Perché la Luce Può Trasferire Quantità di Moto senza Possedere Massa

Il video esplora uno dei paradossi più profondi della fisica: la luce possiede quantità di moto pur non avendo alcuna massa. Il racconto parte dalla formula newtoniana della quantità di moto, consolidata nei Principia del 1687, e dall'osservazione di Johannes Kepler, che agli inizi del Seicento notò come le code delle comete puntino sempre lontano dal Sole, ipotizzando che fosse la luce solare a spingerle. La spiegazione teorica arriva negli anni 1860 con James Clerk Maxwell: le sue equazioni descrivono la luce come onda elettromagnetica e prevedono una pressione di radiazione minuscola ma reale, di pochi micronewton per metro quadrato. Il video ricorda l'errore del radiometro di Crookes, in realtà dovuto a effetti termici dell'aria residua, e le misure decisive del 1901 di Pëtr Lebedev e di Nichols e Hull. Segue il meccanismo fisico: il campo elettrico fa oscillare gli elettroni della superficie e il campo magnetico, tramite la forza di Lorentz, converte quel moto laterale in una spinta in avanti. La contraddizione con Newton viene risolta da Albert Einstein che, nel 1905, impiegato a Berna, pubblica la relatività ristretta dopo l'esito nullo dell'esperimento di Michelson e Morley: dalla relazione completa E² = (pc)² + (mc²)², con massa nulla, segue p = E/c. È l'energia, non la massa, a generare quantità di moto. La conferma quantistica arriva con l'effetto fotoelettrico (Hertz, Lenard, Einstein, Nobel 1921) e con l'esperimento di Arthur Compton del 1923, che dimostra il momento del singolo fotone, p = h/λ, mentre de Broglie estende la stessa equazione alla materia, verificata da Davisson e Germer. Seguono le applicazioni: raffreddamento laser di atomi, pinzette ottiche di Ashkin, vele solari come IKAROS e LightSail 2, fino al progetto Breakthrough Starshot verso Proxima Centauri. Infine la scala cosmica: la pressione di radiazione sostiene le stelle massicce (limite di Eddington, Eta Carinae), scolpisce le nebulose, causa l'effetto Poynting-Robertson e, nell'universo primordiale, ha plasmato le oscillazioni acustiche imprese nella radiazione cosmica di fondo. La pressione della luce è minuscola al punto da sfuggire a chiunque per secoli: Maxwell stesso calcolò che quella della luce solare a mezzogiorno è di circa 2,5×10⁻⁶ pascal, cioè l'equivalente di un quarto di milligrammo su ogni metro quadrato, e per questo né Bennet né Fresnel erano riusciti a metterla in evidenza (fisicamente.blog/2022/12/12/la-pressione-della-luce-3/). Sul radiometro di Crookes vale la pena aggiungere che la spiegazione corretta arrivò da Osborne Reynolds: la rotazione non è causata dalla luce ma dal flusso di gas residuo che dalle zone calde alle zone fredde si genera al bordo delle palette, e se si spinge il vuoto a valori estremi le palette si fermano anche sotto forte illuminazione (it.wikipedia.org/wiki/Radiometro_di_Crookes). Fu proprio l'affinamento delle tecniche, tra cui la pompa a mercurio capace di vuoti impensabili, a permettere a Lebedev di arrivare al risultato nel 1899, dopo oltre vent'anni di tentativi falliti come quelli di Bartoli. Sul fronte applicativo, il caso più concreto resta quello delle vele solari: nel 2010 la sonda giapponese IKAROS ha effettivamente raggiunto Venere spinta dalla pressione dei fotoni. I numeri danno l'idea delle proporzioni in gioco, un singolo fotone di luce a 5×10¹⁴ hertz trasporta circa 1,11×10⁻²⁷ kg·m/s di quantità di moto, e per ottenere una spinta di 10 newton su una vela servono all'incirca 9×10²⁷ fotoni al secondo (reccom.org/vele-solari-fotoni-da-dove-viene-pressione/).