Scontro tra raggi luminosi

Vorrei sapere se esiste un tipo di raggio luminoso che, scontrandosi con un altro di eguale intensità e tipo, cambia direzione come quando due flussi di acqua si scontrano e creano una sorta di Y.
Michele Bottalico
5 maggio 2005
Due getti d'acqua si scontrano e cambiano direzione perché le goccioline d'acqua interagiscono durante l'urto.

I fotoni che compongono i fasci luminosi, non interagiscono tra loro (non hanno carica elettrica né massa) per cui la risposta alla sua domanda è no, in generale: i fasci di luce, com'è noto, si attraversano liberamente senza cambiare direzione, colore o altro.

Vi sono però eccezioni: fasci luminosi molto intensi possono interagire all'interno dei materiali trasparenti. Si possono osservare, in tal caso, combiamenti di colore, passaggio di energia da un fascio all'altro e anche deviazione dei fasci interagenti. Tali fenomeni sono studiati da un ramo particolare dell'ottica dei materiali, noto come "ottica nonlineare".

L'ottica nonlineare è nata negli anni Sessanta, dopo l'avvento delle sorgenti laser che hanno permesso di ottenere le alte densità di energia luminosa necessarie. L'interazione tra fasci luminosi è, in questi casi, mediata dal materiale attraverso cui la luce si propaga. Resta aperto il problema se i fotoni possono interagire (ovvero, "scontrarsi") tra loro in assenza di materia, cioè nel vuoto.

Secondo le visioni scientifiche attuali, i fotoni non interagiscono nel vuoto tranne che in due casi: il primo riguarda fotoni di altissima frequenza (raggi gamma), invisibili all'occhio umano, quando hanno energia sufficiente (circa 0,5 megaelettronvolt ciascuno) per generare una coppia formata da un elettrone e dalla sua antiparticella, il positone. In questo caso non si ha deviazione dei fasci nello scontro, ma i due fasci semplicemente scompaiono (in gergo, si annichilano) trasformandosi in materia (elettrone e positone, appunto). Questo processo di annichilazione avviene, di fatto, negli acceleratori di particelle e in alcuni eventi astrofisici.

Il secondo caso ipotizzabile è l'interazione gravitazionale tra fotoni: un fascio di luce trasporta energia e ogni forma di energia è equivalente a una massa, secondo al nota formula di Einstein E = mc2. Un fascio molto intenso genera un campo gravitazionale intorno e un secondo fascio potrebbe essere deviato dal campo gravitazionale creato dal primo. Questo è possibile, in principio, ma se si prova a calcolare la densità d'energia luminosa necessaria per avere un'apprezzabile deviazione, si ottengono valori così elevati da essere possibili, forse, solo nelle fasi iniziali del big bang dell'Universo. Ovviamente, lo scontro gravitazionale tra fotoni non è stato mai osservato e, quasi certamente, non lo sarà mai.

Enrico Santamato Dipartimento di Scienze Fisiche, Università di Napoli Federico II
Keywords: ottica, fisica

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