0057. Come si propaga la luce?

 Vorrei conoscere il vostro punto di vista su come avviene la propagazione della luce nello spazio vuoto. In particolare se è l'energia luminosa (onda elettromagnetica. - fotoni) che parte dal Sole e giunge fino a noi, come dei proiettili “sparati” che terminano la loro corsa quando colpiscono un corpo materiale, oppure l'onda luminosa si propaga “per contatto” tra campi elettromagnetici successivi per cui la luce che noi percepiamo non è propriamente quella partita dal sole ma è il campo che già si trova intorno a noi che viene “acceso” per contatto. Questa seconda ipotesi, riferibile alla fisica quantistica, implica che tutto l'universo è permeato dal campo elettromagnetico (campo di Higgs) che oscilla quando è sollecitato da una sorgente; la luce, quindi, si propagherebbe in modo analogo alle onde del mare (un' onda che si forma nell’Atlantico giunge fino al Portogallo, ma le molecole d’acqua restano ferme). (Eros Cococcetta)

Nella sua domanda il lettore prospetta due ipotesi che gli appaiono corrispondere a due meccanismi diversi di propagazione di un campo come quello elettromagnetico: fotoni che effettivamente partono dalla sorgente e giungono all'osservatore o "attivazione", da parte di una sorgente lontana e nel punto occupato dall'osservatore, del campo preesistente, quiescente e che permea di sé lo spazio in cui si trovano sorgente e osservatore. A me pare che i due punti di vista non sono in realtà differenti tra loro, purché si sia d'accordo su alcuni concetti e definizioni di base. Si tratta effettivamente di una propagazione, ma occorre ricordarsi che la propagazione avviene in realtà per pacchetti d'onda che viaggiano con velocità finita e alla lunga si dissolvono. La loro estensione e la monocromaticità sono correlate dal principio di indeterminazione, ogni pacchetto essendo l'inviluppo risultante dalla sovrapposizione di onde monocromatiche che, in quanto tali, sono infinitamente estese e, prese singolarmente, non sono associate né a trasporto di energia né di informazione. Se un’analogia meccanica può aiutare diciamo che la situazione in cui ci troviamo quando descriviamo il comportamento di una perturbazione elettromagnetica è simile a quella in cui ci troveremmo se dovessimo descrivere il comportamento di un corpo continuo e deformabile, ad esempio una corda improvvisamente pizzicata in un punto. Un campo infatti è assimilabile a un sistema meccanico con infiniti gradi di libertà ma le equazioni differenziali che lo descrivono sono deducibili dagli stessi principi da cui si possono derivare le equazioni del moto nel caso meccanico. Naturalmente poi interviene la Meccanica Quantistica e se assumiamo che essa è valida per le particelle di materia, la quantizzazione del campo elettromagnetico é inevitabile anch'essa  e viene fatta con metodi matematici mutuati dalla Meccanica Analitica classica. Tutto ciò porta alla nota condizione che l'energia di un'onda monocromatica è quantizzata; cioè che può assumere solo valori multipli della frequenza portando al concetto di fotone.

Quanto al meccanismo di Higgs si tratta di nuovo di un modello di teoria dei campi più complesso di quello elettromagnetico,ma basato sulle stesse leggi generali e che descrive un sistema fisico suscettibile di "rottura di simmetria" come fa una grande varietà di sistemi sia classici che quantistici; nella fattispecie, anziché un campo elettromagnetico, abbiamo a che fare con un campo complesso scalare. Tale campo, già classico per certi valori dei parametri, ha configurazioni in cui la simmetria iniziale è perduta a favore della stabilità. La quantizzazione di tale campo, cioè di questo sistema fisico considerato come un sistema quantistico, porta a importanti previsioni sulla esistenza di particelle elementari nuove e sulle caratteristiche di altre già note.

Armando Reale - Fisico