Onde solitarie. Una riconciliazione fisica degli opposti è il primo saggio divulgativo sulla fisica e le applicazioni tecnologiche dei solitoni: un’esplorazione che avviene cercando anche una contaminazione di linguaggi diversi attraverso aneddoti storici, riflessioni filosofiche e rimandi poetici e artistici. Le onde solitarie – o solitoni – sono peculiari onde che esibiscono un comportamento tipico di entità corpuscolari o particellari: sono strutture individuali di energia o di materia ben localizzate che mantengono immutata la loro forma durante la propagazione ed emergono intatte dai processi di collisione. La loro prima osservazione si deve a John Scott Russel, un ingegnere scozzese che nel 1834 vide un’onda solitaria d’acqua formarsi nello Union Canal presso Edinburgo, e la seguì per qualche kilometro in sella ad un cavallo. L’esistenza dei solitoni è ubiqua, ed è stata verificata o predetta in una miriade di contesti diversi tra cui: gli oceani, gli spazi cosmici, le fibre ottiche, i laser, i pattern di vegetazione, i plasmi, i circuiti elettrici, i filamenti di DNA, e i campi quantistici. Oltre alle onde solitarie brillanti, consistenti di un picco di energia o di materia localizzata, esistono anche onde solitarie oscure ovvero onde di assenza di energia o di materia: anche di esse si narra nell’estratto presentato di seguito.
Il seguente testo è un estratto del capitolo 8 di Onde solitarie. Una riconciliazione fisica degli opposti .
Solitoni oscuri e simbiosi.
Un ringraziamento speciale a Castelvecchi Editore per la gentile concessione.
Gioia, degli dèi scintilla,
bella figlia degli Elisi,
penetriamo ebbri di fuoco,
o celeste il tuo sacrario.
Tu riannodi coi tuoi incanti
ciò che moda separò,
sono fratelli tutti gli uomini
dove posi l’ala lieve.
Friedrich Schiller, Alla gioia, in Poesie filosofiche
Se in precedenza abbiamo fatto ricorso all’opera di Hokusai per raffigurarci le onde anomale, vorrei continuare ora la nostra navigazione guidato dalle immagini artistiche che popolano le stampe giapponesi dell’Ottocento per presentare nuove onde solitarie. E la forma da cui vorrei prendere spunto per introdurre il discorso è quella dei vortici, come quelli dipinti da Utagawa Hiroshige in uno dei suoi ukiyo-e dedicati alle province del Giappone, e che si possono ammirare ancora oggi sulle coste di Naruto, nell’attuale prefettura di Tokushima. Quello di Naruto non è però un caso isolato nel suo genere, altri grandi vortici popolano i mari e gli oceani. Per esempio, al largo delle Isole Lofoten, sulla costa occidentale della Norvegia, si trova il Maelstrom, anche detto Moskstraumen. È un vortice dal diametro di poco inferiore ai dieci chilometri. Le antiche leggende norvegesi narrano che due enormi, pesantissime e magiche macine di pietra affondate, continuando a macinare sale, causano la formazione di grandi vortici sulla superficie del mare. La supposta origine divina di tale grande entità marina venne sostenuta anche dal vescovo Olaus Magnus che la raffigurò per la prima volta nella sua Carta marina pubblicata nel 1539. Il Maelstrom è la versione maestosa del vortice che più prosaicamente potrebbe formarsi magari lungo il corso di un torrente, oppure nel nostro lavandino di casa.
I moderni scienziati – con immagini meno poetiche ma sicuramente più pragmatiche – spiegano l’esistenza di vortici mediante equazioni e formule matematiche astratte. Con la sua caratteristica saliente corrispondente all’assenza, o scarsità, di materia nel suo centro il vortice è forse ciò che meglio può farci immaginare intuitivamente i solitoni oscuri – sebbene non tutti i vortici siano solitoni. Fino a ora abbiamo parlato di onde solitarie brillanti, ovvero picchi di materia o di energia che si ergono maestosi al di sopra di un paesaggio piatto. Possiamo dire, con una metafora dal sapore zen, che un solitone oscuro è invece un’onda di privazione o di assenza. È assenza di materia, o assenza di energia, che si propaga rimanendo ben confinata e sempre uguale a se stessa. Se consideriamo il caso di un solitone oscuro ottico, possiamo raffigurarcelo come una macchia nera, una discontinuità buia in un flusso di luce dall’intensità costante: un lampo di oscurità dalla forma ben definita che viaggia a velocità prossime a quella della luce. Esistono vari tipi di solitoni oscuri caratterizzati dal loro diverso grado di oscurità: continuando il nostro esempio ottico, si parla di solitone nero nel caso in cui la luce sia completamente assente al centro dell’onda solitaria, mentre di solitone grigio nel caso cui l’intensità luminosa diminuisca rispetto al flusso di luce che ospita l’onda, ma senza azzerarsi. Come i solitoni brillanti, così pure quelli oscuri sono onde che sopravvivono intatte alle collisioni. Sono stati osservati non solo nella luce che si propaga lungo le fibre ottiche, bensì anche come assenza di materia in gas quantistici. I solitoni oscuri uniscono alla natura localizzata e solitaria il tratto dell’assenza. Come una poesia esistenzialista, essi fanno della vertigine del vuoto il cuore della loro essenza.
L’esistenza dei solitoni oscuri apre inoltre una delle possibili porte per il superamento della solitudine. Tale tratto definitorio dei solitoni non è infatti un assoluto. Vi sono possibilità per lo svilupparsi di strutture simbiotiche costituite da diverse onde solitarie interagenti tra di loro. Un caso relativamente semplice è l’accoppiamento di un’onda solitaria brillante con un’onda solitaria oscura. Questo avviene per esempio in sistemi ottici quando un’onda solitaria brillante costituita di un campo elettromagnetico che oscilla in una certa direzione si sovrappone a un’onda solitaria oscura il cui campo elettromagnetico oscilla – è polarizzato – in direzione perpendicolare. Quest’unità simbiotica viaggia come in un abbraccio di luce e oscurità che si bilanciano a vicenda. Ma essa non è l’unica possibilità d’interazione stabile tra solitoni. In generale, molteplici onde solitarie – ciascuna appartenente a un diverso modo di oscillazione del campo elettromagnetico – possono formare un legame simbiotico che le lega reciprocamente facendole propagare insieme.
E non è finita qui. Le molecole di solitoni sono un’ulteriore forma di legame tra onde solitarie. L’analogia viene dalla fisica atomica. Una molecola di una particolare sostanza chimica è costituita da diversi atomi legati tra loro mediante un’interazione elettrostatica. Le molecole solitoniche si formano invece quando due o più solitoni ottici esistenti all’interno di un laser o lungo una fibra ottica si appaiano e viaggiano accoppiati a breve distanza l’uno dall’altro. Ciò che li tiene legati è la modificazione indotta dall’intenso campo elettrico di un solitone nel materiale in cui entrambi propagano, che si traduce in una forza attrattiva. Nel linguaggio figurato preso a prestito dalla fisica atomica, qui ciascun solitone rappresenta l’analogo di un atomo, e la struttura in cui entrambi i solitoni sono legati l’analogo di una molecola.
Una forma di simbiosi più ricca e complessa è certamente la formazione di cristalli di solitoni. Ma andiamo per ordine. Cosa s’intende prima di tutto per cristallo? Nel linguaggio quotidiano chiamiamo cristallo una pietra semitrasparente, forse simile al vetro nella sua forma più pura, spesso preziosa, e che lascia passare attraverso di essa la luce in maniera piacevole e scintillante. Gli scienziati forniscono invece una definizione meno poetica. In generale un materiale ha struttura cristallina quando i suoi atomi costituenti sono disposti in maniera regolare a formare una sorta di reticolo che si ripete sempre uguale nello spazio. […] Ora, esistono dei particolari circuiti fotonici, detti micro-risuonatori ottici, ovvero delle strutture materiali fabbricate dall’essere umano in cui la luce circola lungo un percorso chiuso tipicamente di forma circolare. In questi micro-risuonatori – micro appunto perché il loro diametro è dell’ordine di alcuni micron, ovvero milionesimi di metro – si possono formare diverse onde solitarie brillanti che, interagendo tra loro, grazie all’aiuto di altre onde oscillanti non-solitarie che fanno da “messaggero”, si dispongono spontaneamente a formare una struttura regolare e ordinata che si ripete periodicamente sempre uguale. I solitoni costituiscono così un reticolo cristallino di luce che corre lungo la circonferenza del risuonatore ottico. In questo reticolo che circola alla velocità della luce invece degli atomi troviamo i picchi di intensità luminosa dei solitoni brillanti. […] I cristalli di solitoni costituiscono inoltre un valido strumento per ottenere la generazione di un particolare tipo di luce composta da molteplici frequenze equispaziate, detto pettine di frequenza di cui parleremo più in dettaglio in seguito quando incontreremo le applicazioni tecnologiche delle onde solitarie.
[…] Abbiamo quindi esplorato nuovi tipi di onde solitarie, quelle oscure, e come esse siano rilevanti – sebbene non rappresentino l’unica via – per la creazione di solitoni simbiotici. Nei cristalli solitonici abbiamo intravisto ulteriori forme di simbiosi più sofisticate e quasi eco della struttura intima della materia stessa. Come una metafora dell’eterno conflitto umano tra il prevalere della collettività o dell’individuo nelle interazioni sociali, la simbiosi, nelle sue multiformi manifestazioni, spalanca dunque una nuova dimensione che consente alle onde solitarie di colmare lo iato esistente tra entità diverse, facendole danzare insieme pur mantenendo ognuna intatta la propria distinta individualità. Quando contemplo dentro di me quest’immagine, frequentemente mi sovviene il pensiero del poeta Nazim Hikmet, che a mio avviso meglio di mille concetti e trattati racchiude e descrive questo anelito di anarchia auto-organizzata che trascende la coercizione violenta: «Vivere! Libero e solo come un albero, e in fratellanza come un bosco, questo è il nostro desiderio».
© 2025 Lit edizioni s.a.s. per gentile concessione
Auro Michele Perego è professore associato di fotonica presso l’Aston Institute of Photonic Technologies a Birmingham nel Regno Unito. Con il suo gruppo di ricerca studia la fisica dei laser, e delle fibre ottiche, i processi di instabilità e di auto-organizzazione delle onde di luce e le loro applicazioni tecnologiche. Ha scritto Natura Instabile. Ordine, Entropia, Divenire pubblicato da Aguaplano nel 2023, che è stato tradotto anche in lingua inglese per Taylor & Francis. Onde Solitarie. Una riconciliazione fisica degli opposti, uscito nel 2025 per Castelvecchi Editore, è il suo secondo libro. Per Ortica Editrice ha di recente tradotto per la prima volta in italiano gli scritti essenziali di Benjamin Tucker pubblicati in Libertà Individuale. Scritti scelti, e quelli di Josiah Warren in uscita imminente con il titolo La vera Civiltà. Commercio Equo.
In copertina: Lucio Fontana, Concetto spaziale. New York 10, 1962, lacerazioni e graffiti su rame
Milano, Fondazione Lucio Fontana.
Poetarum Silva 