Un fotone è un tipo di particella elementare che costituisce l’unità di base della radiazione elettromagnetica, che include onde radio, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. I fotoni non hanno massa, non hanno carica elettrica e viaggiano alla velocità della luce. A differenza di alcune particelle, come protoni e neutroni, non si pensa che siano costituite da componenti più piccoli. Appartengono a una classe di particelle che sono responsabili delle forze fondamentali della natura e trasportano la forza elettromagnetica. Secondo la teoria dell’elettrodinamica quantistica, il modo in cui le particelle caricate elettricamente si comportano l’una verso l’altra può essere descritto in termini di fotoni.
Gli esperimenti condotti nel XIX secolo sembravano dimostrare che la luce fosse composta da onde. All’inizio del XX secolo, tuttavia, altri esperimenti indicavano che era costituito da particelle. Sebbene sembri contraddittorio, la luce e altre forme di radiazione elettromagnetica in realtà si comportano come entrambe le forme. I fotoni sono particelle di luce, ma hanno anche proprietà ondulatorie, come la lunghezza d’onda e la frequenza.
Fotoni e materia
La materia può interagire con le particelle di luce in diversi modi. Un elettrone in un atomo, ad esempio, può assorbire un fotone, facendolo saltare a un livello di energia più elevato. Col tempo, l’elettrone può tornare a un livello di energia inferiore, emettendo l’energia extra sotto forma di fotone. L’occhio è in grado di rilevare la luce perché alcune molecole nella retina assorbono energia dai fotoni all’interno della gamma di frequenze della luce visibile. Questa energia viene convertita in impulsi elettrici che viaggiano lungo il nervo ottico nel cervello.
In alcuni casi, gli elettroni possono assorbire particelle di luce ultravioletta ad energia relativamente alta, quindi emettere l’energia sotto forma di fotoni di luce visibile a lunghezza d’onda maggiore, un fenomeno noto come fluorescenza. Le molecole possono assorbire energia alle frequenze infrarosse, il che le fa muovere di più, con conseguente aumento della temperatura; per questo gli oggetti possono essere riscaldati dalla luce del sole o da un riscaldatore elettrico. I fotoni ad altissima energia, come i raggi X e i raggi gamma, possono avere un effetto distruttivo sulla materia. Hanno energia sufficiente per rimuovere gli elettroni dagli atomi, formando ioni con carica positiva e per rompere i legami chimici. Questi effetti causano cambiamenti chimici che possono essere molto dannosi per gli organismi viventi.
Scoperta
Il concetto e la scoperta del fotone sono strettamente legati allo sviluppo della teoria quantistica. Intorno al 1900, il fisico teorico Max Planck trovò una soluzione a un problema che da tempo preoccupava gli scienziati, che riguardava le frequenze della radiazione elettromagnetica emessa da un oggetto a varie temperature. Propose che l’energia arrivasse in piccole unità indivisibili, che chiamò quanti. Il lavoro di Albert Einstein sull’effetto fotoelettrico nel 1905 fornì una forte evidenza sperimentale che i quanti erano reali. Non è stato fino al 1926, tuttavia, che il termine “fotone” è stato utilizzato per la prima volta – dal chimico Gilbert N. Lewis – per descrivere i quanti di luce.
Energia e Frequenza
Planck ha mostrato come l’energia di un quanto di luce sia correlata alla sua frequenza. Ha definito una costante, nota come costante di Planck, che, moltiplicata per la frequenza di un quanto di luce, dà la sua energia. I fotoni ad alta frequenza, come quelli dei raggi X, hanno quindi più energia di quelli a basse frequenze, come le onde radio. La costante di Planck è estremamente piccola; tuttavia, la maggior parte delle sorgenti luminose produce un numero enorme di queste particelle, quindi l’energia totale può essere considerevole.
Elettrodinamica quantistica
Con lo sviluppo della teoria dei quanti, divenne evidente che le forze della natura dovevano essere trasportate in qualche modo da agenti che non potevano viaggiare più veloci della luce e che questi agenti dovevano essere “quantizzati”: potevano esistere solo come multipli di unità indivisibili. La relazione tra luce, elettricità e magnetismo era già stata chiarita nel XIX secolo. A quel tempo, tuttavia, si presumeva che la luce e altre forme di radiazione elettromagnetica fossero costituite da onde. In seguito alla scoperta dei fotoni, è stata sviluppata una nuova teoria chiamata elettrodinamica quantistica, che ha spiegato come i fotoni trasportano la forza elettromagnetica.
La velocità della luce
I fotoni viaggiano sempre alla velocità della luce nel vuoto, che è di circa 186,000 miglia (300,000 chilometri) al secondo. Secondo la Teoria della Relatività Speciale di Einstein, non è possibile per nessun oggetto materiale raggiungere questa velocità, poiché la massa aumenta con la velocità, quindi occorre sempre più energia per aumentare la velocità. I fotoni viaggiano alla velocità della luce perché non hanno massa.
La luce può rallentare, ad esempio quando passa attraverso il vetro, ma le singole particelle di luce non vengono rallentate. Vengono assorbiti dagli atomi, che acquistano temporaneamente energia, rilasciandola rapidamente di nuovo sotto forma di un altro fotone con la stessa frequenza. Questo accade molte volte quando la luce passa attraverso il vetro (o qualche altra sostanza) e il leggero ritardo tra l’assorbimento e il rilascio di energia significa che le particelle impiegano più tempo a passare rispetto a quanto impiegherebbero per passare attraverso l’aria o il vuoto. Ogni fotone, tuttavia, viaggia sempre alla velocità della luce.
La relatività ristretta mostra che viaggiare vicino alla velocità della luce ha alcune strane conseguenze. Ad esempio, il tempo rallenta rispetto agli oggetti che non si muovono, un effetto noto come dilatazione del tempo. Se un astronauta accelera allontanandosi dalla Terra appena al di sotto della velocità della luce e poi ritorna un anno dopo, secondo il suo calendario, potrebbe scoprire che sono passati dieci anni sulla Terra. Non è possibile per un astronauta raggiungere la velocità della luce, ma molte persone hanno ipotizzato cosa significhi la dilatazione del tempo per i fotoni. Secondo la relatività speciale, il tempo deve fermarsi del tutto.
Un essere umano che guarda la Galassia di Andromeda, che dista 2.2 milioni di anni luce, vede fotoni che, dal suo punto di vista, hanno viaggiato per 2.2 milioni di anni luce e hanno impiegato 2.2 milioni di anni per farlo. Si può dire, però, che dal punto di vista dei fotoni il viaggio non è durato affatto e che la distanza percorsa è in realtà nulla. Poiché ogni particella di luce “nasce” in una stella ed esiste fino a quando non colpisce la retina dell’astronomo, si potrebbe anche dire che dal suo punto di vista un fotone esiste a tempo zero, e quindi non esiste affatto. Il consenso tra gli scienziati, tuttavia, è che semplicemente non ha senso pensare che le particelle di luce abbiano un punto di vista o “sperimentano” qualcosa.