Questo articolo nasce da una domanda che ci è stata posta da un nostro lettore, che ci ha chiesto se sia vero che la luce polarizzata possa generare strutture complesse, come spirali di Fibonacci o configurazioni toroidali.
È una domanda interessante, perché mette insieme concetti di fisica reale e interpretazioni spesso semplificate o, talvolta, distorte. Per rispondere in modo corretto, è necessario fare un passo indietro e chiarire alcuni punti fondamentali.
La luce è una forma di radiazione elettromagnetica e, nel formalismo classico, può essere descritta come un’onda trasversale in cui il campo elettrico e il campo magnetico oscillano in modo accoppiato, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione, secondo le equazioni di Maxwell. Quando si parla di polarizzazione, per convenzione si fa riferimento alla direzione di oscillazione del campo elettrico.
In condizioni naturali, la luce non è polarizzata: è composta dalla sovrapposizione di onde che oscillano in tutte le direzioni possibili. Per ottenere luce polarizzata è necessario introdurre un elemento ottico, come un filtro polarizzatore, che seleziona una specifica direzione di oscillazione del campo elettrico, bloccando le altre componenti. Secondo la definizione classica dell’elettromagnetismo riportata in testi didattici standard1, una luce è detta polarizzata linearmente proprio quando il campo elettrico oscilla sempre lungo la stessa direzione.
Questo passaggio è fondamentale, perché chiarisce un punto spesso frainteso: polarizzare la luce non significa creare nuove strutture o “forme”, ma semplicemente selezionare una delle possibili direzioni di oscillazione del campo elettrico.
Esistono anche stati di polarizzazione più complessi, come quella circolare o ellittica. In questi casi il campo elettrico non oscilla lungo una direzione fissa, ma ruota nel tempo, descrivendo rispettivamente un cerchio o un’ellisse. Nei diagrammi didattici, questa rotazione viene spesso rappresentata come una traiettoria elicoidale lungo la direzione di propagazione. Tuttavia, è importante comprendere che si tratta di una rappresentazione geometrica utile a visualizzare la variazione di fase dell’onda nello spazio, e non di una struttura fisica tridimensionale della luce.
In altre parole, l’elica che si vede nei disegni non è una “forma della luce”, ma una modalità di rappresentazione del comportamento del campo elettrico.
Questo chiarimento è essenziale per evitare un altro equivoco piuttosto diffuso: quello che identifica tali rappresentazioni con strutture geometriche come la spirale di Fibonacci. Le due cose appartengono a livelli completamente diversi. La spirale associata alla polarizzazione è una descrizione matematica dell’onda elettromagnetica, mentre la spirale di Fibonacci è una costruzione geometrica derivata da una specifica progressione numerica. Non esiste una corrispondenza diretta tra questi due concetti.
Anche dal punto di vista geometrico, si tratta di forme completamente diverse: la polarizzazione circolare è associata a una traiettoria elicoidale regolare, mentre la spirale di Fibonacci presenta una crescita radiale non lineare basata su rapporti specifici tra segmenti successivi.
Non esiste quindi nemmeno una corrispondenza diretta tra questi due concetti.
La distinzione tra i diversi stati di polarizzazione non è solo teorica, ma anche legata alla progettazione ottica dei dispositivi.
La polarizzazione lineare può essere ottenuta in modo relativamente semplice mediante filtri polarizzatori, come quelli comunemente utilizzati anche in ambito fotografico, che selezionano una direzione di oscillazione del campo elettrico.
Stati di polarizzazione più complessi, come la polarizzazione circolare o ellittica, richiedono invece l’impiego di elementi ottici specifici, ad esempio lamine ritardatrici (come le cosiddette “quarter-wave plate”), in grado di introdurre uno sfasamento controllato tra le componenti del campo elettrico.
In assenza di tali elementi, un semplice filtro polarizzatore produce tipicamente una polarizzazione lineare.
Un ulteriore aspetto spesso trascurato riguarda cosa accade quando la luce entra nei tessuti biologici. I tessuti sono mezzi altamente complessi, disomogenei e fortemente diffondenti. La luce, entrando nei tessuti, subisce fenomeni di scattering multiplo che ne alterano rapidamente la direzione di propagazione e lo stato di polarizzazione.
La propagazione della luce nei tessuti biologici comporta infatti una progressiva alterazione dello stato di polarizzazione a causa dello scattering multiplo e della presenza di strutture birefringenti come il collagene2. Studi sperimentali mostrano che la luce che penetra più in profondità nel tessuto tende a perdere progressivamente la polarizzazione iniziale, fino a diventare sostanzialmente randomizzata. In altre parole, la polarizzazione iniziale della luce tende a degradarsi rapidamente durante la propagazione, limitandone la rilevanza nei tessuti più profondi.
Questo punto è particolarmente rilevante nel contesto della fotobiomodulazione. Come abbiamo approfondito anche in un precedente articolo sul blog Bionomy3, la polarizzazione prodotta da una semplice lente non è equivalente agli effetti che possono emergere da una sorgente coerente, come il laser. Nel caso della luce coerente, infatti, la propagazione nel tessuto può generare fenomeni di interferenza, dando origine ai cosiddetti pattern di speckle, all’interno dei quali si creano micro-regioni localmente polarizzate. Questo avviene indipendentemente dalla polarizzazione iniziale della luce in ingresso.
Ne consegue che la polarizzazione nei tessuti non è semplicemente una proprietà “imposta” dalla sorgente, ma può emergere come fenomeno collettivo legato alla dinamica della propagazione della luce in un mezzo diffondente. È quindi importante non confondere la polarizzazione con la coerenza, che rappresenta un’altra proprietà della luce, legata alla relazione di fase tra le onde, e che può influenzare in modo più significativo la distribuzione dell’energia nel tessuto.
A livello più avanzato, la letteratura descrive la propagazione della luce polarizzata nei tessuti attraverso modelli statistici4 (ad esempio mediante parametri di Stokes o matrici di Mueller), proprio perché lo stato di polarizzazione viene progressivamente trasformato durante la propagazione. Anche nei casi in cui una componente della polarizzazione può parzialmente persistere, essa risulta comunque alterata e non più riconducibile in modo semplice allo stato iniziale della sorgente.
Questo non significa che la luce polarizzata sia priva di interesse. Esistono infatti studi che suggeriscono possibili effetti a livello superficiale, in particolare nel contesto della guarigione delle ferite. Ad esempio, uno studio pubblicato sul Journal of Trauma and Acute Care Surgery5 ha mostrato che sia la luce polarizzata linearmente sia quella polarizzata circolarmente possono aumentare la proliferazione dei fibroblasti, accelerare la riduzione dell’area della ferita e modulare l’espressione del procollagene. In particolare, la polarizzazione circolare destrorsa ha evidenziato effetti più marcati su alcuni parametri biologici.
Questi risultati suggeriscono che lo stato di polarizzazione possa influenzare interazioni biochimiche locali, probabilmente legate alla natura chirale di alcune biomolecole. Tuttavia, è importante sottolineare che tali effetti sono stati osservati in modelli sperimentali o in condizioni superficiali. Nei tessuti profondi, la diffusione e lo scattering della luce portano a una rapida perdita della polarizzazione iniziale, rendendo verosimilmente il suo contributo limitato rispetto ad altri parametri fisici.
In conclusione, la polarizzazione della luce è un fenomeno ben definito e rigorosamente descritto dalla fisica: riguarda la direzione di oscillazione del campo elettrico e può assumere forme lineari, circolari o ellittiche. Tuttavia, non implica la formazione di strutture geometriche complesse, non genera spirali di Fibonacci e non crea configurazioni toroidali nello spazio. Nei sistemi biologici, inoltre, la polarizzazione iniziale tende a degradarsi rapidamente durante la propagazione nel tessuto.
Per questo motivo, è fondamentale distinguere tra ciò che è fisicamente dimostrato e ciò che rappresenta una semplificazione o un’analogia descrittiva. Solo mantenendo questa distinzione è possibile interpretare correttamente i fenomeni e valutarne le reali implicazioni.
“Spirale di Fibonacci: costruzione geometrica basata su una progressione numerica. Non rappresenta una proprietà fisica delle onde elettromagnetiche o della luce polarizzata.”
Riferimenti
- Zanichelli, Elettromagnetismo, relatività e quanti – Le onde elettromagnetiche,
© Zanichelli Editore S.p.A., Bologna, 2012. - Jacques SL, Ramella-Roman JC, Lee K.
Imaging skin pathology with polarized light.
J Biomed Opt. 2002;7(3):329–340.
https://doi.org/10.1117/1.1484498 - https://bionomy.it/blogs/news/coerenza-della-luce-e-fotobiomodulazione
- Tuchin VV.
Polarized light interaction with tissues.
J Biomed Opt. 2016;21(7):071114.
https://doi.org/10.1117/1.JBO.21.7.071114 - Tada K, Ikeda K, Tomita K.
Effect of polarized light emitting diode irradiation on wound healing.
J Trauma. 2009;67(5):1073–1079.
https://doi.org/10.1097/TA.0b013e318187ad02
