Il moto del fotone

La Luce

- Introduzione all’argomento:

La luce è un fenomeno che ha sempre affascinato l’uomo, anche Galileo Galilei cercò di capire il suo funzionamento, per questo fece degli esperimenti per conoscere la reale velocità di propagazione.

Oggi ci sono due teorie predominanti che spiegano come si propaga il raggio di luce, la prima è la teoria corpuscolare formulata da Isaac Newton, qui la luce viene vista composta da piccole particelle di materia emesse in tutte le direzioni, questa interpretazione è in coerenza con la meccanica Galileiana, qui si può prevedere e spiegare che questi corpuscoli si propaghino in linea retta ed essendo più leggeri vadano ad una velocità molto alta ma non infinita.

La seconda è quella ondulatoria formulata da Christiaan Huygens nel 1678 qui la luce viene vista come un onda che si propaga nell’acqua, questa teoria permette di spiegare molti fenomeni della luce come l’interferenza la diffrazione ecc.

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Adesso provo ad esaminare il comportamento della luce naturale. In fisica la luce naturale è la luce emessa dal sole o da una fiamma, se questa luce colpisce una superficie riflettente produce una radiazione luminosa riflessa risultando però sempre parzialmente polarizzata.

Nella figura 4.1 è rappresentata graficamente una radiazione luminosa, qui si vede il suo percorso ondulatorio, la lunghezza d’onda viene indicata con il simbolo greco l, con una lunghezza d’onda corta corrisponde una frequenza alta, cioè la luce ha un percorso ondulatorio più energetico tendente all’ultravioletto.

La mia ipotesi di studio sul percorso naturale è la seguente: il fotone è una particella corpuscolare senza massa e si propaga con un moto elicoidale.

- Riflessione:

L’idea l’ho avuta leggendo il volume di fisica del Professore Feynman, volume 2-Elettromagnetismo e materia capitolo 19 il principio della minima azione. Lui qui spiega che la materia esegue il moto che gli permette sempre di spendere meno energia possibile per avanzare, ed avere una velocità uniforme su tutto il suo tragitto, perché avere la velocità uniforme è l'unico sistema per spendere meno energia. Semplici regole ma fondamentali (in realtà questo principio è detto di Hamilton, è chiamato così in onore del grande fisico matematico irlandese 1805-1865 lui su questo fenomeno diceva "fra le varie possibilità di moto inanimato, la natura sceglie sempre il cammino più vantaggioso").

Se studiamo il fenomeno (vedi figura 4.2), ci rendiamo conto che nel fare un percorso ondulatorio il fotone deve eseguire delle curve cioè dei cambi di direzione, questo comportamento è dispendioso ed anomalo perché dovrebbe essere una scelta indipendente della materia, ma la materia non ha la possibilità di fare scelte.

Se ci pensiamo bene, tutto ciò che si muove nello spazio, dalla luce alle particelle con massa come gli elettroni ai pianeti comprese le galassie, a prima vista si muovono in linea retta ma nella realtà trovando anche un minimo disturbo (anche gravitazionale) sono costretti a muoversi con una traiettoria orbitale sul piano a due dimensioni, ma nello spazio a tre dimensioni tutto si muove con un percorso che ricorda una elicoidale.

Per provare a dimostrare quello che affermo partiamo dal principio della minima azione.

Qui bisogna anticipare che il fotone di luce nel suo moto deve rispettare queste due semplici regole da prendere come principio:

- Il fotone di luce esegue il moto che gli permette di spendere meno energia possibile per avanzare nell'Etere.

- Il fotone deve avere una velocità uniforme su tutto il suo tragitto, perché avere la velocità uniforme è l'unico sistema per spendere meno energia possibile.

Il fotone nello spazio non viaggia con un sistema ad onde, perché come ho già detto questo sistema l’obbliga ad eseguire dei cambiamenti di direzione, perdendo così l'energia del moto in modo non uniforme, quindi è plausibile che il suo tragitto disegna una linea elicoidale, perché nello spazio libero il moto elicoidale è il moto più efficiente per mantenere la traiettoria e spendere la minima energia.

Il moto elicoidale per lo spazio a tre dimensioni, ha lo stesso effetto del piano inclinato per un sistema a due dimensioni.

Noi sappiamo che il fotone del raggio di luce ha uno spin-1 (spin = trottola in inglese, che è il movimento angolare), lui nell’avanzare si avvita su se stesso come un proiettile e va dritto nella sua direzione. Possiamo ipotizzare che quando il fotone è più energetico la sua velocità relativa è molto alta (la velocità relativa è la sua vera velocità senza considerare il percorso elicoidale cioè non è la velocità di avanzamento lineare, quindi una velocità relativa più alta corrisponde una frequenza più alta), in questo caso il fotone in proporzione ha nell'avanzamento un aumento della resistenza, questo è causato dal volume della particella senza massa, dato che la sua velocità relativa è più alta proporzionalmente per la sua energia, ma la sua velocità effettiva tende a rallentare perché trova più difficoltà nell’avanzare, avendo un moto elicoidale il fotone è obbligato a stringere la spira per migliorare l'angolo di penetrazione per l'avanzamento. Questo succede naturalmente, perché avendo una maggiore energia ha anche una maggiore resistenza di avanzamento. Con questo sistema mantiene sempre uniforme la velocità effettiva di avanzamento, il fotone si comporta nel modo inverso quando perde la sua energia, infatti quando riduce la sua velocità relativa, in proporzione troverà meno resistenza nell’avanzare, trovando meno difficoltà, così può aumentare l'angolo di penetrazione ed automaticamente allarga la sua frequenza mantenendo sempre uniforme la velocità effettiva, ed è per questo che la sua velocità è sempre 299.792.458 m/s, con questa logica il fotone avanza nello spazio mantenendo sempre costante la sua velocità, e spendendo il minimo di energia per viaggiare. Quindi la sua velocità effettiva è direttamente proporzionale al suo moto relativo ma inversamente proporzionale alla resistenza di penetrazione dell'Etere. Questa resistenza dell'Etere è il piano inclinato nello spazio a tre dimensioni ed è una costante fisica, che non permette alla luce di superare mai la velocità di 299.792.458 m/s.

Mi è stato chiesto più volte, perché il fotone dovrebbe avere un moto elicoidale? Può dimostrarlo con certezza? Si!

Il moto elicoidale è il moto naturale per avanzare nello spazio, noi sappiamo che il fotone ha una elevata velocità ed uno spin-1, è proprio il suo movimento angolare cioè la rotazione del fotone a creare il moto elicoidale, perché lui trovandosi di fronte ad un minimo disturbo (l’attrito dell’etere evidenziato dalla sua velocità) riceve dall’etere una spinta o spostamento verso l’esterno dato dal suo spin1 che lo obbliga a deviare il suo tragitto da lineare ad elicoidale, il fotone con questa energia cinetica riesce con il minimo dispendio d’energia a superare la leggera coesione dell’etere, per il fotone il suo moto risulterà sempre lineare, ma nella realtà è elicoidale.

- Riflessione:

L’Etere è rilevante per la luce?

Einstein, esponendo la relatività ristretta affermò, non è rilevante per la luce e forse neanche esiste. Ma a differenza di quello che poteva pensare (di seguito riprenderò l’argomento), l’Etere esiste ed è proprio la sua caratteristica intrinseca, se pur minima a limitare la velocità della luce, l’Etere oppone una minima resistenza ed è proprio per questo che riesce a condizionare tutte le radiazioni conosciute ad una velocità conforme, infatti dalle onde radio poco energetiche ai raggi gamma molto energetici queste radiazioni vanno tutte ad una velocità di circa 300.000km/s, quello che cambia è la lunghezza d’onda, da quelle chilometriche, fino a quelle 10^-8 di metro, ed avere poi una frequenza da alcuni Hertz, a 1025 di Hertz, quindi come in un piano inclinato l’etere fa scorrere tutto alla medesima velocità.

Certo non possiamo pensare ad un Etere elastico, composto da tante particelle con una loro coesione da poter dare all’Etere delle proprietà aggiuntive, ma possiamo immaginare un Etere semplice, che è la base di tutto il conosciuto senza nessuna coesione elastica ma con una sua minima consistenza da poter solo limitare la velocità di tutte le radiazioni.

Quello che bisogna ribadire è, che accettare in natura una velocità limite per la luce corrisponde ad accettare di conseguenza l’esistenza dell’etere. È vero che per molti scienziati moderni (non certo per Einstein), questo è poco importante, dato che l’etere è in tutto l’universo che ci circonda, quindi la velocità limite per la luce è 300.000 km/s ovunque.

Provo a farvi un esempio per capire meglio, la luce come tutte le radiazioni, si comportano rispetto all’etere nello stesso modo di un corpo che cade da un aereo in volo; se studiamo un corpo in caduta libera, scopriremo che l’accelerazione di gravità diminuisce via via, proprio per la forza d’attrito dell'atmosfera, questa forza cresce con l'incremento della velocità di caduta fino ad arrivare ad un equilibrio tra la gravità e la resistenza dell'aria, arrivando così ad una velocità costante del corpo in caduta libera. In questo esempio la risposta è facile la resistenza dell’aria contrasta la forza di gravità, ma se io mi ostinassi a negare l'esistenza dell'aria, non potrei mai spiegare perché un corpo con una massa quando cade non accelera oltre una certa velocità.

Facendo così potrei dare alla velocità o alla massa delle caratteristiche che non hanno, oppure potrei ipotizzare ad un rallentamento del tempo in quella particolare circostanza.

Concludendo, la velocità costante delle radiazioni di energia è un problema strutturale. La consistenza dell'Etere è una costante fisica e può essere rappresentata, Ke=Vc/nl, dove Ke è la costante di avanzamento della luce, Vc è la velocità potenziale della luce e nl è il numero di intervalli delle spire elicoidali. Si può dire che la frequenza della luce è determinata dalla velocità potenziale del fotone diviso la resistenza dell'Etere, perciò avremo nl =Vc/Ke se vogliamo sapere la velocità potenziale del fotone dovremmo fare Vc=nl Ke.

APPROFONDIMENTI:

Spin-1 del fotone

Come abbiamo visto il moto elicoidale viene determinato dalla combinazione di due fatti che si sommano, lo spin-1 del fotone e la leggera coesione dell’Etere, la domanda successiva che ci poniamo è, perché la particella senza massa del fotone ha uno spin-1?

Per rispondere a questa domanda non dobbiamo cercare soluzioni matematicamente complesse, possiamo semplicemente ipotizzare che la particella del fotone non sia perfettamente bilanciata, o il suo volume viene sollecitato in un modo non uniforme, quindi nell’avanzare si evidenziano delle difformità di resistenza all’energia che l’investe, qui per capire potete immaginare una foglia quando cade in autunno, lei nel cadere per gravità non avendo la forma di una sfera cade girando su se stessa, questo succede proprio perché oppone una resistenza all’aria non uniforme per colpa della sua forma frastagliata.

La luce polarizzata

Per cercare di capire la luce polarizzata iniziamo dalla luce naturale, qui le onde dei raggi di luce si propagano con un comportamento isotropo, cioè in tutte le direzioni questo moto è coerente con un moto elicoidale. Invece se studiamo un raggio polarizzato, le sue onde di propagazione sono orientate su un piano, quindi se parliamo di polarizzazione di un raggio di luce vuol dire che le sue onde sono disposte su un piano vettoriale, qui potrebbe essere più difficile spiegare l’esistenza del moto elicoidale del fotone. Questo almeno in apparenza...

Come può coesistere il moto elicoidale del fotone anche nella luce polarizzata?

Adesso mi permetto di fare una semplice ipotesi da verificare sperimentalmente; quando la luce naturale si riflette su uno specchio, ha di fatto un impatto contro una superficie riflettente, nel fare questo perde una minima parte della sua energia e devia il suo percorso, mantenendo con la riflessione lo stesso angolo d’impatto, quando la luce naturale si riflette su uno specchio questa diventa parzialmente polarizzata. Per capire la luce polarizzata proviamo a studiare il comportamento meccanico di un raggio di luce riflesso.

Per far questo immaginiamo di stare a “cavallo del fotone” di un raggio di luce naturale, come fosse un asteroide, salendoci sopra noi ci posizioniamo nel verso della sua direzione di moto, per guardare come un cavaliere la direzione di viaggio. Prima di subire l’impatto il raggio ha un percorso elicoidale e noi da sopra invece abbiamo la reale sensazione di andare dritti, infatti la nostra meta è sempre di fronte a noi. Invece quando ci scontriamo con lo specchio con un angolo d’impatto ipotesi di 30° costatiamo che nell’impatto perdiamo poca energia (frequenza), ma ci rendiamo conto che il nostro asteroide viene sbalzato dallo specchio con lo stesso angolo di 30°, però constatiamo che il nostro asteroide/fotone ha un percorso obliquo, cioè noi non guardiamo più la direzione del moto e il nostro asteroide non viaggia più dritto, il suo percorso elicoidale risulta schiacciato obliquamente, a noi adesso sembra di viaggiare linearmente ma in obliquo, questo per l’asteroide/fotone (senza il cavaliere) non avendo un davanti o un dietro per lui il moto risulta normale nella direzione ma inclinato nell’avanzamento questo tragitto se visto dall’esterno risulta elicoidale ma con le spire inclinate su un piano vettoriale.

Per far capire meglio provo a farvi un paragone, l'impatto con lo specchio crea ai raggi di luce un moto con uno spostamento laterale, questo ricorda molto il moto di un frisby da spiaggia, infatti il frisby ruotando avanza inclinato indisturbato, quindi possiamo pensare che anche il moto della luce polarizzata risulta coerente con il moto elicoidale.