I fotoni: la forma più sottile della materia, secondo De Broglie

In "La luce e il mondo fisico",* Louis De Broglie sostiene: "In linea di massima, niente vieta che l'energia, conservandosi sempre costante, possa passare dalla forma materiale a quella luminosa, o inversamente. Noi sappiamo oggi che è proprio così: questo fatto elimina la barriera che sembrava separare la luce dalla materia, e alla enumerazione delle proprietà fondamentali che assicurano alla luce un posto privilegiato tra le entità fisiche, ci permette di aggiungere che la luce, insomma, è la forma più sottile della materia".

Occorre essere grati a De Broglie per essere sbottato sostenendo che, insomma, la luce è materiale, ed è precisamente la forma più sottile della materia. Così chiaramente nessuno aveva mai osato esprimersi. Ma la prova di tale assunto è sotto gli occhi di tutti i fisici, e bisogna essere ciechi per non vederla. De Broglie la indica nell'annichilimento di elettrone e positrone, che produce l'emissione di due fotoni: "per cui l'energia di due elettroni si ritrova integralmente sotto forma di energia radiante. Nel caso di questo fenomeno l'energia cambia forma: da materia diviene luce".

L'energia è dunque materiale. Engels diceva che i fisici si devono mettere in testa che anche una scintilla è materiale. Quindi anche la luce è materiale. De Broglie però mantiene un elemento di confusione dicendo che l'energia passa dalla forma materiale alla forma luminosa. Per coerenza con la sua stessa definizione di luce, avrebbe dovuto dire che la forma materiale dell'elettrone e del positrone, nel fenomeno dell'annichilimento, passa alla forma materiale del fotone.

Con il concetto di energia noi rappresentiamo l'essenza della materia, e precisamente, la materia in movimento. In quanto i fotoni sono pura energia, possiamo dire che essi rappresentano la forma limite della materia: la più piccola entità di energia, ossia di materia in movimento, cui sia permesso esistere in natura come esistenza autonoma e costante nel tempo. E, come la velocità della luce è la velocità limite della materia in movimento, così la luce rappresenta la forma limite della materia, al di sotto della quale non si trova alcun'altra entità materiale.

Ma, dopo aver sostenuto coraggiosamente, contro l'opinione comune dei fisici, un'idea materialistica, De Broglie sembra quasi arretrare intimorito, e tornando suoi propri passi afferma: "la luce e la materia non sono altro che due aspetti dell'energia la quale può assumere successivamente l'una o l'altra forma". L'energetista Ostwald avrebbe applaudito soddisfatto!

Se prima si sostiene che la luce è una forma della materia, perché poi definire la luce e la materia due forme di energia? Se la luce è una forma materiale, è errato distinguerla, come forma, dalla materia. Inoltre come può essere la materia una forma di energia? Con il concetto di materia noi riassumiamo per brevità l'insieme di tutte le forme materiali, astraendo dalle loro diverse caratteristiche. Il concetto di materia è perciò il concetto più astratto e onnicomprensivo che il pensiero possa concepire: esso non può, quindi, essere definito, in quanto non esiste un concetto più ampio, entro il quale sussumerlo.

Anche il concetto di energia è ampio e onnicomprensivo, riassumendo tutte le diverse forme di energia, ma esso può essere definito mediante il concetto di materia: l'energia è infatti l'essenza della materia in movimento, ne rappresenta il contenuto. Solo in questo senso l'energia può essere considerata quasi sinonimo di materia, perché ogni forma di energia deve essere considerata una forma materiale. All'energia possiamo invece contrapporre la massa, la quale rappresenta l'essenza della materia, però, priva di movimento. Con la massa noi definiamo il contenuto della materia, astraendo dal movimento.

La luce è una forma concreta di energia, e quindi va considerata anche una forma materiale. Di conseguenza, essa può essere distinta da altre forme di energia e di materia, ma non dalla materia in quanto tale, altrimenti si rinnega di nuovo la materialità della luce. Perché De Broglie si è cacciato in questo pasticcio? Perché, di nuovo, ha contrapposto la luce alla materia? Probabilmente a causa del fatto che la luce è priva di massa, e la massa è sempre stata considerata come la caratteristica principale della materia.

Occorre, perciò, spostare l'attenzione sul concetto di massa. Questa poteva essere considerata l'essenza della materia prima dell'equazione di Einstein che ha definito il significato essenziale dei concetti di energia e massa, mostrandone il reale nesso. Nella relazione di Einstein, m=E/c2, la massa appare come un concentrato di energia legata, mentre nella relazione reciproca, E=mc2, l'energia appare completamente liberata. Ora, se l'energia libera rappresenta la materia in movimento, l'energia legata, ovvero la massa, rappresenta la materia privata del suo movimento.

Energia e massa sono dunque concetti equivalenti, perché rappresentano due forme di espressione della materia (delle particelle materiali): la prima, libera, attiva; la seconda, legata, soltanto latente. Equivalenti dunque, non uguali come spesso è stato detto. Ora, soltanto nella forma più sottile della materia, i fotoni, la massa è inesistente, ma solo perché la luce appare sempre e soltanto nella forma di energia libera, attiva.

I fotoni presentano diverse energie di valore finito, in un ampio spettro di valori, ma tutte sono in sostanza forme materiali prive di massa, in quanto la loro energia è tutta dispiegata come energia attiva. L'equazione di Einstein non ha perciò valore per loro, perché se lo avesse la loro energia dovrebbe essere uguale a zero, essendo la loro massa uguale a zero.

L'equazione di Einstein ha valore soltanto per le particelle la cui energia può essere racchiusa in una massa, come energia latente, anche per un breve tempo: massa che può variare, aumentando o diminuendo, oppure può frantumarsi in particelle di massa più piccola, ma mai azzerrarsi, a meno di non esser totalmente liberata in forma di fotoni come avviene nell'annichilazione elettrone-positrone.

*  Da "Fisica e metafisica", raccolta di scritti vari dell'autore pubblicata nel 1950 da Einaudi.

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Tratto da "Il caso e la necessità - L'enigma svelato - Volume secondo  Fisica" (1993-2002) Inedito