Breve storia della Luce
I Greci e la Luce
Teoria Antropocentrica della Luce
Fra tutte le teorie esistenti quella Antropocentrica (1) è sicuramente la più diffusa. Questa teoria si divide in due filoni:
- Emissionista sostenuta da Pitagora (2) per il quale La visione è un fluido che esce dall’occhio
- Immisssionista sostenuta da Democrito (3) per il quale La visione è un fluido che esce dagli oggetti
Tali teorie si fusero nella concezione di Platone (4), il quale riteneva che la luce derivasse dall’incontro di due fluidi, uno proveniente dall’occhio e l’altro dall’oggetto.
Lo studio della luce venne affrontato da Euclide (5) che elaborò una specifica disciplina, l’ottica geometrica. Sulla base dei due postulati:
- “i raggi emessi dall’occhio procedono per via diretta”
- “la figura compresa dai raggi visivi è un cono con il vertice nell’occhio e la base al margine dell’oggetto”
Gli studi compiuti da Euclide permisero a Erone (6) la formulazione delle leggi della Riflessione e del minimo cammino
Quando la luce trova un corpo opaco, può essere prevalentemente
Riflessa se la superficie del corpo è liscia
Diffusa se la superficie del corpo è scabra
(1) Teoria Antropocentrica: Teoria che pone l’uomo al centro dell’universo
(2) Pitagora: Filoso e matematico greco antico (Samo, tra il 580 a.C. e il 570 a.C. – Metaponto, 495 a.C. circa)
(3) Democrito: Filoso greco antico (Abdera, 460 a.C. – 370 a.C. circa)
(4) Platone: Filosofo e scrittore greco antico (Atene, 428/427 a.C. – Atene, 348/347 a.C.)
(5) Euclide: Matematico e filosofo greco antico (IV secolo a.C. – III secolo a.C.)
(6) Erone: Matematico, ingegnere e inventore alessandrino (I secolo d.C.? – …)
MedioEvo
Inizio dell’Ottica moderna
Intorno all’anno Mille, l’arabo Alhazen (1) ripropose l’idea semplice del raggio luminoso, non più considerato, però, veicolo dell’immagine dell’oggetto, bensì di un solo punto di esso.
Ogni punto luminoso emette infiniti raggi, ma solo quelli che entrano nel cono avente come base l’oggetto e come vertice l’occhio determinano la visione.
Alhazen per primo suddivise i corpi che emettevano luce e corpi che riflettevano la luce, rispettivamente in:
- Sorgenti luminose primarie: Naturali, Artificiali
- Sorgenti luminose artificiali: Trasparenti, Traslucide, Opache
Gli studi si Alhazen, conosciuti anche in Occidente contribuirono a affermare che le prime teorie sulla luce sono state ‘corpuscolari’: la luce è fatta di particelle.
(1) Alhazen Fu uno dei più importanti e geniali scienziati del mondo islamico (ed in genere del principio del secondo millennio). È considerato l’iniziatore dell’ottica moderna.
Rinascimento
Primi collegamenti fra ottica e meccanica
Nel Rinascimento gli studi sul fenomeno della visione continuano ad essere incentrati sulla luce e la propagazione delle “specie” visive. Si assistette infatti a un approfondimento dell’indagine sperimentale destinata a incrinare la struttura concettuale delle teorie tradizionali sui fenomeni luminosi (soprattutto a opera di F. Maurolico (1) e G. Della Porta (2)). Tali studi rendevano sempre più evidente l’inadeguatezza delle vecchie teorie, che confondevano il problema fisiologico della visione con il fenomeno fisico che la produce.
Nasceva così l’esigenza di collegare lo studio dell’ottica alla meccanica che trovò nelle ipotesi di Cartesio (3) i tentativi di spiegare i vari fenomeni ottici sostenendo che:
la luce consista di corpuscoli in rapido movimento lineare
Le concezioni di Cartesio furono perfezionate da P. Fermat (4) che affermò il principio generale secondo cui:
il raggio luminoso percorre tra due punti il cammino di minimo tempo
Nel frattempo, furono scoperti nuovi interessanti fenomeni, quali la diffrazione, a opera di F.M. Grimaldi (5), e la doppia rifrazione, a opera di E. Bartholin (6).
Studi successivi si concentreranno sempre più sull’aspetto fisico della vista, facendo prevalere la teoria atomistica dell’intromissione, attribuendo alla luce una natura corpuscolare.
(1) Francesco Maurolico : (Messina, 16 settembre1494 – Messina, 22 luglio1575) matematico, astronomo e storico italiano)
(2) G.B. Della Porta: (Vico Equense, 1º novembre1535 – Napoli 4 febbraio1615) filosofo, alchimista, commediografo e scienziato italiano)
(3) Cartesio: (31 marzo1596 – La Haye en Touraine, Stoccolma 11 febbraio1650), filosofo e matematico francese. Cartesio, applicando le leggi dell’ottica geometrica, aveva compreso come la luce bianca si rifrange e si riflette dentro le gocce d’acqua dell’arcobaleno, ma non perché si scinde nei colori dell’iride
(4) P. Fermat: (Beaumont-de-Lomagne, 17 agosto1601[1] – Castres, 12 gennaio1665) matematico e magistrato francese.
(5) F.M. Grimaldi: (Bologna, 2 aprile1618 – Bologna, 28 dicembre1663) gesuita, fisico e astronomo italiano, la cui fama è legata alla scoperta della diffrazione della luce a cui diede il nome.
(6) E. Bartholin: (nato il 13 agosto 1625, Roskilde, Dan. – morto il 4 novembre 1698, Copenaghen), medico, matematico e fisico danese che scoprì il fenomeno ottico della doppia rifrazione.
Isaac Newton
Teoria Corpuscolare della luce
Isaac Newton (1) fu un sostenitore della teoria corpuscolare.
In una prima serie di lavori del 1675 I. Newton sostenne la teoria corpuscolare che spiegava la riflessione (le particelle rimbalzano, appunto come palline, sugli specchi) e la rifrazione (la velocità delle particelle di luce nell’acqua è minore di quella nell’aria).
Questi lavori vennero poi integrati nella famosa opera Ottica (1704) vi espose la sua teoria corpuscolare o emissionistica di derivazione cartesiana, in base alla quale
la luce è costituita da corpuscoli emessi dal corpo luminoso che viaggiano secondo traiettorie rettilinee con velocità dipendente dalla densità del mezzo in cui si muovono.
Egli suppose inoltre che il moto dei corpuscoli suscitasse movimenti vibratori nell’etere circostante, tali da rafforzare od ostacolare i raggi luminosi.
Restavano comunque molti enigmi e proprio il fenomeno dello spettro non trovava conferma nella teoria corpuscolare:
“come mai due o più fasci luminosi possono attraversarsi o sovrapporsi (come fanno, ad esempio, i raggi colorati provenienti dalla scomposizione della luce bianca, ripassando in un prisma opportuno e riformando un unico raggio bianco)? Le particelle che li formano non dovrebbero invece urtarsi e quindi sparpagliarsi? E perché le particelle di luce azzurra vengono rifratte in misura diversa da quelle di luce rossa?”
(1) Isaac Newton: (Woolsthorpe-by-Colsterworth, 25 dicembre 1642[ – Londra, 20 marzo 1727[) matematico, fisico, astronomo, filosofo naturale, teologo, storico e alchimista inglese, considerato uno dei più grandi scienziati di tutti i tempi.
Huygens
Teoria Ondulatoria della luce
Alla fine del XVII secolo il fisico olandese C. Huygens (1) introduceva una teoria antitetica, la teoria ondulatoria della luce:
la luce è fatta di onde piccolissime e i diversi colori sono dovuti a diverse lunghezze d’onda
** la lunghezza d’onda è la distanza tra due ‘creste’ successive (o tra due ‘ventri’ successivi
Nell’opera Traiteé de la lumière (1690) Huygens sosteneva che la luce consiste nel movimento ondulatorio dell’etere, concepito come una materia elastica che compenetra lo spazio; ogni punto della sorgente luminosa comunica un moto ondulatorio alle particelle dell’etere circostante le quali diventano a loro volta centro di una minuscola onda con piano di oscillazione longitudinale nel senso della propagazione.
La teoria ondulatoria spiegava assai bene la riflessione, la rifrazione e la doppia rifrazione, ma non dava esaurientemente conto della propagazione rettilinea della luce e di altri fenomeni, quali la dispersione e la decomposizione della luce bianca.
La teoria ondulatoria, tuttavia, non dava risposta ad alcune domande:
- come mai la luce, se è fatta di onde, non aggira gli ostacoli come fanno le onde sonore o le usuali onde nell’acqua?
- dato che le onde sono comunque perturbazioni di un mezzo materiale [l’aria, nel caso del suono; l’acqua o un altro fluido, nel caso delle usuali onde], come può la luce viaggiare nel vuoto?
Per tutto il secolo diciottesimo le due teorie alternative rimasero in competizione (con una leggera prevalenza della teoria corpuscolare-newtoniana, più per l’autorità e il prestigio di Newton che per meriti intrinseci). Tuttavia, nel secolo diciannovesimo tutta una serie di acquisizioni sperimentali e teoriche sembrarono sancire la vittoria definitiva della teoria ondulatoria.
Il successo della teoria ondulatoria (avvalorata dagli studi di T. Young e di Fresnel) non frenò le ricerche sperimentali che, attraverso la scoperta di effetti luminosi in fenomeni usualmente considerati di nessun interesse ottico (termometri, pile termoelettriche, bolometri, emulsioni con sali d’argento e, più tardi, gli effetti termoionico e fotoelettrico), resero evidenti i legami tra l’ottica e i vari rami della fisica.
(1) C. Huygens: (L’Aia, 14 aprile1629 – L’Aia, 8 luglio1695) matematico, astronomo e fisico olandese , è stato fra i protagonisti della rivoluzione scientifica.
Isaac Maxwell
La teoria elettromagnetica della luce
Un tentativo di risolvere tale problema fu effettuato dapprima da J.C. Maxwell (1) , che, con la teoria elettromagnetica della luce (1862-1864), ricondusse la trattazione dell’ottica nell’ambito dell’elettromagnetismo.
Inserire foto onda elettromagnetica
La teoria elettromagnetica asserisce che la luce consiste in vibrazioni trasversali dello stesso mezzo che è la causa dei fenomeni elettrici e magnetici. Questo mezzo inizialmente fu definito Etere.
Si credeva che l’Etere fosse presente in tutto l’universo, e che fosse costituito da una grandissima quantità di particelle elastiche, che permettevano il propagarsi dell’onda.
L’impossibilità di rilevare sperimentalmente l’esistenza dell’Etere, si concluse con la sua negazione grazie alla teoria della relatività ristretta di Einstein nel 1905.
(1) J.C. Maxwell: (Edimburgo, 13 giugno1831 – Cambridge, 5 novembre1879) è stato un fisico e matematico scozzese. Elaborò la prima teoria moderna dell’elettromagnetismo unificando, mediante le cosiddette equazioni di Maxwell, precedenti osservazioni, esperimenti ed equazioni di questa branca della fisica.
I quanti di luce di Einstein (fotoni)
l modello ondulatorio di Huygens sembrava quindi quello corretto fino agli inizi del Novecento, quando nel 1905 Einstein (1), con un lavoro che gli valse il premio Nobel, giustificò l’effetto fotoelettrico postulando l’esistenza di quanti di luce (che negli anni Venti saranno chiamati da Gilbert N. Lewis fotoni)
In tale lavoro, che si ispirava al concetto di quanto di energia introdotto da Max Planck (2), compariva un’equazione di fondamentale importanza che lega l’energia E di un fotone con la frequenza della luce ν : E = hν (dove ν è la costante di Planck)
Einstein eliminò l’ipotesi dell’etere, attribuendo alla velocità della luce il valore di una costante universale. Inoltre, ricollegandosi ai concetti sviluppati da M. Planck, Einstein introdusse l’ipotesi in base alla quale le radiazioni elettromagnetiche sono emesse e assorbite non sotto forma di onde continue bensì in “pacchetti” di energia, i quanti di luce o fotoni.
In base alle esperienze e agli studi sviluppati nell’ambito della meccanica quantistica a opera soprattutto di L.V. de Broglie e di E. Schrödinger, si è giunti all’unificazione delle due opposte teorie ondulatoria e corpuscolare: è errato attribuire alla radiazione elettromagnetica solo l’aspetto ondulatorio o quello corpuscolare, ma entrambi possono manifestarsi in diverse condizioni.
Nel Novecento, quindi, vi sono stati tre elementi fondamentali che hanno fatto rientrare in gioco l’ipotesi particellare:
- le difficoltà a trovare una spiegazione ondulatoria per l’effetto fotoelettrico (1887) e per l’effetto Compton (1923)
- il grande lavoro svolto a cavallo tra i due avvenimenti da parte di Albert Einstein,
- L’avvento della Meccanica quantistica (1926).
Quest’ultima però, così come era stata formulata, non era in grado di spiegare le proprietà della luce e bisognò attendere fino alla formulazione dell’ Elettrodinamica quantistica (avvenuta a metà degli anni ’40).
(1) Einstein: Ulma, 14 marzo1879 – Princeton, 18 aprile1955) fisico tedesco naturalizzato svizzero e statunitense. Ricevette il premio Nobel per la fisica «per i contributi alla fisica teorica, in particolare per la scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico», un passo avanti cruciale per lo sviluppo della teoria dei quanti, sviluppando a partire dal 1905 la teoria della relatività, uno dei due pilastri della fisica moderna insieme alla meccanica quantistica.
(2) Max Planck: (Kiel, 23 aprile1858 – Gottinga, 4 ottobre1947) è stato un fisico tedesco, iniziatore della fisica quantistica e premio Nobel per la fisica.
L’avvento dell’Elettrodinamica quantistica
L’Elettrodinamica quantistica rappresenta la teoria più avanzata messa a punto dai ricercatori dal punto di vista quantitativo, pervenendo ad un grado di precisione mai raggiunto prima. Essa ha aperto la strada allo sviluppo di una serie di nuove tecnologie, già realizzate o in fase di studio, come il laser e l’olografia, del teletrasporto, dei computer quantistici e della crittografia quantistica che attualmente sono oggetti di ricerche e promettono sorprendenti sviluppi futuri.
