L'energia luminosa è energia potenziale o cinetica?

Consentitemi di offrire una risposta un po' tecnica a questa domanda (una buona domanda, tra l'altro). Sì, questo significa un po' di matematica. Speriamo che non sia troppo sconvolgente.

Il cosiddetto funzionale di densità lagrangiano che descrive il campo elettromagnetico nella fisica classica è dato da

[math]{\cal L}=--frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}-j_\mu A^\mu,\tag*{}[/math]

dove [math]A^\mu[/math] è il 4-potenziale elettromagnetico, [math]F_{\mu\nu}=\parziale_\mu A_\nu-\parziale_\nu A_\mu[/math], e [math]j_\mu[/math] è la 4-corrente.

In parole povere, [math]A^\mu[/math] è il campo elettromagnetico; [math]F_\mu\nu}[/math] è la sua velocità di cambiamento; e [math]j_\mu[/math] rappresenta le proprietà elettriche della materia.

Per quanto riguarda la Lagrangiana, il suo primo termine è l'energia cinetica; il suo secondo termine è l'energia potenziale.

Nello spazio vuoto, non c'è materia. Il che significa che non ci sono cariche o correnti: [math]j_\mu=0[/math]. La seconda parte della Lagrangiana è appena evaporata. Poof!

Quindi ci rimane solo la prima parte. Pura energia cinetica. Tutto ciò che il campo elettromagnetico fa nello spazio vuoto è pura energia cinetica.

E cosa fa il campo elettromagnetico nello spazio vuoto? Beh, forma onde piane che si propagano alla velocità invariante [math]c[/math]. Cioè la radiazione elettromagnetica, compresa quella parte ristretta dello spettro elettromagnetico che i nostri occhi possono rilevare.

Quindi sì, l'energia luminosa è pura energia cinetica. L'energia potenziale, se presente, è lì perché c'è della materia e [math]j_\mu[/math] non è zero.

In breve, l'energia potenziale è responsabile di creare luce, assorbire luce, rifrangere la luce. Ma quando la luce non fa nessuna di queste cose, la sua energia è puramente cinetica.

Questo, a proposito, ha una validità generale che va oltre la luce. L'energia cinetica descrive ciò che le cose fanno quando sono lasciate sole; l'energia potenziale descrive ciò che accade quando le cose interagiscono. (Un caso speciale è quando una cosa interagisce con se stessa, nel qual caso si dice che la teoria non è lineare. La luce non interagisce con se stessa, almeno non nella teoria classica.