Luce

La luce è una radiazione elettromagnetica all’interno di una determinata porzione dello spettro elettromagnetico. La parola di solito si riferisce alla luce visibile, che è lo spettro visibile che è visibile all’occhio umano ed è responsabile del senso della vista. La luce visibile viene generalmente definita come avente lunghezze d’onda nell’intervallo tra 400-700 nanometri (nm) o tra 4,00 × 10-7 e 7,00 × 10-7 m, tra l’infrarosso (con lunghezze d’onda maggiori) e l’ultravioletto (con lunghezze d’onda più corte) . Questa lunghezza d’onda indica una gamma di frequenze di circa 430-750 terahertz (THz).

La principale fonte di luce sulla Terra è il Sole. La luce solare fornisce l’energia che le piante verdi usano per creare zuccheri principalmente sotto forma di amidi, che rilasciano energia nelle cose viventi che li digeriscono. Questo processo di fotosintesi fornisce praticamente tutta l’energia usata dagli esseri viventi. Storicamente, un’altra importante fonte di luce per gli umani è stata il fuoco, dagli antichi fuochi da campo alle moderne lampade a cherosene. Con lo sviluppo di luci elettriche e sistemi di alimentazione, l’illuminazione elettrica ha effettivamente sostituito la luce del fuoco. Alcune specie di animali generano la propria luce, un processo chiamato bioluminescenza. Ad esempio, le lucciole usano la luce per localizzare gli amici, e i calamari vampiri lo usano per nascondersi dalla preda.

Le proprietà primarie della luce visibile sono intensità, direzione di propagazione, spettro di frequenza o lunghezza d’onda e polarizzazione, mentre la sua velocità nel vuoto, 299.792.458 metri al secondo, è una delle costanti fondamentali della natura. La luce visibile, come con tutti i tipi di radiazioni elettromagnetiche (EMR), si trova sperimentalmente muoversi sempre a questa velocità nel vuoto.

In fisica, il termine luce a volte si riferisce alla radiazione elettromagnetica di qualsiasi lunghezza d’onda, visibile o meno. In questo senso, anche i raggi gamma, i raggi X, le microonde e le onde radio sono leggeri. Come tutti i tipi di radiazione EM, la luce visibile si propaga come onde. Tuttavia, l’energia impartita dalle onde viene assorbita in singole posizioni nel modo in cui le particelle vengono assorbite. L’energia assorbita dalle onde EM è chiamata fotone e rappresenta i quanti di luce. Quando un’ondata di luce viene trasformata e assorbita come un fotone, l’energia dell’onda collassa istantaneamente in una singola posizione, e questa posizione è dove il fotone “arriva”. Questo è ciò che viene chiamato collasso della funzione d’onda. Questa natura di luce a doppia onda e particella della luce è conosciuta come la dualità onda-particella. Lo studio della luce, noto come ottica, è un’importante area di ricerca nella fisica moderna.

Spettro elettromagnetico e luce visibile
Generalmente, la radiazione EM, o EMR (la designazione “radiazione” esclude campi elettrostatici e magnetici e campi vicini), è classificata per lunghezza d’onda in radio, microonde, infrarosso, la regione visibile che percepiamo come luce, raggi ultravioletti, raggi X e gamma raggi.

Il comportamento dell’EMR dipende dalla sua lunghezza d’onda. Le frequenze più alte hanno lunghezze d’onda più corte e le frequenze più basse hanno lunghezze d’onda più lunghe. Quando EMR interagisce con singoli atomi e molecole, il suo comportamento dipende dalla quantità di energia per quantum che trasporta.

L’EMR nella regione della luce visibile è costituita da quanti (chiamati fotoni) che si trovano all’estremità inferiore delle energie che sono in grado di causare eccitazione elettronica all’interno delle molecole, il che porta a cambiamenti nel legame o nella chimica della molecola. All’estremità inferiore dello spettro di luce visibile, l’EMR diventa invisibile agli esseri umani (infrarossi) perché i suoi fotoni non hanno più abbastanza energia individuale per causare un cambiamento molecolare duraturo (un cambiamento nella conformazione) nella retina della molecola visiva nella retina umana, che il cambiamento innesca la sensazione della visione.

Esistono animali sensibili a vari tipi di infrarossi, ma non tramite l’assorbimento quantico. Il rilevamento a infrarossi nei serpenti dipende da una sorta di termografia naturale, in cui piccoli pacchetti di acqua cellulare vengono sollevati in temperatura dalla radiazione infrarossa. L’EMR in questa gamma causa vibrazioni molecolari e effetti di riscaldamento, che è il modo in cui questi animali lo rilevano.

Al di sopra della gamma della luce visibile, la luce ultravioletta diventa invisibile agli esseri umani, principalmente perché è assorbita dalla cornea sotto 360 nanometri e dalla lente interna inferiore a 400. Inoltre, le aste e i coni posti nella retina dell’occhio umano non possono rilevare proprio lunghezze d’onda ultraviolette corte (inferiori a 360 nm) e sono infatti danneggiate dall’ultravioletto. Molti animali con gli occhi che non richiedono lenti (come insetti e gamberetti) sono in grado di rilevare i raggi ultravioletti, dai meccanismi quantistici di assorbimento dei fotoni, in gran parte dello stesso modo chimico con cui gli esseri umani rilevano la luce visibile.

Varie fonti definiscono la luce visibile da 420 a 680 a un valore che va da 380 a 800 nm. In condizioni di laboratorio ideali, le persone possono vedere gli infrarossi fino ad almeno 1050 nm; i bambini e i giovani adulti possono percepire le lunghezze d’onda dell’ultravioletto fino a circa 310 – 313 nm.

La crescita delle piante è anche influenzata dallo spettro cromatico della luce, un processo noto come fotomorfogenesi.

Velocità della luce
La velocità della luce nel vuoto è definita essere esattamente 299.792.458 m / s (circa 186.282 miglia al secondo). Il valore fisso della velocità della luce nelle unità SI deriva dal fatto che il contatore è ora definito in termini di velocità della luce. Tutte le forme di radiazione elettromagnetica si muovono esattamente alla stessa velocità nel vuoto.

Diversi fisici hanno tentato di misurare la velocità della luce nel corso della storia. Galileo tentò di misurare la velocità della luce nel diciassettesimo secolo. Un primo esperimento per misurare la velocità della luce fu condotto da Ole Rømer, un fisico danese, nel 1676. Usando un telescopio, Rømer osservò i moti di Giove e una delle sue lune, Io. Notando discrepanze nel periodo apparente dell’orbita di Io, ha calcolato che la luce impiega circa 22 minuti per attraversare il diametro dell’orbita terrestre. Tuttavia, la sua dimensione non era nota in quel momento. Se Rømer avesse conosciuto il diametro dell’orbita terrestre, avrebbe calcolato una velocità di 227.000.000 m / s.

Un’altra misurazione più accurata della velocità della luce fu eseguita in Europa da Hippolyte Fizeau nel 1849. Fizeau diresse un raggio di luce su uno specchio a diversi chilometri di distanza. Una ruota dentata rotante è stata posizionata nel percorso del raggio luminoso mentre viaggiava dalla sorgente, allo specchio e quindi tornava alla sua origine. Fizeau scoprì che a una certa velocità di rotazione, il raggio passava attraverso una fessura nella ruota sulla via d’uscita e il successivo spazio sulla via del ritorno. Conoscendo la distanza dallo specchio, il numero di denti sulla ruota e il tasso di rotazione, Fizeau è stato in grado di calcolare la velocità della luce come 313.000.000 m / s.

Léon Foucault realizzò un esperimento che utilizzò specchi rotanti per ottenere un valore di 298.000.000 m / s nel 1862. Albert A. Michelson condusse esperimenti sulla velocità della luce dal 1877 fino alla sua morte nel 1931. Ha perfezionato i metodi di Foucault nel 1926 usando una rotazione migliorata specchi per misurare il tempo impiegato per fare un giro dal Monte Wilson al Monte San Antonio in California. Le misurazioni precise hanno prodotto una velocità di 299.796.000 m / s.

La velocità effettiva della luce in varie sostanze trasparenti contenenti materia ordinaria è inferiore a quella del vuoto. Ad esempio, la velocità della luce in acqua è di circa 3/4 di quella nel vuoto.

Due gruppi di fisici indipendenti dissero di portare alla luce un “completo arresto” facendolo passare attraverso un condensato di Bose-Einstein dell’elemento rubidio, una squadra all’Università di Harvard e il Rowland Institute for Science a Cambridge, nel Massachusetts, e l’altra a l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, sempre a Cambridge. Tuttavia, la popolare descrizione della luce “arrestata” in questi esperimenti si riferisce solo alla memorizzazione della luce negli stati eccitati degli atomi, quindi riemessi in un tempo successivo arbitrario, come stimolato da un secondo impulso laser. Durante il tempo in cui si era “fermato”, aveva cessato di essere leggero.

Ottica
Lo studio della luce e l’interazione tra luce e materia sono definiti ottica. L’osservazione e lo studio di fenomeni ottici come arcobaleni e aurora boreale offrono molti indizi sulla natura della luce.

Rifrazione

Un esempio di rifrazione della luce. La cannuccia appare piegata, a causa della rifrazione della luce che entra nel liquido dall’aria.

La rifrazione è la flessione dei raggi luminosi quando si passa attraverso una superficie tra un materiale trasparente e un altro. È descritto dalla legge di Snell:


dove θ1 è l’angolo tra il raggio e la superficie normale nel primo mezzo, θ2 è l’angolo tra il raggio e la superficie normale nel secondo mezzo, e n1 e n2 sono gli indici di rifrazione, n = 1 nel vuoto e n> 1 in una sostanza trasparente.

Quando un raggio di luce attraversa il confine tra un vuoto e un altro mezzo, o tra due media diversi, la lunghezza d’onda della luce cambia, ma la frequenza rimane costante. Se il raggio di luce non è ortogonale (o piuttosto normale) al confine, il cambiamento nella lunghezza d’onda provoca un cambiamento nella direzione del raggio. Questo cambio di direzione è noto come rifrazione.

La qualità di rifrazione delle lenti viene spesso utilizzata per manipolare la luce al fine di modificare la dimensione apparente delle immagini. Lenti d’ingrandimento, occhiali, lenti a contatto, microscopi e telescopi rifrattori sono tutti esempi di questa manipolazione.

Fonti di luce
Ci sono molte fonti di luce. Un corpo ad una determinata temperatura emette uno spettro caratteristico di radiazione del corpo nero. Una semplice fonte termica è la radiazione solare, la radiazione emessa dalla cromosfera del Sole a circa 6.000 kelvin (5.730 gradi Celsius, 10.340 gradi Fahrenheit) picchi nella regione visibile dello spettro elettromagnetico quando è rappresentata in unità di lunghezza d’onda e circa il 44% dell’energia solare che raggiunge il suolo è visibile. Un altro esempio sono le lampadine a incandescenza, che emettono solo circa il 10% della loro energia come luce visibile e il resto come infrarosso. Una fonte di luce termica comune nella storia è le particelle solide incandescenti in fiamme, ma anche queste emettono la maggior parte delle loro radiazioni nell’infrarosso, e solo una frazione dello spettro visibile.

Il picco dello spettro del corpo nero è nell’infrarosso profondo, a una lunghezza d’onda di circa 10 micrometri, per oggetti relativamente freddi come gli esseri umani. All’aumentare della temperatura, il picco si sposta su lunghezze d’onda più corte, producendo prima un bagliore rosso, poi uno bianco, e infine un colore blu-bianco quando il picco si sposta dalla parte visibile dello spettro e nell’ultravioletto. Questi colori possono essere visti quando il metallo viene riscaldato su “rosso caldo” o “bianco caldo”. L’emissione termica blu-bianca non si vede spesso, tranne nelle stelle (il colore blu puro comunemente visto in una fiamma di gas o la torcia di un saldatore è in effetti dovuto all’emissione molecolare, in particolare dai radicali CH (che emettono una banda di lunghezza d’onda intorno a 425 nm, e non è visto in stelle o radiazione termica pura).

Gli atomi emettono e assorbono la luce a energie caratteristiche. Questo produce “linee di emissione” nello spettro di ciascun atomo. Le emissioni possono essere spontanee, come nei diodi a emissione di luce, nelle lampade a scarica di gas (come lampade al neon e neon, lampade ai vapori di mercurio, ecc.) E nelle fiamme (luce proveniente dal gas caldo stesso, quindi, ad esempio, sodio in una fiamma di gas emette una caratteristica luce gialla). L’emissione può anche essere stimolata, come in un laser o un maser a microonde.

La decelerazione di una particella carica libera, come un elettrone, può produrre radiazione visibile: la radiazione di ciclotrone, la radiazione di sincrotrone e la radiazione di bremsstrahlung sono tutti esempi di questo. Le particelle che si muovono attraverso un mezzo più veloce della velocità della luce in quel mezzo possono produrre radiazioni Cherenkov visibili. Alcune sostanze chimiche producono radiazioni visibili mediante chemoluminescenza. Negli esseri viventi, questo processo è chiamato bioluminescenza. Ad esempio, le lucciole producono luce con questo mezzo e le barche che si muovono attraverso l’acqua possono disturbare il plancton che produce una scia incandescente.

Alcune sostanze producono luce quando sono illuminate da radiazioni più energetiche, un processo noto come fluorescenza. Alcune sostanze emettono luce lentamente dopo l’eccitazione da radiazioni più energetiche. Questo è noto come fosforescenza. I materiali fosforescenti possono anche essere eccitati bombardandoli con particelle subatomiche. La catodoluminescenza è un esempio. Questo meccanismo è utilizzato nei televisori a tubo catodico e nei monitor dei computer.

Alcuni altri meccanismi possono produrre luce:

Bioluminescenza
Radiazione di Cherenkov
elettroluminescenza
scintillazione
sonoluminescenza
triboluminescence

Quando il concetto di luce intende includere fotoni ad altissima energia (raggi gamma), i meccanismi di generazione aggiuntivi includono:

Annientamento particella-antiparticella
Decadimento radioattivo

Leggera pressione
La luce esercita una pressione fisica sugli oggetti nel suo percorso, un fenomeno che può essere dedotto dalle equazioni di Maxwell, ma può essere più facilmente spiegato dalla natura particellare della luce: i fotoni colpiscono e trasferiscono il loro momento. La leggera pressione è uguale alla potenza del fascio di luce diviso per c, la velocità della luce. A causa della grandezza di c, l’effetto della leggera pressione è trascurabile per gli oggetti di uso quotidiano. Ad esempio, un puntatore laser da un milliwatt esercita una forza di circa 3,3 piconewton sull’oggetto da illuminare; così, si potrebbe sollevare un penny americano con puntatori laser, ma così facendo sarebbero necessari circa 30 miliardi di puntatori laser da 1 mW. Tuttavia, in applicazioni su scala nanometrica come i sistemi nanoelettromeccanici (NEMS), l’effetto della pressione leggera è più significativo, e sfruttare la leggera pressione per guidare i meccanismi NEMS e capovolgere gli switch fisici su scala nanometrica nei circuiti integrati è un’area attiva di ricerca . A scale più grandi, la leggera pressione può far girare gli asteroidi più velocemente, agendo sulle loro forme irregolari come sulle pale di un mulino a vento. Anche la possibilità di costruire vele solari che accelererebbero le astronavi nello spazio è sotto inchiesta.

Sebbene il movimento del radiometro di Crookes fosse originariamente attribuito a una leggera pressione, questa interpretazione non è corretta; la rotazione caratteristica di Crookes è il risultato di un vuoto parziale. Questo non deve essere confuso con il radiometro Nichols, in cui il (leggero) movimento causato dalla coppia (sebbene non sufficiente per la piena rotazione contro l’attrito) è direttamente causato dalla leggera pressione. Come conseguenza della leggera pressione, nel 1909 Einstein predisse l’esistenza di “attrito radiante” che si sarebbe opposto al movimento della materia. Ha scritto, “le radiazioni eserciteranno pressione su entrambi i lati della piastra. Le forze di pressione esercitate sui due lati sono uguali se la piastra è a riposo. Tuttavia, se è in movimento, più radiazioni si rifletteranno sulla superficie che è avanti durante il movimento (superficie frontale) rispetto alla superficie posteriore. La forza di pressione all’indietro esercitata sulla superficie frontale è quindi più grande della forza di pressione che agisce sul retro. Quindi, come risultante delle due forze, rimane una forza che contrasta il movimento della piastra e che aumenta con la velocità della piastra. Chiameremo questo risultante ‘attrito radiativo’ in breve. ”

Teorie storiche sulla luce, in ordine cronologico
Nel quinto secolo aC, Empedocle postulò che tutto era composto da quattro elementi; fuoco, aria, terra e acqua. Credeva che Afrodite facesse l’occhio umano fuori dai quattro elementi e che accendesse il fuoco nell’occhio che splendeva dall’occhio rendendolo possibile. Se questo fosse vero, allora si poteva vedere durante la notte proprio come durante il giorno, così Empedocle postulò un’interazione tra i raggi degli occhi e dei raggi di una fonte come il sole.

Nel 300 aC circa, Euclide scrisse Optica, in cui studiò le proprietà della luce. Euclide ipotizzò che la luce viaggiasse in linea retta e descrisse le leggi della riflessione e le studiò matematicamente. Ha messo in dubbio che la vista è il risultato di un raggio dall’occhio, perché chiede come si vedono immediatamente le stelle, se si chiudono gli occhi, poi si aprono di notte. Se il raggio dell’occhio viaggia infinitamente veloce, questo non è un problema.

Nel 55 aC Lucrezio, un romano che portò avanti le idee dei primi atomisti greci, scrisse che “La luce e il calore del sole, questi sono composti da minute atomi che, quando vengono spinti, non perdono tempo a sparare attraverso l’intercapedine d’aria nella direzione impartita dalla spinta. ” (da On the nature of the Universe). Nonostante fosse simile alle teorie sulle particelle successive, le visioni di Lucrezio non erano generalmente accettate. Tolomeo (c. 2 ° secolo) ha scritto sulla rifrazione della luce nel suo libro Ottica.

India classica
Nell’antica India, le scuole indù di Samkhya e Vaisheshika, dai primi secoli dell’AD, svilupparono teorie sulla luce. Secondo la scuola di Samkhya, la luce è uno dei cinque elementi “sottili” fondamentali (tanmatra) dai quali emergono gli elementi grossolani. L’atomicità di questi elementi non è specificamente menzionata e sembra che siano stati effettivamente considerati come continui. D’altra parte, la scuola Vaisheshika dà una teoria atomica del mondo fisico sul terreno non atomico di etere, spazio e tempo. (Vedi atomismo indiano.) Gli atomi di base sono quelli di terra (prthivi), acqua (pani), fuoco (agni) e aria (vayu). I raggi di luce sono considerati una corrente ad alta velocità di atomi di tejas (fuoco). Le particelle di luce possono presentare caratteristiche diverse a seconda della velocità e delle disposizioni degli atomi di tejas. Il Vishnu Purana si riferisce alla luce del sole come “i sette raggi del sole”.

I buddhisti indiani, come Dignāga nel V secolo e Dharmakirti nel 7 ° secolo, svilupparono un tipo di atomismo che è una filosofia sulla realtà composta da entità atomiche che sono lampi di luce o energia momentanea. Hanno considerato la luce come un’entità atomica equivalente all’energia.

Cartesio
René Descartes (1596-1650) sostenne che la luce era una proprietà meccanica del corpo luminoso, rifiutando le “forme” di Ibn al-Haytham e Witelo e le “specie” di Bacon, Grosseteste e Keplero. Nel 1637 pubblicò una teoria della rifrazione della luce che presupponeva, erroneamente, che la luce viaggiava più velocemente in un mezzo più denso che in un mezzo meno denso. Cartesio arrivò a questa conclusione per analogia con il comportamento delle onde sonore. Sebbene Descartes non fosse corretto riguardo alle velocità relative, aveva ragione nell’assumere che la luce si comportasse come un’onda e nel concludere che la rifrazione poteva essere spiegata dalla velocità della luce su diversi media.

Cartesio non è il primo a utilizzare le analogie meccaniche, ma poiché afferma chiaramente che la luce è solo una proprietà meccanica del corpo luminoso e del mezzo trasmittente, la teoria della luce di Descartes è considerata l’inizio dell’ottica fisica moderna.

Teoria delle particelle
Pierre Gassendi (1592-1655), un atomista, propose una teoria delle particelle di luce che fu pubblicata postuma nel 1660. Isaac Newton studiò le opere di Gassendi in tenera età e preferì la sua visione della teoria del plenum di Descartes. Dichiarò nella sua Ipotesi di luce del 1675 che la luce era composta da corpuscoli (particelle di materia) che venivano emessi in tutte le direzioni da una fonte. Uno degli argomenti di Newton contro la natura ondulatoria della luce era che si sapeva che le onde si piegavano intorno agli ostacoli, mentre la luce viaggiava solo in linea retta. Tuttavia, spiegò il fenomeno della diffrazione della luce (che era stato osservato da Francesco Grimaldi) permettendo che una particella di luce potesse creare un’onda localizzata nell’etere.

La teoria di Newton poteva essere usata per prevedere il riflesso della luce, ma poteva solo spiegare la rifrazione assumendo erroneamente che la luce accelerasse entrando in un mezzo più denso perché la forza gravitazionale era maggiore. Newton pubblicò la versione finale della sua teoria nei suoi Opticks del 1704. La sua reputazione aiutò la teoria delle particelle della luce a dominare durante il XVIII secolo. La teoria delle particelle della luce spinse Laplace a sostenere che un corpo poteva essere così massiccio che la luce non poteva fuggire da esso. In altre parole, diventerebbe quello che ora viene chiamato un buco nero. Laplace ritirò il suo suggerimento più tardi, dopo che una teoria ondulatoria della luce divenne stabilmente stabilita come modello per la luce (come è stato spiegato, né una teoria delle particelle o delle onde è completamente corretta). Una traduzione del saggio di Newton sulla luce appare nella struttura a grande scala dello spazio-tempo, di Stephen Hawking e George FR Ellis.

Il fatto che la luce potesse essere polarizzata fu per la prima volta spiegata qualitativamente da Newton usando la teoria delle particelle. Étienne-Louis Malus nel 1810 creò una teoria delle particelle matematiche della polarizzazione. Jean-Baptiste Biot nel 1812 dimostrò che questa teoria spiegava tutti i fenomeni noti di polarizzazione della luce. A quel tempo la polarizzazione era considerata la prova della teoria delle particelle.

Teoria delle onde
Per spiegare l’origine dei colori, Robert Hooke (1635-1703) sviluppò una “teoria dell’impulso” e confrontò la diffusione della luce con quella delle onde nell’acqua nella sua opera Micrographia del 1665 (“Osservazione IX”). Nel 1672 Hooke suggerì che le vibrazioni della luce potevano essere perpendicolari alla direzione di propagazione. Christiaan Huygens (1629-1695) elaborò una teoria ondulatoria matematica della luce nel 1678 e la pubblicò nel suo Trattato sulla luce nel 1690. Propose che la luce fosse emessa in tutte le direzioni come una serie di onde in un medium chiamato Luminiferous ether . Poiché le onde non sono influenzate dalla gravità, si presumeva che esse rallentassero entrando in un mezzo più denso.

Christiaan Huygens.
La teoria delle onde prevedeva che le onde luminose potessero interferire tra loro come le onde sonore (come rilevato intorno al 1800 da Thomas Young). Young ha mostrato per mezzo di un esperimento di diffrazione che la luce si comportava come onde. Ha anche proposto che diversi colori fossero causati da diverse lunghezze d’onda della luce, e ha spiegato la visione dei colori in termini di recettori a tre colori nell’occhio. Un altro sostenitore della teoria delle onde fu Leonhard Euler. Egli sostenne in Nova theoria lucis et colorum (1746) che la diffrazione poteva essere spiegata più facilmente con una teoria delle onde. Nel 1816 André-Marie Ampère diede ad Augustin-Jean Fresnel l’idea che la polarizzazione della luce potesse essere spiegata dalla teoria delle onde se la luce fosse un’onda trasversale.

Più tardi, Fresnel elaborò autonomamente la propria teoria della luce delle onde e la presentò all’Académie des Sciences nel 1817. Siméon Denis Poisson aggiunse al lavoro matematico di Fresnel per produrre un argomento convincente a favore della teoria delle onde, contribuendo a ribaltare la teoria corpuscolare di Newton . Entro il 1821, Fresnel fu in grado di dimostrare attraverso metodi matematici che la polarizzazione poteva essere spiegata dalla teoria ondulatoria della luce e solo se la luce era interamente trasversale, senza alcuna vibrazione longitudinale.

La debolezza della teoria ondulatoria era che le onde luminose, come le onde sonore, avrebbero bisogno di un mezzo per la trasmissione. L’esistenza dell’ipotetica sostanza etere luminifero proposta da Huygens nel 1678 fu gettata in forte dubbio alla fine del diciannovesimo secolo dall’esperimento Michelson-Morley.

La teoria corpuscolare di Newton implicava che la luce viaggerebbe più velocemente in un mezzo più denso, mentre la teoria ondulatoria di Huygens e altri implicava il contrario. A quel tempo, la velocità della luce non poteva essere misurata con precisione sufficiente per decidere quale teoria fosse corretta. Il primo a fare una misurazione sufficientemente accurata fu Léon Foucault, nel 1850. Il suo risultato sostenne la teoria ondulatoria, e la teoria delle particelle classica fu infine abbandonata, per poi riemergere in parte nel XX secolo.

Teoria elettromagnetica

Un rendering tridimensionale di onde luminose linearmente polarizzate congelate nel tempo e che mostrano le due componenti oscillanti della luce; un campo elettrico e un campo magnetico perpendicolare l’uno all’altro e alla direzione del movimento (un’onda trasversale).
Nel 1845, Michael Faraday scoprì che il piano di polarizzazione della luce linearmente polarizzata viene ruotato quando i raggi di luce viaggiano lungo la direzione del campo magnetico in presenza di un dielettrico trasparente, un effetto ora noto come rotazione di Faraday. Questa fu la prima prova che la luce era correlata all’elettromagnetismo. Nel 1846 ipotizzò che la luce potesse essere una forma di disturbo che si propagava lungo le linee del campo magnetico. Faraday propose nel 1847 che la luce fosse una vibrazione elettromagnetica ad alta frequenza, che poteva propagarsi anche in assenza di un mezzo come l’etere.

Il lavoro di Faraday ha ispirato James Clerk Maxwell a studiare le radiazioni e la luce elettromagnetica. Maxwell scoprì che le onde elettromagnetiche auto-propaganti avrebbero viaggiato attraverso lo spazio a una velocità costante, che era uguale alla velocità della luce misurata in precedenza. Da questo, Maxwell concluse che la luce era una forma di radiazione elettromagnetica: per la prima volta affermò questo risultato nel 1862 in On Physical Lines of Force. Nel 1873 pubblicò un Trattato sull’elettricità e il magnetismo, che conteneva una descrizione matematica completa del comportamento dei campi elettrici e magnetici, ancora noti come equazioni di Maxwell. Poco dopo, Heinrich Hertz ha confermato la teoria di Maxwell sperimentalmente generando e rilevando le onde radio in laboratorio e dimostrando che queste onde si sono comportate esattamente come la luce visibile, esibendo proprietà come riflessione, rifrazione, diffrazione e interferenza. La teoria di Maxwell e gli esperimenti di Hertz hanno portato direttamente allo sviluppo di radio, radar, televisione, immagini elettromagnetiche e comunicazioni wireless moderne.

Nella teoria dei quanti, i fotoni sono visti come pacchetti d’onde delle onde descritte nella teoria classica di Maxwell. La teoria dei quanti era necessaria per spiegare gli effetti anche con la luce visuale che la teoria classica di Maxwell non poteva (come le linee spettrali).

Teoria dei quanti
Nel 1900 Max Planck, tentando di spiegare le radiazioni del corpo nero, suggerì che sebbene la luce fosse un’onda, queste onde potevano guadagnare o perdere energia solo in quantità finite legate alla loro frequenza. Planck chiamava questi “grumi” di “quanti” di energia luminosa (da una parola latina per “quanto”). Nel 1905, Albert Einstein usò l’idea dei quanti di luce per spiegare l’effetto fotoelettrico e suggerì che questi quanti di luce avessero un’esistenza “reale”. Nel 1923 Arthur Holly Compton mostrò che lo spostamento di lunghezza d’onda visto quando i raggi X a bassa intensità sparsi dagli elettroni (il cosiddetto scattering di Compton) potevano essere spiegati da una teoria delle particelle dei raggi X, ma non da una teoria ondulatoria. Nel 1926 Gilbert N. Lewis chiamò questi fotoni di particelle di quanti di luce.

Alla fine, la teoria moderna della meccanica quantistica ha visto la luce come (in un certo senso) sia una particella che un’onda, e (in un altro senso), come un fenomeno che non è né una particella né un’onda (che in realtà sono fenomeni macroscopici, tali come baseball o onde oceaniche). Invece, la fisica moderna vede la luce come qualcosa che può essere descritta a volte con una matematica appropriata a un tipo di metafora macroscopica (particelle) ea volte un’altra metafora macroscopica (onde d’acqua), ma in realtà è qualcosa che non può essere completamente immaginata. Come nel caso delle onde radio e dei raggi X coinvolti nella diffusione di Compton, i fisici hanno notato che la radiazione elettromagnetica tende a comportarsi più come un’onda classica a frequenze più basse, ma più come una particella classica a frequenze più alte, ma non perde mai completamente tutti qualità dell’uno o dell’altro. La luce visibile, che occupa una via di mezzo in frequenza, può essere facilmente mostrata negli esperimenti per essere descrivibile usando un modello di onda o di particelle o, a volte, entrambi.

Nel febbraio 2018, gli scienziati hanno segnalato, per la prima volta, la scoperta di una nuova forma di luce, che potrebbe coinvolgere i polaritoni, che potrebbe essere utile nello sviluppo di computer quantistici.