Questo articolo è inserito nella pagina d'archivio "Einstein ha sempre ragione (o quasi)"

Anche il laser si deve, in fondo, al genio di Einstein. Il tutto rientra, ancora una volta, nel fantastico gioco tra elettroni e fotoni.

Ancora una volta dobbiamo riferirci ad Einstein... un Einstein che vorrebbe ricavare l'emissione del corpo nero, ipotizzata da Planck, attraverso un nuovo approccio basato sulle azioni ormai conosciute degli elettroni. Lui sa che gli elettroni sono capaci di effettuare dei salti quantici, ossia scendere di livello energetico e posizionarsi su un orbita più bassa. Nel far ciò liberano energia, proprio pari alla differenza tra le due orbite. Questa energia non è altri che il "pacchetto" chiamato fotone.

Tuttavia, può accadere anche il fenomeno opposto, ossia un fotone di una certa energia può colpire un elettrone su un orbita bassa e venire assorbito dall'elettrone che va, quindi, ad occupare un'orbita più alta. Per un corpo in equilibrio, Einstein si aspetta che i due meccanismi operino con pari possibilità e si aspetta che tanti salti quantici ci siano in un verso come nell'altro. Basandosi su questa ipotesi spera di ricavare l'emissione di corpo nero. Purtroppo, ciò non avviene ed Einstein deve capire come mai. Non avendo a disposizione apparecchiature tecnologiche in grado di pensare e decidere al posto suo, è costretto ad usare il proprio cervello.

L'emissione spontanea dell'elettrone, mentre  scende di orbita, può anche essere aiutata da un fotone. Se l'elettrone viene colpito da un fotone che ha la stessa energia del salto quantico, l'elettrone scende di livello, emettendo un fotone  che ha la stessa energia di quello che lo aveva colpito. Non vi è assorbimento, ma la conservazione del fotone che ha stimolato la caduta a cui si va ad aggiungere quello emesso dall'elettrone. Non solo, ma in questo "gioco" il fotone che esce ha la stessa direzione e fase di quello che lo ha stimolato. Questo processo deve perciò essere tenuto in conto e Einstein trova che in questa ipotesi i calcoli (non certo banali) portano a soddisfare completamente l'emissione di corpo nero descritta da Planck. Un fatto estremamente importante legato a tutto ciò è proprio la conservazione di direzione e fase: esse sono perfettamente conservate e non casuali come nell'emissione spontanea.

Ricapitolando: se il sistema si trova nel suo stato fondamentale (orbita inferiore) si ha un fenomeno di assorbimento della radiazione ovvero l'onda viene assorbita ed il sistema si eccita, salendo di orbita; se, al contrario, il sistema è già eccitato si diseccita emettendo radiazione elettromagnetica della stessa frequenza, e nella stessa direzione, di quella incidente. Questa diseccitazione può, però, anche essere stimolata.

Il laser è quindi figlio di Albert Einstein che nel 1916 ipotizzò che, nelle giuste circostanze, gli atomi possono rilasciare energia in eccesso sotto forma di luce, sia spontaneamente che se stimolati da una fonte, teorizzando così il fenomeno dell’emissione stimolata di radiazioni.

Si presenta, allora, uno schema molto semplice: teoricamente basterebbe inviare un fotone nelle giuste condizioni verso un atomo per  ottenere due fotoni e così via in un effetto a cascata.

Ma, ciò che conta più di tutto, è che questi fotoni sarebbero tutti in fase e con la stessa direzione. In altre parole, un fascio di luce molto stretto di grande potenza. In conclusione: un laser. L'ipotesi di Einstein si è -tanto per cambiare- dimostrata vera e fattibile.

Tra le molteplici applicazioni non possiamo dimenticare quella più recente e stupefacente, ossia la rilevazione delle onde gravitazionali previste dallo stesso Einstein nella sua RG. Inviando un raggio laser lungo due braccia di una certa lunghezza si possono fare interferire dopo la loro riflessione. Basta che le due fasi siano sfasate di mezza lunghezza d'onda per annullare la luce risultante. Qualsiasi minima variazione delle distanze porta invece a una interferenza costruttiva con un massimo di luce. L'onda gravitazionale, al suo passaggio, fa proprio oscillare le distanze e quindi alterna luce e buio, mostrando il tipico andamento previsto dalla teoria.

Ma quanti Nobel alla memoria dovrebbero essere dati a Einstein?

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