Benvenuti nell’era fotonica

era fotonica

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Il 2015, dunque, sarà l’Anno Internazionale della Luce e delle tecnologie basate sulla luce (IYL 2015): lo ha dichiarato l’Assemblea generale delle Nazioni Unite. L’Anno della Luce segue l’Anno della Fisica (2005), quello dell’Astronomia (2009) e quello della Chimica (2011), giusto per ricordare alcuni altri Anni Internazionali dell’ultimo decennio, strettamente collegati tra loro per l’argomento scientifico toccato. Piero Galeotti nel suo editoriale ricorda alcuni aspetti che rendono interessante per la fisica e per l’astronomia il tema della luce: il dualismo onda/particella, le righe di Fraunhofer che ci hanno svelato la composizione chimica dell’universo, il ruolo del redshift in cosmologia.

Farò qui qualche considerazione più generale. Innanzi tutto penso che queste iniziative, gli “anni internazionali” dedicati a temi importanti, debbano essere benvenute – e partecipate attivamente – perché contribuiscono a promuovere scienza e cultura, offrendo occasioni per progetti ed eventi che aiutano a valorizzare la ricerca di base e a spiegarne la stretta connessione con le innumerevoli applicazioni tecnologiche dalle quali sempre più dipendono lo sviluppo della società e il suo benessere. Bene, quindi, che nella dichiarazione dell’IYL 2015 vi sia enfasi anche sulle tecnologie basate sulla luce: rafforza il legame tra ricerca di base e innovazione tecnologica. Lega cioè ai benefici che produce quella ricerca che molti nostri governanti miopi, per non dire ignoranti (quelli – per intenderci – che si chiedono: “Perché dovremmo pagare uno scienziato quando facciamo le migliori scarpe del mondo?” o che affermano che “con la cultura non si mangia”)

considerano un BENVENUTI nell’era fotonica lusso, un divertissement per pochi, e non una delle colonne portanti dell’economia e dello sviluppo di un Paese.

Speriamo dunque che oltre a fornire l’occasione per aumentare la consapevolezza del grande pubblico nei confronti di argomenti interessanti e per stimolare quell’interesse e quella curiosità che sono alla base della crescita intellettuale della società, queste iniziative internazionali obblighino anche i politici a prestare (un po’ più di) attenzione alla scienza. La luce è senza dubbio una delle cose che ci sono più familiari. Eppure non possiamo dire di averne una conoscenza completa: le sue proprietà e le sue applicazioni continuano a stupirci. Con una temperatura superficiale di circa 5500 gradi, il nostro Sole emette onde elettromagnetiche in un ampio spettro di lunghezze d’onda, dall’ultravioletto all’infrarosso, con il picco co nella zona visibile, quella compresa tra 4000 e 7000 Angstrom, la luce appunto. Essa, dunque, illumina la Terra da alcuni miliardi di anni, da prima che vi si sviluppasse quella vita del cui sostentamento ed evoluzione la luce è stata protagonista.

La flora ha imparato a farne tesoro per ricavarne energia da trasformare in crescita (attraverso la fotosintesi clorofilliana, una meraviglia chimico-fisica che permette di combinare anidride carbonica e acqua per produrre glucosio, trasformando così l’inorganico in organico) e la fauna, con pochissime eccezioni, ha evoluto il senso della vista sviluppando sensori – gli occhi – adatti alle più diverse condizioni ambientali e affidando loro le migliori chance di sopravvivenza. La luce è il nostro principale veicolo d’informazione, sia per le più banali e comuni esperienze quotidiane sia per le nostre ricerche scientifiche più avanzate, ed è lei stessa oggetto di studi e di manipolazioni che continuano a sorprenderci e a consentire sviluppi tecnologici innovativi. La sua altissima velocità di propagazione ha indotto a pensare che tale velocità potesse essere addirittura infinita e il dibattito sul suo valore è durato secoli, e per secoli si è basato su considerazioni e ragionamenti filosofici, a partire da quelli di Empedocle, fautore della finitezza della velocità della luce, o da quelli di Erone che la credeva invece infinita, proprio come la credevano ancora Keplero e Cartesio nel XVII secolo. Ancor prima che fosse risolta la questione della sua velocità, iniziò anche la discussione sulla sua natura: ondulatoria o corpuscolare?

Tra i sostenitori della prima troviamo Aristotele, Cartesio e Huygens, tra quelli della seconda Democrito, Gassendi e soprattutto Newton. A differenza della questione riguardante la sua velocità, che si concluse definitivamente a favore di un valore finito (Rømer, 1676), quella relativa alla sua natura ha dispensato, con alterne vicende, ragioni a entrambe le parti. Per rimanere nell’ambito della fisica moderna, ricordiamo che la teoria ondulatoria raggiunse il massimo della sua popolarità quando Maxwell, combinando quattro equazioni, ricavò la descrizione delle onde elettromagnetiche, la loro velocità nel vuoto (uguale per tutte e coincidente con la velocità, ormai nota, della luce) e rese evidente che luce visibile, radiazione ultravioletta e radiazione infrarossa, erano concettualmente la stessa cosa – onde elettromagnetiche, appunto – e differivano solo per il valore della loro frequenza. Ma, meno di cinquant’anni dopo, Einstein rimise tutto in discussione con la sua spiegazione dell’effetto fotoelettrico che portava alla quantizzazione della luce e all’introduzione del concetto di “fotone”, il quanto di luce. Oggi, siamo in pace con il fatto che la luce mostra proprietà che sono meglio comprese ricorrendo ora a un comportamento corpuscolare, ora a uno ondulatorio, e ci siamo addirittura convinti che la luce è sia onda sia particella, così come lo sono quelle che inizialmente pensavamo fossero solo particelle di materia, come, ad esempio, gli elettroni.

LA LUCE E I NOBEL

Studi del comportamento della luce (o più in generale della radiazione elettromagnetica), e delle sue forme d’interazione con la materia, sono stati spesso premiati con il Nobel, come nel caso dell’effetto fotoelettrico (proprio Einstein, 1921); del laser (Townes, Basov e Prokorov, 1964); dell’invenzione e sviluppo delle tecniche olografiche (Gabor, 1971); della trasmissione della luce in fibre ottiche (Kao, 2009) e, da ultimo, dell’invenzione dei diodi (LED) a emissione di luce blu che hanno permesso di potenziare e rendere più brillanti le fonti di luce bianca consentendo un contestuale risparmio di energia (Akasaki, Amano e Nakamura, 2014).

Innumerevoli sono gli sviluppi tecnologici che sono derivati dagli studi teorici e di laboratorio e la società contemporanea ne è capillarmente permeata, con particolare riferimento all’elaborazione e trasmissione delle informazioni (ICT: tecnologie dell’informazione e delle comunicazioni).
Tra le tecnologie innovative sviluppate più di recente, vi è lo sfruttamento del momento angolare orbitale del fronte d’onda, che potrebbe permettere di raggiungere tassi di trasmissione di dati, via fibre ottiche, enormemente superiori a quanto attualmente possibile (fino a 320 Gb/s), così come un potere risolutivo un ordine di grandezza maggiore del limite di diffrazione, in un qualsiasi strumento ottico – un telescopio ad esempio – caratterizzato appunto, da tale limite. Tra quelle in via di sviluppo, è di ovvio interesse la costruzione di un computer ottico. Utilizzare la luce (i fotoni) anziché gli elettroni richiede molta meno energia e sviluppa molto meno calore. I fotoni, inoltre, si muovono nelle fibre a velocità notevolmente superiore a quella con cui si muovono gli elettroni nei cavi. Un computer ottico, basato su fotoni, ha bisogno però che questi siano in grado di interagire tra di loro modificando reciprocamente il proprio comportamento e questo non è facile: due fotoni che interagiscono nel vuoto, semplicemente si passano attraverso senza disturbarsi.

Ma ecco che ricercatori del MIT, insieme a colleghi dell’Università di Harvard e dell’Università Tecnologica di Vienna, sono riusciti a costruire un dispositivo dove un singolo fotone controlla un commutatore ottico e quindi permette di gestire la trasmissione di luce. È dunque l’analogo ottico di un transistor, il componente fondamentale di un circuito computazionale. Possiamo aspettarci che i fotoni e le fibre ottiche sostituiranno progressivamente gli elettroni e i cavi di rame in un numero sempre maggiore di applicazioni, permettendo ulteriori sviluppi nell’informatica e nelle tecnologie dell’informazione e delle comunicazioni. Così come possiamo immaginare che tecnologie che oggi sono in uno stato abbastanza “primitivo” – come ad esempio quelle relative ai mantelli per l’invisibilità di cui abbiamo parlato tempo addietro (v. “le Stelle” n. 129, pp. 12-13) – progrediscano a tal punto da permettere applicazioni pratiche quotidiane, sia militari sia ludiche. Già, perché le tecnologie basate sulla luce sono sempre più presenti anche nel campo dell’intrattenimento. Non sto pensando agli enormi televisori sottili basati sulla tecnologia LED che già ora ci offrono anche la possibilità di ammirare immagini e filmati tridimensionali, penso piuttosto ai concerti olografici dal vivo, d’impressionante verosimiglianza, dove artisti, anche defunti da tempo (!), cantano e ballano per il piacere dei loro fan. Il primo concerto olografico tridimensionale ha avuto luogo in Giappone nel 2010.

La scorsa primavera, al Billboard Music Award di Las Vegas, in Nevada, gli spettatori hanno potuto assistere a una performance olografica di Michael Jackson (deceduto nel 2009). Più recentemente la tecnica olografica ha permesso a Julian Assange, cofondatore di WikiLeaks, e confinato dal 2012 nell’Ambasciata dell’Equador a Londra, di partecipare a un dibattito con il regista e produttore cinematografico Eugene Jarecki, tenutosi a Nuntacket (Massachusetts) nel settembre del 2014 e conclusosi con un simpatico tentativo di “darsi il cinque” tra persona reale e ologramma.

Nella Korea del Sud il MISP (Ministry of Science, ICT and Future Planning) in collaborazione con Korea Telecom ha inaugurato un teatro concepito per ospitare esclusivamente spettacoli olografici di musica pop, investendo in questa impresa 9,3 miliardi di dollari. Sul sito del Ministero della Scienza, ICT e Programmazione della Repubblica di Korea si legge: “Scienza, tecnologia e ICT: la chiave per un’economia creativa e per un maggior benessere della popolazione”. Che abbiano capito che con la scienza (che è una forma di cultura) si può invece mangiare?

Tommaso Maccacaro

Scienze dello spazio
Istituto Nazionale di Astrofisica

scienzainrete.it

 

Benvenuti nell’era fotonica ultima modifica: 2015-03-06T17:51:48+00:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)