Il nome del fotone

G. N. Lewis e l’atomo vettore di luce - Già dai tardi anni ’20 del secolo scorso, per i fisici la parola fotone (dal greco φῶς, gen. φωτός "phòs, photòs" che significa luce) è un sinonimo appropriato e più utilizzato del quanto di luce introdotto nel 1905. In quasi tutte le cronache si sostiene che il nome fu originariamente coniato nel 1926 dal fisico e chimico americano Gilbert Newton Lewis (1875-1946), anche se con un significato diverso da quello associato al quanto di luce. C’è una certa dose di verità, ma non è tutta. È difficile sapere quando esattamente fu usata per la prima volta la parola “fotone” in un contesto scientifico, ma sembra che ciò sia avvenuto nel 1916, dieci anni prima che lo introducesse Lewis. Questa primogenitura non ebbe riflessi sullo sviluppo futuro, perciò è forse comprensibile che non le sia mai stata prestata grande attenzione, eppure la prima apparizione di “fotone” nel contesto delle scienze della visione è interessante per la sua modalità e merita di essere conosciuta.

L’origine e il primo sviluppo dell’idea di fotone, nel senso di quanto localizzato di radiazione elettromagnetica, sono ben conosciuti e sono descritti in una abbondante letteratura. In sintesi, nel suo classico articolo negli Annalen der Physik del 1905, Einstein propose che la radiazione libera monocromatica di frequenza ν fosse composta di “quanti d’energia”, data da E = hν, un’espressione che egli stese in questa forma solo l’anno successivo. Sebbene così egli fosse in grado di spiegare in modo semplice l’effetto fotoelettrico e la regola di Stokes della fotoluminescenza, la Lichtquantenhypothese fu in genere avversata dalla maggior parte dei fisici. L’accoglienza al quanto di luce o di energia non cambiò in modo significativo anche dopo il 1917, quando Einstein sviluppò la sua teoria assegnando al quanto un momento p = hν/c. Solo allora esso possedeva le proprietà di una particella reale, e ciò è il motivo per cui si parla del “fotone di Einstein” solo a partire da quella data. Naturalmente Einstein non aveva utilizzato il termine fotone, né mai lo avrebbe fatto in seguito. 

La principale ragione per l’accettazione del quanto di luce durante gli anni 1922-23 fu la famosa serie di esperimenti sulla diffusione dei raggi X condotta da Arthur H. Compton nel 1922, che gli valsero il premio Nobel nel 1927. Tra l’altro, nei suoi due articoli del 1923 che riportavano i risultati di ciò che presto sarebbe stato conosciuto come effetto Compton, egli non faceva cenno ai quanti di luce di Einstein né menzionò il nome dello scienziato tedesco. Ciò nonostante, gli esperimenti diedero ragione alla teoria di Einstein in modo definitivo. Dal 1925-1926 i quanti di radiazione furono generalmente accettati e considerati come particelle elementari, non meno reali del protone e dell’elettrone. Con l’emergere della teoria quantistica della radiazione, sviluppata poco dopo da Paul Dirac e Pascual Jordan, i quanti di luce si inserivano perfettamente nella teoria della meccanica quantistica. Ed erano sempre più di frequente chiamati fotoni. 

L’origine del nome “fotone”, che entrò nel vocabolario dei fisici nei tardi anni ’20, fu Gilbert Newton Lewis, professore dell’Università di California a Berkeley. Tuttavia, mentre il nome di Lewis fu largamente adottato a partire dal 1926, il concetto sottostante fu totalmente ignorato, al punto che oggi molti storici della fisica lo ignorano. Lewis era un chimico-fisico stimato, noto in modo particolare per il suo lavoro innovativo nella termodinamica chimica e nella struttura di atomi e molecole. La sua teoria di una coppia di elettroni condivisi che dà luogo al legame covalente nelle molecole è considerata in genere come un’anticipazione del successivo modello della valenza basata sulla chimica quantistica. 

Oltre a essere un chimico brillante, Lewis aveva un profondo interesse per la fisica teorica, sebbene in quest’area egli preferisse seguire le proprie idee, piuttosto eterodosse, invece che quelle più comuni. Nel 1925 si interessò ai problemi concettuali della teoria della radiazione, che tentò di risolvere ipotizzando come principio fondamentale che il tempo sia simmetrico. Secondo la sua immagine del processo, l’emissione e assorbimento della luce avvenivano nella più completa simmetria: “Un atomo non emette mai luce se non verso un altro atomo”, scriveva. “È pertanto assurdo pensare alla luce emessa da un atomo prescindendo dall’esistenza di un atomo ricevente, come lo è pensare a un atomo che assorbe luce senza l’esistenza di luce che viene assorbita”. Il processo di emissione sarebbe stato l’esatto inverso di quello di assorbimento, per cui i due processi avrebbero potuto essere condensati in uno solo, la trasmissione. Fu in questo contesto che egli propose, in un articolo su Nature datato 29 ottobre 1926, che invece di un quanto di luce si doveva considerare “un nuovo tipo di atomo”, o ciò che egli chiamò fotone poichè vettore di luce. 

Diversamente dal quanto di luce di Einstein, il fotone di Lewis era una quantità conservata, nel senso che, in un sistema isolato, il numero totale di fotoni sarebbe rimasto costante. Il fotone era increato e indistruttibile, come gli atomi immutabili di John Dalton. Sostenendo che “un, e un solo, fotone si perde in ciascun processo elementare di radiazione”, Lewis scriveva: 

“Sembrerebbe inappropriato parlare di una di queste entità ipotetiche come una particella di luce, un quanto di luce, se dobbiamo pensare che essa trascorre solo una minuta frazione della sua esistenza come portatrice di energia radiante, mentre per il resto del tempo resta come un importante elemento strutturale dentro l’atomo. Inoltre causerebbe confusione chiamarla semplicemente quanto, perché (…) sarà necessario distinguere tra il numero di queste entità presenti nell’atomo e il cosiddetto numero quantico. Pertanto mi prendo la libertà di proporre per questo ipotetico nuovo atomo, che non è luce, ma gioca un ruolo essenziale in ogni processo di radiazione, il nome di fotone”. 

Il fotone di Lewis era perciò molto diverso dal corpuscolo di energia radiante che aveva introdotto Einstein. Rendendosi conto che il suo fotone era insolito e ipotetico, in un paio di articoli successivi Lewis cercò di giustificare la sua ipotesi mostrando che essa, o piuttosto il quadro di interazione diretta sulla quale si basava, portava ad espressioni corrette per la radiazione del corpo nero. Nessuno gli diede retta e, nell’arco di un anno o giù di lì, sembra che abbia abbandonato la sua idea eterodossa. 

Mentre il concetto di Lewis veniva dimenticato, il suo nome non lo fu. “Fotone” fu rapidamente accettato come un nome alternativo per il quanto di luce di Einstein. Già nel 1928, negli atti della celebre quinta conferenza Solvay dell’ottobre precedente, il nome compariva nel titolo della pubblicazione: Électrons et Photons. Tra i suoi paladini vi fu Arthur Compton, che ne diffuse l’impiego nella letteratura di divulgazione scientifica e tra la nuova generazione di fisici. Einstein, invece, non lo usò mai. In ogni caso, dalla metà degli anni ’30, “fotone” fu il termine preferito.

L. T. Troland e la misura dello stimolo visivo - Probabilmente neanche Lewis sapeva che la parola era già stata usata da altri prima di lui. Nel 1916 il fisico e psicologo americano Leonard Thompson Troland (1889-1932) l’aveva usata come unità di misura per l’illuminazione della retina. Oggi poco conosciuto, Troland era considerato in quegli anni uno degli scienziati americani più promettenti, ma morì tragicamente e prematuramente cadendo dalla cima del monte Wilson in California.

Scienziato versatile e rispettato, Troland si interessò professionalmente di fisica, psicologia e ingegneria. Con Daniel Comstock, un fisico del MIT, pubblicò nel 1917 un libro di alta divulgazione sulla moderna teoria atomica, l’elettricità e la radiazione. Una sezione riguardante la teoria quantistica dell’energia radiante conteneva una discussione sugli “atomi di luce” o “la moderna dottrina dei quanti di luce”, che egli, autore della sezione, dimostrò di conoscere bene. Inoltre, ebbe una certa formazione in biochimica, e nel 1916 aveva proposto una delle prime teorie sull’origine chimica della vita sulla Terra. Troland studiò psicologia ad Harvard, dove ottenne il dottorato nel 1915 con una tesi sul processo di adattamento visivo, un ambito di ricerca che seguì negli anni successivi. La sua opera principale fu il ponderoso Principi di Psicofisiologia, che fu edito in tre volumi tra il 1929 e il 1932. Era particolarmente interessato alle misure fotometriche della luce che colpisce l’occhio umano: fu in questo contesto che propose la parola “fotone”. 

In un articolo datato 29 marzo 1916 sull’intensità di luce che stimola l’occhio, Troland propose “fotone” come unità di misura dell’intensità dello stimolo fisiologico, definendolo come segue: 

“Un fotone è l’intensità di illuminazione sulla retina dell’occhio che accompagna la fissazione diretta, con adeguato accomodamento, di uno stimolo di piccola superficie, la cui luminosità fotometrica (…) è di una candela per metro quadrato, quando l’area della pupilla esternamente efficace (…) è di un millimetro quadrato. L’intensità fisiologica di uno stimolo visivo è la sua intensità espressa in fotoni. Il fotone è un’unità di illuminazione, pertanto ha un valore assoluto in metri-candele. Il valore numerico del fotone, in metri-candele (…) sarà ovviamente soggetto a qualche variazione da individuo a individuo”. 

Troland propose per la prima volta il fotone in una presentazione tenutasi a Philadelphia il 18-20 settembre 1916: “Ho trovato molto conveniente, - disse, - esprimere tutte le misure di intensità come unità di illuminazione retinale che ho chiamato il fotone”. Nella discussione successiva al suo discorso, egli citò come un vantaggio della nuova unità di misura il fatto che “il fotone non richiede tanta matematica, e io mi sono interessato soprattutto a venire in aiuto agli psicologi, molti dei quali stanno studiando la visione un po’ a caso”. 

In un’opera successiva sulla scienza della visione, Troland promosse l’uso della nuova unità di misura. Tuttavia, anche se egli e altri autori continuarono per qualche tempo a usare “fotone”, l’unità non ebbe mai larga diffusione e alla fine cadde nel dimenticatoio. D’altra parte, il fotone di Troland diede origine, dopo qualche tempo, all’unità eponima “troland” (Td), che è legata alla candela dalla relazione 1 Td = 1 cd/m² × 1 mm² = 10^‒6 cd, ancora usata nell’ottica fisiologica. Troland era aggiornato sul dibattito fisico riguardo all’ipotesi del quanto di luce, ma per lui il fotone apparteneva a un regno del tutto diverso.

John Joly e la visione a colori - Troland non fu il solo a proporre il nome “fotone” prima di Lewis. Anche questa seconda comparsa del nome ebbe origine nella scienza della visione, questa volta in un tentativo di spiegare la visione a colori. 

Il fisico irlandese John Joly (1857-1933), professore di geologia e mineralogia al Trinity College di Dublino, era anch’egli uno scienziato versatile. Egli è noto soprattutto perché nel 1899 stimò che l’età della Terra fosse di almeno 100 milioni d’anni, molto di più di quanto indicato da Lord Kelvin sulla base di calcoli termodinamici. Mentre la sua stima del 1899 si basava su evidenze puramente geologiche, quando furono sviluppati i primi metodi basati sulla radioattività, egli fu tra i primi a utilizzarli. Nel 1903 attirò l’attenzione sull’importanza della radioattività come fonte del calore terrestre. L’interesse di Joly per la radioattività non fu solo geofisico: egli sviluppò anche un metodo per la cura del cancro con il radio e si interessò di medicina e fisiologia in generale.

Intorno al 1920 cominciò ad interessarsi di teoria della visione, in particolare della visione a colori. Come conseguenza, sviluppò una “teoria della visione quantistica”, con lo scopo di spiegare la percezione della luce come stimolata dall’azione fotoelettrica. Secondo la sua idea, la luce sotto forma di “quanti di luce” liberava e attivava elettroni nelle fibre visive. A causa della loro energia cinetica, questi fotoelettroni avrebbero scaricato una o più unità di energia nella corteccia cerebrale, dando così origine alla percezione della luce. Ciò che egli chiamò “fotone” nel 1921 era l’unità di misura dello stimolo visivo: 

“L’unità di misura dello stimolo luminoso scaricato da una singola fibra visiva (…) non deve essere confusa con il quanto che recita la mera parte di un dito sul grilletto. Questa minuscola quantità di energia scaricata nella corteccia cerebrale provoca la nostra unità di sensazione luminosa. (…) Propongo di designarla come fotone, o, al plurale, fotoni. In simboli, gli sarà assegnata la lettera φ. Ciascuna sensazione è una conseguenza di una particolare forma di stimolo energetico, cioè di due, tre o di quattro fotoni scaricati simultaneamente”. 

Sebbene egli avesse descritto i suoi quanti di luce come pacchetti di energia radiante hν, Joly non sostenne e nemmeno menzionò la teoria di Einstein. In ogni caso, i suoi fotoni erano assai diversi dai quanti che producevano fotoelettroni. Il fotone di Joly ebbe ancor meno risonanza di quello di Troland. 

Quando il nome fotone fu ripreso e divenne popolare qualche anno più tardi, a nessuno venne in mente il nome del fisico irlandese o dello psicologo americano.

(Ringrazio l'amico Peppe Liberti che mi ha segnalato l'articolo originale)

Helge Kragh (2014). Photon: New light on an old name Parts of this note is included in a larger manuscript that will be submitted to European Physical Journal H. arXiv: 1401.0293v2