Breve storia della Luce (1/3)

Ne percepisci la presenza ogni giorno, maledici la sua natura che la mattina percuote la retina e non ti permette di continuare il tuo viaggio nel mondo dei sogni. Quando vuoi fare il figo e rimorchiare, sfoggi paroloni come "fotone" o "dualismo onda particella" e lì sì che crollano tutti ai tuoi piedi. Da tempi immemori si parla della luce. Ripercorriamo rapidamente la sua storia.


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Ne percepisci la presenza ogni giorno, maledici la sua natura che la mattina percuote la retina e non ti permette di continuare il tuo viaggio nel mondo dei sogni. Quando vuoi fare il figo e rimorchiare, sfoggi paroloni come “fotone” o “dualismo onda particella” e lì sì che crollano tutti ai tuoi piedi.

La luce, per diamine, è lei la protagonista di oggi.

La sua storia non è per nulla semplice e lineare, ma più avvincente di una soap. Non capisco perché a Donna Francisca nel “Segreto” venga dedicato uno spazio così ampio, che potrebbe ben essere investito nel raccontare la storia della luce (ma questo è un altro discorso).  La narrazione è lunga e il tempo breve, incominciamo:

 

“Nel principio Dio creò i cieli e la terra. La terra era informe e vuota, le tenebre coprivano la faccia dell’abisso e lo Spirito di Dio aleggiava sulla superficie delle acque. Dio disse: «Sia luce!» E luce fu.  Dio vide che la luce era buona; e Dio separò la luce dalle tenebre. Dio chiamò la luce «giorno» e le tenebre «notte». Fu sera, poi fu mattina: primo giorno.”

Forse siamo andati un po’ troppo indietro nel tempo.

Saltellando fino ai tempi dell’antica Grecia, diverse furono le teorie per spiegare i meccanismi di visione. La teoria più originale forse è quella di Archita di Taranto secondo cui i nostri occhi emettono un qualcosa molto simile ad un fluido (un fuoco invisibile) che colpendo gli oggetti circostanti ritorna poi all’occhio.

Le teorie sviluppate nella Magna Grecia sono davvero infinite e particolareggiate, ma bisogna aspettare il periodo rinascimentale e del barocco per avere uno studio più raffinato e meno filosofico, anche se non sempre corretto, del fenomeno luce. Diversi sono i nomi da ricordare Kepler, Galileo, Snell, Cartesio, Fermat, Grimaldi, Huygens, Hooke, Romer, Newton.

Galileo fu uno dei primi a tentare un esperimento sulla misura della velocità della luce, sperando di riuscire a calcolarla registrando il tempo che la luce emessa da una lanterna a pochi Km di distanza, impiegava per raggiungere il suo occhio. Inutile dire che il risultato fu nullo a causa delle brevi distanze e dell’alta velocità della luce. Se, però Galileo, volendola misurare, considerava finita la velocità della luce per altri invece non era cosi, poiché assegnavano al fenomeno luminoso una propagazione istantanea.  Tra questi c’era Cartesio che implicava anche, come l’origine del colore fosse dovuta a rotazioni differenti delle particelle costituenti della luce.

Svolta incredibile. 1676.

L’astronomo danese Olaf Röemer provò sperimentalmente che la luce si propaga a velocità finita e ne fornì un primo valore. La determinazione di Röemer si basò sullo studio delle eclissi del satellite Io di Giove arrivando ad un valore pari a 210000 km/s mentre il valore attualmente accettato è di 299792,2 km/s. Una bella differenza, ma sempre un buon punto di partenza.

A questo punto un capitolo avvincente si apre nella storia. I due protagonisti sono Newton e Huygens.

Newton sviluppa una teoria corpuscolare della luce validissima per spiegare i fenomeni di rifrazione e riflessione di cui tanto si era occupato; associava inoltre la proprietà del colore dovuta alle differenti dimensioni dei corpuscoli di cui era composta la luce stessa. Newton si scontra con la teoria ondulatoria di Huygens secondo cui la luce è movimento capace di eccitare la visione. Huygens poneva come prova incontrastabile l’incontro tra due raggi di luce  che non costituivano alcun tipo di “disturbo” durante la loro unione. Ciò permetteva di concludere che la luce non potesse essere costituita da particelle. Sarebbe, piuttosto, dovuta essere vibrazione, allo stesso modo del suono.

Newton modificando parzialmente la sua teoria arriva ad affermare nel terzo volume dell’optiks:

 

“È difficile sapere se la luce sia un’emissione di corpuscoli o se sia solo un movimento astratto, una certa forza che si propaga da sé”

Mattacchione Newton aveva effettivamente concepito un primo embrione molto poco sviluppato, rozzo ed approssimato di una teoria in cui bisognava necessariamente tener conto della natura corpuscolare e di quella ondulatoria a seconda del fenomeno che si considerava… UNA TEORIA ONDA-PARTICELLA (Silenzio. Emozionati!)

Cavalcando sempre l’onda del tempo si passa attraverso i grandi studi e i clamorosi risultati di Young e Fresnel. Nota necessaria per Young, che studiò approfonditamente la luce arrivando ad enunciare il fenomeno dell’interferenza:

 

“Quando due parti di una stessa luce raggiungono l’occhio seguendo due diversi percorsi di direzioni molto vicine, l’intensità è massima quando la differenza dei cammini percorsi è un multiplo di una certa lunghezza; essa è minima per lo stato intermedio.”

Dai non è difficile da capire guarda un po’ qua.

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Se le due onde si sovrappongono con i picchi nella stessa posizione l’intensità sarà superiore a quella delle due onde di partenza, viceversa l’intensità risulterà diminuita o nulla. Per cui facendo infrangere in generale due onde in diversi punti dello spazio saranno presenti interferenze più o meno costruttive che genereranno la strabiliante figura d’interferenza.

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Tienila bene a mente ci servirà nella prossima puntata.

Come ben vedi per spiegare questo fenomeno è necessario ipotizzare la natura ondulatoria della luce, da questo momento in poi, per svariati decenni gli esperimenti svolti sembrano riportare a questa conclusione. La teoria corpuscolare Newtoniana viene progressivamente abbandonata.

E’ giusto soffermarci un po’ più al lungo nell’anno 1862, in cui Jean Bernard Léon Foucault tramite l’esperimento degli specchi rotanti attuò una nuova misura della velocità della luce.

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L’esperienza è semplice e forse è in questo che consiste la genialità del tutto.  Una sorgente luminosa emette un raggio che tramite uno specchio semi-riflettente viene diviso in due. Il primo raggio arriva ad un osservatore. Il secondo invece attraversando lenti di focalizzazione arriva ad un secondo specchio, posto in rotazione, il quale riflette il raggio che arriva in c e nuovamente riflesso ripercorre il percorso a ritroso fino a giungere nuovamente all’osservatore.

Appena arrivato in P il raggio viene appunto riflesso verso lo specchio C, ma nel frattempo lo specchio P ruoterà di un determinato angolo. Il tempo impiegato per il raggio per percorrere la distanza PC che definiremo D e ritornate allo specchio P sarà data da

t=2D/c

Con c la velocità della luce da determinare. Conoscendo inoltre la velocità di rotazione dell’angolo da cui è possibile ricavare il periodo di rotazione è possibile imporre una generica proporzione tra angolo descritto e tempo, considerando che in un tempo pari al periodo di rotazione T lo specchio avrà compiuto un giro completo pari a 2 π.

2π : T = ω : t => t = ωT/2π

Dove in questo caso ω rappresenta un generico angolo di rotazione e t il tempo necessario per compiere l’angolo descritto. Unendo le relazioni:

c = 2D/t = 4πD/ωT

Calcolando a questo punto l’angolo in funzione dello scostamento del raggio da s a s’, si hanno tutti gli ingredienti per poter calcolare la velocità della luce. La cosa affascinante di tutto ciò è che i dati necessari sono unicamente parametri strumentali facilmente ricavabili.

Bravo Foucault!

Tramite questo giochino calcolò una velocità pari a 298000km/s poco distante dal valore reale.

Ripetendo lo stesso esperimento ma facendo attraversare al raggio luminoso un tubo contenente acqua Foucault misurò in questo caso c pari a ~ 223000 Km/sec.

Questo fu l’experimentum crucis che dimostrò come la teoria corpuscolare di Newton dovesse essere abbandonata. Se fosse stata valida la luce avrebbe dovuto propagarsi più rapidamente in mezzi con indice di rifrazione (proporzionale alla densità del mezzo) maggiori.

Se anche tu vuoi far vibrare la tua anima cercando di misurare la velocità della luce, poiché lo strumento a specchio rotante potrebbe essere di non troppa facile costruzione prova con il forno a microonde: LINK

Solo due anni dopo, nel 1864, vennero pubblicate le memorie di Maxwell: A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field.  Questo lavoro contiene tutti i principali risultati, precedentemente ottenuti e rappresenta la prima formulazione completa, dal punto di vista analitico, della teoria del campo elettromagnetico e della teoria elettromagnetica della luce.  Un piccolo elogio a Maxwell oltre che necessario è dovuto. Maxwell arriva a credere che la luce sia un’onda elettromagnetica confrontando le formulazioni ottenute in cui spesso era presente come costante proprio la velocità della luce. E’ grazie a quest’immenso uomo che luce, elettricità e magnetismo diventano non altro che diverse facce di una stessa medaglia: l’elettromagnetismo. Qualche anno dopo affermò:

 

“Il fatto che i risultati concordino sembra mostrare che la luce e il magnetismo siano fenomeni della stessa sostanza e che la luce è un disturbo elettromagnetico propagato attraverso il campo in accordo alle leggi elettromagnetiche.”

La sostanza a cui Maxwell fa riferimento è l’etere. Sebbene nelle equazioni da lui formulate non sia in nessun modo presente un qualche valore che rimandi alla necessità dell’etere, la teoria richiede necessariamente un mezzo meccanico per permettere la trasmissione dell’onda stessa. La teoria ipotizza infatti che l’energia elettrica non sia altro che energia potenziale meccanica e che l’energia magnetica sia energia cinetica di natura meccanica.

Anche se non ancora citato l’etere rappresenta questa sostanza che si ritrova in tutte le teorie citate fino ad ora.

Ipotizzato inizialmente da Aristotele nel 380 a.C. per riempire gli spazi interplanetari, successivamente per Newton doveva essere della medesima costituzione dell’aria ma più rarefatto, sottile, elastico e con caratteristiche di non uniformità.  Inoltre era necessario ipotizzare che fosse abbastanza sottile da sfuggire all’aspirazione della pompa da vuoto, poiché si era effettivamente sperimentato nel 1660 come la luce propagasse anche nel vuoto. Oltre che uniformemente molto elastico, l’etere doveva presentare elevatissima durezza per permettere le elevate velocità della luce.

Secondo Born,

 

“L’etere astronomico, molto distante dai corpi materiali, è, in ogni sistema inerziale, in uno stato di quiete. Se così non fosse, alcune parti dell’etere sarebbero accelerate, e dovremmo pensare all’esistenza di forze centrifughe tali da produrre variazioni di densità ed elasticità; le nostre osservazioni sulla luce proveniente dalle stelle non ci danno però alcuna indicazione in questo senso.”

Per spiegare alcuni fenomeni Fresnel aggiunse l’ipotesi del trascinamento parziale dell’etere supponendo che fosse trascinato dal moto della Terra ed in generale dal moto di oggetti massivi.

Di conseguenza la velocità della luce nell’etere in riposo dovrebbe essere differente da quella dell’etere trascinato

 

“Precisamente come la velocità di un’onda sonora differisce secondo che l’aria è calma o che tira vento.”

Siamo arrivati al concetto di etere, continuare ora significherebbe raddoppiare le pagine dell’articolo.

Medita Billy, medita.

Perché la storia continua e presto ne riparleremo arrivando all’esperimento che più di tutti ha sconvolto me, la fisica classica e un po’ tutto il mondo accademico dell’epoca, non ti anticipo nient’altro. Tieni pero bene in mente che l’esperimento è talmente importante da essere definito dallo stesso Stephen Hawking:

 

“Uno degli errori più importanti nella storia della fisica”

Ci scriviamo presto!

Luceat lux vestra

Pubblicato da Davide Loiacono

Prodotto tenace commissionato (con amore) in Calabria. Vive di passioni e la curiosità è la sua unica vera musa! Studente Polimi di cose strane per capriccio del caso o voglia del suo Dio.