Nei testi di ottica fisica si parla spesso e diffusamente della natura quantistica dei fenomeni di interferenza e diffrazione. Non sono mai riuscito a trovare, invece, una spiegazione dell’interpretazione quantistica della rifrazione. Più precisamente, cosa si trova se si dispone una macchina sperimentale in grado di rilevare l’angolo di rifrazione del percorso di un singolo fotone lanciato in un mezzo trasparente? Non vedo come l’interpretazione classica del fronte d’onda distorto dal passaggio attraverso l’interfaccia possa valere in questo caso. Nè mi è chiaro quali siano le conseguenze sull’interpretazione corpuscolare della luce, dato che si afferma tranquillamente che la velocità della luce si riduce nel mezzo rispetto al vuoto, ma non mi pare che la velocità di un fotone possa subire variazioni. Grazie da ora.

La domanda in realtà solleva problemi abbastanza complessi, che non

potrebbero essere trattati formalmente in questa sede, e che sono comunque

piuttosto specialistici. Proverò a dare comunque una descrizione del

fenomeno in termini qualitativi.

Il primo fatto da stabilire è che il fotone che “entra” nel mezzo trasparente in

realtà non si muove nel vuoto ma in una zona in cui lo spazio è perturbato dai

campi degli atomi circostanti: questa è la chiave del problema.

La soluzione può essere ricavata a vari livelli:

1) completamente classico, in cui la descrizione del campo esterno e

dell’onda sono classiche, fornite dalle equazioni di Maxwell, con varie

condizioni al contorno. In questo caso la descrizione “macroscopica” del

fenomeno fa entrare in ballo l’indice di rifrazione che descrive le diverse

velocità della luce nei due mezzi. In molti casi questa è la descrizione più

utile e comoda per prevedere il comportamento di una radiazione in un

mezzo più o meno trasparente, anche se la descrizione di ciò che avviene

all’interno in termini microscopici è chiaramente troppo semplificata, tanto è

vero che alcuni fenomeni di interazione radiazione-materia non possono

essere spiegati in questo ambito.

2) Passando allora alla meccanica quantistica si riesce a collegare la

polarizzabilità del mezzo con la costante dielettrica, che è parente stretta

dell’indice di rifrazione, da cui segue di nuovo quello che è stato detto prima.

Tutto ciò schematizza vari processi di assorbimento e riemissione del fotone

da parte degli atomi del mezzo, che possono in realtà essere descritti tramite

la quantizzazione del campo elettromagnetico, operazione che comporta la

introduzione dei cosiddetti operatori di creazione e distruzione dei singoli

fotoni, che però ai fini di una previsione delle caratteristiche ottiche del mezzo

rendono una simile trattazione assai più difficile da gestire; è per questo che

in genere la rifrazione viene affrontata dal punto di vista classico o

semiclassico.