Cos'è un fotone e qual è la sua forma: la scoperta rivoluzionaria sulla più piccola unità di energia
Uno studio condotto dai fisici dell'università di Birmingham ha permesso per la prima volta di definire la forma di un singolo fotone
Ogni nuova scoperta nel campo delle particelle subatomiche è un passo significativo verso la comprensione dei misteri che regolano l’universo. Va in questa direzione lo studio che ha permesso per la prima volta di definire la forma precisa di un singolo fotone, la particella che costituisce la luce.
- Cos'è un fotone
- La forma del fotone
- Lo studio sulla forma del fotone
- Dalla scoperta nuove opportunità
Cos’è un fotone
Il fotone è una delle particelle elementari descritte dal Modello Standard della fisica, il “mattoncino” alla base della radiazione luminosa.
Il concetto di fotone nasce tra il 1900 e il 1905 dagli studi di Max Planck e Albert Einstein, che intuirono come la luce fosse composta di particelle, quanti di energia poi chiamati fotoni.
Il fotone ha massa nulla e non trasporta alcuna carica elettrica; poiché non decade spontaneamente, la sua vita media è infinita. Viene descritto dal vettore d’onda, che determina la lunghezza d’onda e la sua direzione di propagazione.
La forma del fotone
Stando al modello della meccanica quantistica che regola il mondo subatomico, il fotone e le altre particelle elementari possono comportarsi sia come particella che come onda, a seconda di come vengono osservate.
Questo, unito alle infine possibilità della luce di propagarsi attraverso l’ambiente, rendono molto difficile calcolare le interazioni tra i fotoni e modellarne la forma.
Dato che si tratta di una particella subatomica, con il termine forma si indica qualcosa di ben diverso dal concetto a cui siamo abituati: una distribuzione dell’intensità della particella, una sorta di mappa di dove ci si aspetta di trovare il fotone in un determinato momento.
Per decenni gli scienziati hanno cercato di modellare la forma di un singolo fotone, ora un gruppo di ricercatori dell’università di Birmigham, in Gran Bretagna, ha trovato la soluzione.
Lo studio sulla forma del fotone
I dettagli dello studio che ha portato per la prima volta a definire la forma di un singolo fotone sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.
I ricercatori guidati dal fisico Benjamin Yuen hanno usato un approccio che combina la meccanica classica e la teoria quantistica.
Studiando come la luce e la materia interagiscono a livello quantistico, sono riusciti a trovare un modo per ridurre le infinite possibilità di interazione dei fotoni in insiemi discreti, arrivando così a creare una visualizzazione matematicamente accurata della forma di un fotone.
“I nostri calcoli ci hanno permesso di convertire un problema apparentemente irrisolvibile in qualcosa che può essere calcolato. Siamo stati in grado di produrre questa immagine di un fotone, qualcosa che non era mai stato visto prima in fisica”, ha dichiarato Yuen.
Dalla scoperta nuove opportunità
L’impatto di questa importante scoperta va ben oltre la teoria fisica, dato che apre a diverse nuove opportunità nel campo della tecnologia.
Essere in grado di definire con precisione come un fotone interagisce con la materia e con l’ambiente potrebbe portare a miglioramenti significativi in diverse aree applicative, a partire dal campo della nano-ottica.
Gli scienziati potranno sviluppare nuove tecnologie per la comunicazione, per l’informatica quantistica e per la progettazione di celle solari più efficienti.