente scarso valore della Velocità della Luce ha però un grande pregio: quello di farci guardare all’indietro nel Tempo! In sostanza più lanciamo lontano nelle profondità dello Spazio il nostro sguardo e più la nostra visione capterà informazioni perse lontane nel Tempo. Quale Tempo? Proprio il Tempo che ci vuole affinchè la Luce ci possa raggiungere da così lontano, viaggiando relativamente “piano” ma pur tuttavia portando con se attraverso gli spazi siderali tutto il proprio bagaglio di Informazioni fino a noi.
Ma allora, si dirà – ed è ovviamente stato detto – non è possibile superare questo valore e viaggiare più velocemente della Luce in modo da abbreviare così in qualche modo i tempi di percorrenza?
E ovviamente la risposta è no! Come infatti i principi della Relatività Ristretta illustreranno esaustivamente più avanti, vedremo come l’insuperabilità della Velocità della Luce costituisca un vero e proprio dogma, un principio fisico assolutamente invalicabile mai violato da ogni qualsiasi sperimentazione fino ad oggi effettuata. Si tratta di uno di quegli Orizzonti assolutamente invalicabili dalle umane possibilità! Quell’Orizzonte la cui peculiarità è tale da mantenere inalterata la sua validità sotto qualsiasi condizione di osservazione: come vedremo.
Bene. Dopo questa breve chiacchierata sulla Velocità della Luce andiamo allora adesso a vedere qualche altro dettaglio di interesse specifico. E iniziamo proprio con la questione di base più importante, ovvero: ma in definitiva che cos’è la Luce?
Il dualismo della Luce
Potrebbe sembrare forse quasi superfluo volersi dilungare su un argomento così scontato come può essere quello che riguarda il concetto di “Luce”: tuttavia non é affatto così. Abbiamo infatti già dato un primo sguardo alle possibili profonde implicazioni che possono sorgere quando si desidera parlare della “Velocità” della Luce, intravedendo magari le profonde conseguenze a cui andremo incontro analizzando il concetto di “Velocità limite”. Tuttavia, prima di arrivare a ciò, cercheremo intanto di approfondire meglio, per i nostri scopi, le altre proprietà tipiche della Luce, che è sempre bene avere ben chiare: in particolare quelle dei suoi costituenti che noi oggi conosciamo appunto con il termine di Fotoni (termine derivante dalla parola greca “photòs”).
A tale scopo, allora, iniziamo intanto presentando dapprima una (molto) rapida carrellata storica dei progressi compiuti nei secoli nei riguardi dello studio delle proprietà della Luce.
Dunque, molto prima ancora che emergessero le singolari proprietà della Velocità della Luce intesa come Velocità Limite, si era inizialmente pensato che la Luce fosse costituita da flussi ininterrotti di particelle: questo addirittura fin dal X secolo, in uno dei primi trattati di ottica della storia dell’umanità sviluppato a cura del matematico arabo Alhazen, in cui si ipotizzava appunto che la visione fosse dovuta a un flusso continuo di particelle che sarebbero state emesse con continuità da qualsiasi oggetto. Tali concetti furono poi ripresi molto dopo in Europa nei secoli successivi, inizialmente con lo scopo di verificare se le ipotetiche particelle costituenti la Luce disponessero di una Velocità – sicuramente alta – ma comunque non infinita: verifica che venne infine confermata tramite gli studi condotti a partire dal 1671 dall’astronomo danese Ole Rømer e dall’italiano Giovanni Cassini. Inoltre, più o meno congiuntamente a tale lavoro, si era anche addivenuti alla teoria cosiddetta “Corpuscolare” della Luce da parte dello scienziato inglese Isaac Newton, in cui veniva descritto molto più esaurientemente di quanto fatto da Alhazen circa 700 anni prima, come la Luce potesse essere considerata come costituita da particelle in moto rettilineo, con Velocità finita.
Successivamente, in base ai dati di Rømer e Cassini, l’astronomo danese Christiaan Huygens riuscì finalmente a calcolare un primo valore della Velocità della Luce e delle fantomatiche particelle che si ipotizzava ne costituissero i suoi componenti, arrivando a fornire una stima di circa 216.000 Km/sec: più o meno i due terzi di quello che poi si dimostrerà essere invece il valore effettivo, che verrà determinato dall’astronomo francese Jean-Baptiste Delambre nel 1809.
A prescindere da come fossero costituite tali particelle fu però presto evidente che la Teoria Corpuscolare di Newton non poteva spiegare tutte le proprietà della Luce, in special modo i cosiddetti fenomeni della Diffrazione della Luce, dell’Interferenza e della Polarizzazione. Anzi, fu proprio davanti a queste evidenze che lo stesso Huygens fu indotto a elaborare nel 1678 una teoria alternativa per i componenti della Luce, la cosiddetta Teoria Ondulatoria, chiamata così perché lungi dall’assomigliare a particelle il comportamento di tali componenti in taluni casi era molto più assimilabile a quello tipico delle Onde.
Associare il comportamento della Luce a quello di un’Onda apriva di fatto lo scenario di studio a un gran numero di possibilità, in quanto le proprietà dei fenomeni ondulatori erano già allora ben conosciute e potevano adesso essere applicate anche alla Luce. Ma fu col lavoro del fisico scozzese James Clerk Maxwell che nel 1864 si fece il primo grande balzo in avanti, con la sua Teoria del Campo Elettromagnetico in cui, con 4 fondamentali equazioni, venivano unificati insieme tre fenomeni in apparenza tra loro molto dissimili come l’Elettricità, il Magnetismo e appunto la Luce. Il grande successo di tale teoria era quindi dovuto al fatto che la natura ondulatoria della Luce riusciva finalmente a dare una giustificazione sia dei fenomeni elettrici che di quelli magnatici, e la Teoria Corpuscolare venne di fatto abbandonata: almeno fino al 1905, però, quando Albert Einstein la riprese per riuscire a spiegare il cosiddetto Effetto Fotoelettrico, un meccanismo in cui in determinate condizioni un materiale che viene colpito da un appropriato raggio di luce arriva ad emettere elettroni verso l’esterno. Nello specifico tali Raggi di Luce dovevano essere dotati di appropriati valori di Energia per poter generare questo curioso Effetto Fotoelettrico: essi presero quindi dapprima il nome di Quanti di Luce a cui poi successivamente si affiancò appunto il termine di Fotoni.
La giustificazione corpuscolare dell’Effetto Fotoelettrico creò di fatto un imbarazzo nella comunità scientifica perché non si riusciva più a capire se il comportamento della Luce dovesse essere assimilabile a quello di un’onda (chiamata per l’appunto Onda Elettromagnetica) o a quello del movimento di una serie di particelle (i Quanti, o Fotoni), dando così luogo di fatto a quello che è stato poi definito come il cosiddetto Dualismo Onda-Particella, un qualcosa di assolutamente controintuitivo per la mente umana!
Cosa è quindi la Luce? Si tratta di un’Onda o di una Particella?
In realtà la Luce presenta contemporaneamente ambedue gli aspetti, ma a seconda del fenomeno che si intende descrivere si è visto che conviene prediligerne l’uno o l’altro. Ma la cosa ancor più interessante fu la successiva scoperta che tale Dualismo poteva poi essere applicato non solo ai Fotoni ma anche agli Elettroni, e che poi in qualche modo tale concetto poteva poi addirittura essere esteso anche al resto della Materia comune: questo incredibile sviluppo, quello di riguardare cioè a volte anche la Materia comune – e non solo la Luce – come se fosse costituita da onde invece che da particelle, aprì la strada allo sviluppo della cosiddetta Meccanica Quantistica.
Ma insomma, allora, Corpuscolare o Ondulatoria?
Relativamente all’analisi della Luce l’aspetto che ci conviene al momento prediligere è quello del modello che fa riferimento all’uso delle Onde.
I fenomeni Ondulatori
Abbiamo parlato della Luce in termini di Onde…ma cos’è di preciso un’Onda?
In linea di massima potremmo dire che un’Onda è costituita da una “perturbazione” che sovviene a cambiare lo stato di un sistema, trasferendo Energia all’interno da un punto a un altro, ad una certa Velocità. Tale perturbazione può avere caratteristiche differenti, a seconda di come essa si trova ad evolvere nel sistema stesso. Ad esempio esiste la cosiddetta perturbazione impulsiva, costituita da una repentina variazione dello stato di un sistema a seguito dell’applicazione di un improvviso picco di Energia. Oppure il fenomeno delle perturbazioni Periodiche, che descrivono il susseguirsi di perturbazioni identiche, a instanti ben determinati. Oppure le perturbazioni Aperiodiche, in cui non si può riconoscere nessuna regolarità nella successione delle perturbazioni.
Svariati è la fenomenologia che può essere interessata dalle perturbazioni ondulatorie; una di queste è costituita da quella grandezza fisica comunemente conosciuta come Campo Elettromagnetico, e in particolare dalla sua Propagazione. Ora non entreremo qui in dettaglio nella Teoria della Propagazione Elettromagnetica perché ci vorrebbe un testo completamente a se; accenniamo solo brevemente al fatto che tale Campo Elettromagnetico viene comunemente generato ogni qualvolta sia presente un movimento di cariche elettriche in una certa regione di Spazio, con variazioni di valore (dette anche Intensità) che si sviluppano in genere lungo la direzione perpendicolare a quella di Propagazione del Campo stesso. E tra le varie possibili modalità di Propagazione una grande importanza, molto utile per i nostri scopi, è l’analisi dei fenomeni ondulatori di tipo Periodico: tale importanza è dovuta al fatto di aver potuto associare anche la Propagazione della Luce nell’ambito della fenomenologia degli stessi Fenomeni Elettromagnetici, cioè nello stesso campo di studi che analizza le modalità di propagazione dei Campo Elettromagnetici.
Anche la Luce è costituita dalla Propagazione di un Campo Elettromagnetico!
Ora, fra le innumerevoli modalità di Propagazione esistenti, una molto importante per quanto riguarda la Luce è quella che viene descritta tramite l’impiego della cosiddetta funzione periodica di tipo Sinusoidale:
Occorre naturalmente avere un po’ di nozioni di Trigonometria per esplorare in dettaglio le proprietà di tale funzione, e anche ciò esula dagli scopi del presente testo. Tuttavia una Funzione Sinusoidale è molto peculiare perché si ritrova impiegata in tantissimi campi della fisica e della tecnologia, e data la sua importanza può essere comunque il caso di fornirne ugualmente qui un breve accenno.
Il peculiare andamento di tale Funzione, come molti magari già conosceranno, è del tipo di quello rappresentato qui di seguito:
In tale figura viene mostrato per semplicità “un solo” Periodo. Il Periodo è in pratica il Tempo che occorre al fenomeno ondulatorio per variare di Intensità il suo valore e ritornare poi al punto di partenza, per poi ricominciare a ripetere identicamente la sua evoluzione, oscillando così sopra e sotto tra il punto minimo e il punto massimo. Nella figura seguente sono ad esempio indicati 3 Periodi di Oscillazione:
I fenomeni Elettromagnetici associati alla Propagazione della Luce assumono proprio questo andamento. In tal caso l’Asse Orizzontale rappresenta proprio la cosiddetta Direzione di Propagazione della Luce, che corrisponde proprio alla Direzione lungo la quale viaggiano i Fotoni. Sulla verticale troviamo invece il valore che il Campo Elettromagnetico associato al Fotone assume durante la sua Propagazione. È chiaro quindi come l’Intensità del Campo trasmesso dal Fotone cambi di valore man mano che esso si sposta nello Spazio, aumentando fino a un valore massimo per poi ridiscendere, arrivare a zero, aumentare poi per valori negativi fino a raggiungere un valore minimo – esattamente opposto al precedente – e poi ritornare nuovamente a zero (nella precedente figura “gli zeri” sono stati rappresentati come dei pallini sull’asse orizzontale). Tutto questo nell’arco di un singolo Periodo, dopodichè l’Oscillazione ricomincia, ripetendosi nuovamente identica. La Distanza tra due successivi “zeri”, o tra due successivi punti di minimo o di massimo è sempre uguale, si misura in metri, e si chiama Lunghezza d’Onda. La Lunghezza d’Onda viene comunemente indicata con la lettera greca λ.
La precedente Oscillazione, molto semplicisticamente, mostra la variazione del Campo Elettromagnetico di un Fotone, in differenti posizioni lungo la sua Direzione di Propagazione. È innegabile, però, che una tale Oscillazione debba avere una sua evoluzione anche nel Tempo, perché il Fotone si sposta comunque a un valore di Velocità che non è infinito, ma pari, come oggi si sa, a quasi 300.000 Km/sec: il valore della Velocità della Luce, appunto. In tal caso tale variazione del Campo potrà essere descritta, forse più propriamente, come una Funzione del Tempo piuttosto che come una Funzione della Posizione: in tal caso le precedenti figure potranno assumere una valenza più interessante qualora in orizzontale si vada a considerare il trascorrere del Tempo invece della posizione del Fotone nello Spazio. Una tale assunzione fa perciò si che il Periodo di una Funzione Sinusoidale relativa alla Propagazione della Luce si possa misurare come una Funzione del Tempo: quindi adottando i secondi come Unità di Misura, o meglio ancora in questo caso i suoi sottomultipli. Il Periodo è quindi il Tempo che occorre a un’Onda Sinusoidale, come può essere la variazione del Campo Elettromagnetico associato al Fotone, per ritornare al punto di partenza. Indichiamo comunemente il Periodo con il termine T.
Correlato a questo vi è un’altra grandezze, molto comune: la Frequenza. La Frequenza di un’Onda non è altro che l’inverso del suo Periodo T. Se indichiamo la Frequenza di un generico fenomeno periodico con il termine f avremo perciò semplicemente che:
Mentre il Periodo T si misura in secondi, il suo inverso, cioè la Frequenza f, si misura in Hertz. La Frequenza indica in pratica quanti Periodi (o cicli dell’Onda) sono contenuti all’interno dell’intervallo di 1 secondo!
Ma come sono collegate queste due grandezze alla precedente Lunghezza d’Onda λ? Dato per assunto di conoscere la Velocità v di Propagazione del nostro generico fenomeno periodico, esse saranno allora collegate dalla seguente definizione:
Nel caso delle Onde Luminose la Velocità v corrisponde però alla Velocità della Luce c, per cui nello specifico avremo che Lunghezza d’Onda della Luce, e rispettiva Frequenza, saranno legate tra loro tramite la Velocità della Luce così come segue:
Ma perché le Onde luminose sono dette così?.
Perché si tratta delle uniche radiazioni elettromagnetiche i cui Fotoni possiedono una Frequenza tale da essere rilevabili dall’occhio umano.
Questo campo di Frequenze è in realtà molto ristretto, infatti ad esso possono essere associati due estremi per la corrispondente Lunghezza d’Onda λ del cosiddetto “campo del visibile”, che si è visto quindi andare da 380 nanometri ai 760 nanometri. Quando usiamo la parola “nanometro” non intendiamo indicare altro che il valore di 10-9 metri (un miliardesimo di metro, per intenderci), per cui capiamo facilmente come in realtà nel caso della Luce si stia trattando di Lunghezze d’Onda estremamente piccole rispetto alle misure con cui siamo quotidianamente abituati a trattare. I Fotoni con la Lunghezza d’Onda di 380 nanometri corrispondono in particolare per il nostro occhio all’estremo della luce blu, mentre all’opposto quelli di 760 nanometri sono relativi all’altro estremo della “banda del visibile”, quello della luce rossa. In mezzo vi sono allora tutte le altre varie sfumature, con la zona centrale più o meno occupata dalle gradazioni del colore verde; mentre al di fuori di questi valori (sotto i 380 o sopra i 760 nanometri) si individuano rispettivamente le bande dell’ultravioletto e dell’infrarosso. Una cosa da annotare sarebbe poi l’importanza di scegliere una appropriata scala di misura per poter rappresentare graficamente l’andamento di una determinata radiazione; questo perché una scelta non oculata potrebbe dar luogo a visualizzazioni problematiche, con le Oscillazioni che potrebbero apparire “molto fitte”, e quasi indistinguibili l’una dall’altra, come ad esempio illustrato nella seguente figura:
Forse può poi anche sembrare intuitivo come a radiazioni di Lunghezza d’Onda maggiore corrispondano Frequenze minori (cioè meno Oscillazioni), e viceversa, come magari la successiva figura prova qui adesso ad illustrare:
La Costante di Planck
Nel paragrafo precedente abbiamo descritto a grandi linee il carattere ondulatorio della Luce. Per i nostri scopi è però adesso importante richiamare qui un altro concetto, quello relativo all’altra Costante Fisica di fondamentale importanza a cui abbiamo accennato all’inizio, ovvero la cosiddetta Costante di Planck, il cui campo di applicazione è strettamente legato a un’altra fondamentale disciplina: la Meccanica Quantistica.
“Meccanica Quantistica”: questa parola risuona spesso con un’enfasi altisonante, evocando magari chissà quali misteri legati a tutta una classe di esotici fenomeni che a volte definire stravaganti è dir poco, e nel cui contesto la Costante di Planck assume appunto un ruolo determinante. Nei successivi capitoli accenneremo più in dettaglio alcuni aspetti e stranezze che scaturiscono dallo studio della Meccanica Quantistica, mentre adesso ci limiteremo solo ad esaminare alcuni fondamenti di base che potranno però tornarci utili nell’immediato.
Dunque, nello specifico, il campo di applicazione della Meccanica Quantistica è genericamente dedicato alla descrizione di quei fenomeni che avvengono nel mondo ultra microscopico delle particelle elementari, nello studio dei quali – al contrario di quello che è il nostro senso comune – per poter giustificare il risultato di determinati esperimenti si è stati costretti ad ammettere che le variazioni di Energia (che indichiamo al momento con E) non possano più avvenire in maniera continuativa, al contrario di ciò che invece ci accade abitualmente di riscontrare nel nostro mondo, quello costituito dalla percezione dei nostri sensi, e che comunemente si rifà a un livello di scala macroscopico. Infatti nel mondo ultra piccolo delle particelle elementari le variazioni di Energia devono avvenire diversamente, secondo quelli che sono stati individuati come “livelli discreti”, cioè come multipli interi di una certa quantità elementare di base. Questa non è affatto una banalità, in quanto è in grado di arrivare a sconvolgere tutte le nostre attuali convinzioni di base sulla natura del mondo, come man mano vedremo.
Tale quantità elementare di base, dunque, definisce di fatto questa nostra fantomatica grandezza fisica, la Costante di Planck, senz’altro uno dei concetti più “esotici” della natura. Essa viene indicata comunemente con il termine h, e vale:
Dimensionalmente, come si vede, si tratta del prodotto di un’energia E (che, al momento anticipiamo, si misura in Joule) per un Tempo t (misurato in secondi). La sua importanza è dovuta al fatto che l’Energia di una radiazione elettromagnetica, di un Fotone, è direttamente proporzionale alla sua Frequenza tramite la Costante di Planck. Ma tale proporzionalità va solo per valori interi, cioè non esistono valori intermedi.
Complicato? A parole, forse: in realtà, no! Se infatti indichiamo ad esempio sempre con f la Frequenza (in Hertz) di un’Onda luminosa o, il che è lo stesso, di una qualsiasi Onda Elettromagnetica, abbiamo che l’Energia E (in Joule) trasportata da tale Onda può assumere solo ed esclusivamente i valori che ci vengono forniti dalla semplice, nonché comunque fondamentale, relazione seguente:
Cos’è quella n? Che cosa indica? È molto semplice: il parametro n può essere impostato come un qualsiasi numero intero positivo (e quindi può essere impostato a qualsiasi valore come ad esempio lo 0, l’1, il 2, il 3, il 4, il 5, ecc…). Semplici numeri, quindi, solo semplicissimi numeri: interi e positivi, e nulla più.
Mentre la scelta di valori non interi per n non è invece ammessa!
Cosa indica ciò? Indica ad esempio che nel caso di n=1 si ottiene il valore più basso di Energia possibile per una data Frequenza di valore f (0 escluso, ovviamente, in quanto corrisponderebbe ad avere una Energia Nulla per l’Onda elettromagnetica). Dopodichè aumentando n (usando cioè valori via via crescenti come 2,3,4,…, ecc…) si otterranno di conseguenza valori di Energia via via sempre più alti: sempre multipli interi però del valore più basso di Energia che è relativo alla condizione di n=1. Per cui ogni volta che si va a passare da un valore n all’altro, a parità di Frequenza f, si può vedere come esista di fatto una specie di “scalino”, a cui corrisponde a un salto brusco di Energia: questo significa che non vi può mai essere un aumento graduale e soprattutto continuo di Energia.
Quanto descritto qui a grandi linee da luogo al fenomeno conosciuto come “Quantizzazione”: tale fenomeno afferma, cioè, che le variazioni di Energia ammesse in un sistema fisico debbano essere sempre finite e discrete, dimodochè l’Energia stessa sarà complessivamente rappresentata in una forma “granulare”, un po’ come è la materia con gli atomi. Ed è analogamente a quanto accade nella teoria atomica che tale forma granulare va a costituire quelli che possono essere concepiti come gli “atomi” indivisibili di Energia, i cosiddetti Quanti, appunto.
L’altra grande notevole particolarità di questa Costante è che il suo valore è enormemente piccolo, come l’esponente 10-34 può facilmente evidenziare. Questo comporta che la Quantizzazione possa risultare ben evidente solo sulla scala di osservazione dei fenomeni del mondo subatomico. Tuttavia essa esiste sempre, anche a scala macroscopica. Infatti nel mondo macroscopico, che è poi il nostro mondo, le variazioni di Energia continueranno sempre a manifestarsi in modo “discreto”: ad esempio un’automobile in corsa varierà la sua Energia sempre in maniera quantizzata, tuttavia a causa del valore enormemente piccolo della Costante di Planck ai nostri sensi tali variazioni appariranno invece continue, perché i salti di Energia (dovuti ad esempio ai cambi di Velocità) saranno estremamente ravvicinati tra loro, così ravvicinati che nel caso di un sistema macroscopico, come può ad esempio essere appunto considerata un’automobile, non saremo mai in grado di distinguerli l’uno dall’altro!
L’importante ruolo assunto dalla Costante di Planck è in definitiva quello di poter concepire tutte le variazioni di Energia sempre come “discrete” e non continuative, il che ha un grande impatto nello studio dei fenomeni legati al mondo delle particelle elementari: facendo infatti si che in un tale mondo le consuete leggi della Fisica Classica perdano di significato.
Continueremo a parlare più avanti delle tematiche connesse a questo importantissimo concetto, nonché delle conseguenze dovute alle intrinseche proprietà della Luce. Mentre adesso cambieremo decisamente argomento in quanto inizieremo a dedicarci invece a un po’…di geometria. Per riallacciarci poi comunque nuovamente più avanti a questi affascinanti argomenti.
Di: Antonino Minissale (Settore Scientifico del C.I.R.)
Dal libro: “OLTRE L’ORIZZONTE”
Curiosità e Stranezze nel Mondo dei Quanti e della Gravitazione (A.Minissale)
By: C.I.R. Centro Italiano Ricerche
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