Da cosa sono costituite le immagini che percepiamo attraverso la vista? Grazie a quale mezzo ci giungono (aria, campi magnetici..)?

La vista è forse il senso più importante attraverso il quale l’uomo
ha contatti con il mondo esterno. Proprio per questo sin dall’antichità in molti si sono interrogati in merito.

Oggi sappiamo che cosa e’ la luce (anche se ci sono ancora molte cose
da capire) e come ci permetta di vedere il mondo che ci circonda.

La luce e’ un’onda elettromagnetica, come le onde radio o i raggi X
(che pero’ hanno un diverso modo di interagire
con la materia e percio’ ci sembrano cosi’ diversi dalla luce). Tutti i
tipi di onde elettromagnetiche (quindi anche la luce) sono costituiti da
un campo elettrico ed un campo

magnetico non costanti nel tempo, ma variabili; cio’ che distingue
fra di loro i vari tipi di onde elettromagnetiche e’ proprio la velocita’
con cui questi campi elettrico e magnetico variano nel tempo; anche cio’
che distingue i vari colori fra loro e’ questa velocita’ di variazione,
o più correttamente “frequenza”.

La luce non ha bisogno di nessun mezzo per propagarsi: i campi elettrici
e magnetici che la compongono possono “esistere” sia nel vuoto che in tutti
i materiali. A “propagarsi” sono i campi elettrici
e magnetici, che viaggiano alla “velocita’ della luce”. Il fatto che l’aria
ed il vetro ci appaiano trasparenti (cioe’ permettono alla luce di propagarsi
quasi indisturbata) mentre il ferro ci appare opaco e’ dovuto alle differenti
proprieta’ elettriche e magnetiche di questi diversi materiali, che possono
permettere o no, il “passaggio” dei campi elettrici e magnetici di una
certa frequenza. Il vuoto, non avendo quasi nessuna
proprieta’ elettromagnetica, ci appare “trasparente”.

La luce viene prodotta da una sorgente (per esempio il sole) si propaga
nel vuoto o nei mezzi trasparenti che incontra fino a giungere ad un oggetto
sul quale in parte “rimbalza” in parte viene assorbita. Sono sempre le
proprieta’ elettriche e magnetiche del materiale a “decidere” quale parte
venga assorbita e quale parte riflessa, e quindi a stabilire il colore
dell’oggetto.

La luce, proveniente dall’oggetto, giunge al nostro occhio, entrando
attraverso la pupilla e, grazie alla cornea ed al cristallino (che sono
delle vere e proprie lenti) arriva ad “illuminare” il fondo dell’occhio:
la retina. Nelle cellule che la compongono avvengono delle reazioni chimiche
che a loro volta causano delle piccole scariche elettriche che si propagano
attraverso il nervo ottico ed arrivano fino al cervello, dove vengono elaborate
e trasformate in quella costruzione mentale che noi chiamiamo “immagini
visibili”.

PER SAPERNE DI PIU’.



INTERAZIONE

Perche’ le onde elettromagnetiche di frequenze
diverse, pur avendo pressapoco le stesse proprieta’ fisiche si comportano
in modo cosi’ diverso nell’interazione con la materia? Per esempio perche’
un’onda radio puo’ essere rivelata da un’antenna mentre un raggio di luce
od un raggio X no? E in che modo le proprieta’ di un oggetto interagiscono
con il campo elettromagnetico di un’onda che le illumina determinandone
il “colore”?

Onde elettromagnetiche di frequenza diversa, sebbene non mostrino (entro
certi limiti) differenti proprieta’ fisiche nel vuoto, manifestano interazioni
con la materia profondamente diverse, tanto che vengono spesso chiamate
con nomi diversi (onde radio, infrarossi, luce, ultravioletti, raggi X,
raggi gamma). Il motivo di questa “stranezza” e’ da ricercarsi nell’interazione
che il campo elettromagnetico ha con la materia. Quest’ultima, infatti,
e’ costituita da nuclei ed elettroni, entrambe “particelle” cariche, e
pertanto in grado di “sentire” una forza, se immersi in un campo elettrico
e/o magnetico (come il ferro vicino ad una calamita). Quando i campi elettrici
e magnetici sono variabili nel tempo, anche la forza che agisce sui costituenti
della materia sara’ variabile.

Consideriamo per un momento un’altalena, alla quale applichiamo una
forza variabile nel tempo, prima spingendola, poi tirandola. Se la frequenza
con la quale noi “forziamo” il moto dell’altalena e’ quella giusta (o quasi),
cioe’ e’ la frequenza “naturale” dell’altalena (quella che essa avrebbe
se lasciata oscillare liberamente) allora riusciremo facilmente a farla
muovere, anche di molto e con poco sforzo: e’ il fenomeno della risonanza.
Se invece la spingeremo e la tireremo molto lentamente (per esempio spingendola
e tirandola una volta ogni ora) o molto velocemente (per esempio spingendola
e tirandola dieci volte al secondo) l’effetto che otterremo sara’ molto
piccolo, anche con tutti i nostri sforzi.

In un modo simile le forze che agiscono sui costituenti della materia
a causa di un campo elettromagnetico variabile (cioe’ di un’onda elettromagnetica)
possono o meno metterli in movimento. Nel nostro caso sono perlopiu’ gli
elettroni che vengono messi in movimento, soprattutto per la loro massa
piu’ piccola di almeno 2000 volte rispetto ad un nucleo: provate a spostare
un chilo o 2000 chili! Se gli elettroni vengono messi in moto l’energia
contenuta nell’onda viene assorbita dal materiale e percio’ l’intensita’
dei campi diminuisce notevolmente, ed il materiale appare opaco per la
“luce” di quella frequenza.

E’ chiaro, quindi, che un’antenna puo’ funzionare solo per frequenze
che siano in grado di mettere in moto gli elettroni del metallo di cui
e’ fatta, in modo da trasformare l’onda radio in una (debolissima) corrente,
che puo’ poi essere amplificata e rivelata dall’apparecchio radio o TV.

Ed e’ anche chiaro qual’e’ il meccanismo di formazione del colore di
materiali trasparenti, come un vetro colorato: la luce di alcune frequenze
viene assorbita, mentre la luce di altre frequenze riesce ad attraversare
il materiale indisturbata (la luce bianca e’ costituita dalla somma di
radiazioni elettromagnetiche di frequenze corrispondenti a tutti i colori).

PROPAGAZIONE DELLA LUCE

Perche’ i campi elettrico e magnetico si propagano
nello spazio come un’onda? La frequenza del campo elettrico e del campo
magnetico e’ la stessa? E’ possibile un’onda costituita di un
solo
campo (elettrico o magnetico che sia)?

I campi elettrici e magnetici rispettano alcune equazioni, che descrivono
il loro comportamento: le equazioni di Maxwell. Queste equazioni prevedono
che quando ci sia un campo elettrico variabile si generi un campo magnetico
(proporzionale alla derivata rispetto al tempo del campo elettrico) e viceversa:
quando c’e’ un campo magnetico variabile si genera un campo elettrico (proporzionale
alla derivata del campo magnetico). Questo fenomeno e’ molto comune: ogni
qualvolta utilizziamo un apparecchio elettrico, come un motore oppure un
elettromagnete, stiamo sfruttando questo fatto. L’elettromagnete e’ semplicemente
un filo percorso da corrente elettrica (e avvolto attorno ad un pezzo di
materiale “magnetico” per aumentarne parecchio l’effetto). La corrente
e’ costituita da elettroni in movimento, cioe’ (poiche’ ogni elettrone
ha il suo campo elettrico associato) da campi elettrici in movimento. Tale
particolare tipo di “variabilita’” del campo elettrico genera un campo
magnetico costante. Il motore elettrico e’ un dispositivo che sfrutta le
forze fra dei campi magnetici cosi’ generati (simili a quelle fra due calamite).
Una dinamo, invece, sfrutta il fenomeno opposto: un campo magnetico variabile
(dovuto al moto dei magneti che costituisco la dinamo) causa un campo elettrico
che mette in moto gli elettroni di un filo conduttore interno alla dinamo,
generando corrente elettrica.

Si puo’ dire che il motivo per cui un’onda elettromagnetica si propaga
nello spazio e’ lo stesso per cui un motore gira: un campo elettrico variabile
(come degli elettroni che si muovono in un certo modo in un metallo), genera
un campo magnetico, e se questo e’ variabile, genera a sua volta un campo
elettrico, e cosi’ via. Il motivo che distingue il comportamento di un
motore da quello di un’antenna trasmittente e’ il modo in cui gli
elettroni si muovono nel metallo “sorgente”: in un motore il moto (generalmente)
e’ costante, in un antenna e’ il moto e’ sinusoidale.

Percio’ i campi elettrici generati in questo caso sono rispettivamente
lineare e sinuisodale. I campi magnetici “generati”, allora saranno rispettivamente
costante (e quindi non si genereranno piu’ altri campi elettrici) e cosinuisoidale
(e quindi generera’ un campo elettrico sinuisodale). Poiche’ il campo magnetico
generato da un elettromagnete e’ costante, non si genera alcun successivo
campo elettrico, cioe’ nessuna onda. Invece le derivate successive di sinuisoidi
sono sinuisoidi anch’esse, e percio’ il fenomeno si ripete all’infinito,
trasportando una frazione dell’energia iniziale (corrente elettrica nell’antenna)
potenzialmente a qualsiasi distanza.

VUOTO

Il vuoto che proprieta’ elettromagnetiche ha?

Uno degli aspetti piu’ sorprendenti della meccanica quantistica e’ quello
di prevedere che il vuoto più spinto immaginabile (cioe’ quello costituito
dall’assenza di qualsiasi particella o campo osservabili) non e’ affatto
vuoto!

Questo apparente paradosso e’ dovuto al fatto che il principio di indeterminazione
non permette di “sapere” con assoluta certezza lo stato di un sistema:
esistono delle proprieta’ “incompatibili”; per esempio non “esiste” un
valore esatto dell’energia di un sistema, se questo non viene osservato
per un tempo sufficentemente lungo.

Cosi’ il vuoto viene ad essere “popolato” da particelle e campi che
hanno una energia compatibile con il loro “tempo di vita”. Si potrebbe
dire che appaiono dal nulla e nel nulla scompaiono. Naturalmente nessuno
le ha mai osservate, e nemmeno mai potra’ farlo, perche’ la teoria prevede
che una misura sufficentemente precisa da rivelarle non possa essere compiuta
in un tempo cosi’ breve quale e’ quello della loro esistenza. Si puo’ proprio
dire che “esistono perche’ non possono essere viste”.

Pero’ la loro “esistenza” da’ al vuoto alcune particolari caratteristiche
e proprio “l’interazione con il vuoto” ha permesso delle misure (sull’atomo
di idrogeno) che sono fra le piu’ precise mai realizzate in qualunque campo
della scienza.



ANTICHITA’

Fra i filosofi antichi che hanno formulato ipotesi sulla visione una
delle piu’ strane, per noi che la studiamo oggi con il senno di poi, e’
quella di Platone, che credeva che la luce fosse una sostanza prodotta
dall’occhio! Piu’ scientifica la posizione di Galileo Galilei, che prova
a misurare la velocita’ di propagazione della luce, ma, visti i mezzi a
sua disposizione (due torcie copribili con dei panni opachi) riesce solo
a concludere che la luce si propaga a grandissima velocita’, forse infinita.
Newton fa un’ipotesi sulla natura della luce: propone la natura corpuscolare,
ipotesi che in seguito al successo della teoria “ondulatoria” viene abbandonata,
ma resuscita nei primi decenni di questo secolo con una interpretazione
diversa: la meccanica quantistica, in cui la natura corpuscolare e’ “complementare”
a quella ondulatoria.