Teoria della luce tra '700 e '800

G. Holton, Physics the Human Adventure

J. Gribbin, L'avventura della scienza moderna

Einstein, Infeld, The Evolution of Physics

M. Gliozzi, Storia della fisica

E. Schroedinger, L'immagine del mondo

D. Park, The Fire within the Eye

Courbet, L'onda, 1818

C.D. Friedrich, Sera con nuvole, 1824

Ottica pre-newtoniana e newtoniana: competizione tra programmi di ricerca

Grimaldi, Cartesio, Huygens, Hooke, Rœmer

Newton: la formazione di un paradigma → natura CORPUSCOLARE della luce

il programma di ricerca newtoniano – il programma minoritario (Eulero)

“Shift” di paradigma

Young, Fresnel → natura ONDULATORIA della luce

t

1600

1700

1800

Legge della rifrazione

• Precedenti: Tolomeo

• 1620 ca.

W. Snell Cartesio

Legge con teoria fisica: AB percorso nello stesso t di BC → v aumenta

Legge puramente fenomenologica, empirica

meno denso

più denso

due programmi di ricerca in un solo uomo: Cartesio

• Luce come “PRESSIONE” e non “moto” - analogia con il bastone del cieco, che

trasmette impulsi senza spostare materia e con velocità istantanea

→ luce come “accidente”

• Luce come “MOTO” di corpi – analogia della “palla da tennis”, moto con velocità

finita (es. nella rifrazione)

Rifrazione: “[luce come una palla che] perde molto più della sua agitazione dando

contro un corpo molle che contro un corpo duro, e che rotola meno agevolmente

su un tappeto che non su una tavola tutta nuda [e quindi l'azione della luce è]

molto più impedita dalle parti dell'aria che essendo come molli e mal riunite non

gli fanno molta resistenza, che non da quelle dell'acqua e da quelle del vetro o del

cristallo”

→ luce come “sostanza”• periodo pre-paradigmatico (Kuhn)

• capacità di lavorare contemporaneamente in programmi diversi (Lakatos)

primo modello ondulatorio

• Christiaan Huygens (1629-1695)

• "L'Olanda ha avuto due grandi stelle della fisica, Huygens e Lorenz, con

la sfortuna ciascuno di essere contemporaneo di due supernove della

fisica, Newton e Einstein."

• onde longitudinali, "tira-e-spingi" delle particelle dell'etere

• Hooke: onde trasversali (ma H. è dispersivo...)

• principio di Huygens (Il fronte d'onda – piano o curvo- di una perturbazione che

si propaga entro un mezzo materiale esteso nelle tre diremensioni spaziali,

investendo I punti del mezzo, li rende, a loro volta, sorgenti di onde secondarie

aventi la stessa frequenza dell'onda primitiva. L'insieme di queste onde secondarie

crea un inviluppo -piano o curvo- che rappresenta il nuovo fronte d'onda della

perturbazione)

• conosce i risultati di Roemer (luce ha velocità finita) → ipotizza etere

elastico e rigido, particelle con urti elastici

• tesi del passo che segue: luce è legata al movimento, ma il movimento

non può essere quello della traslazione di materia su scala

macroscopica

"We cannot help believing that light consists in the motion of a certain material. For when we consider its production we find that here on the earth it is generally produced by fire and flame, which, beyond doubt, contain bodies in a state of rapid motion, since they are able to dissolve and melt numerous other more solid bodies. And if we consider its effects, we see that when light is converged, as, for instance, by concave mirrors, it is able to produce combustion just as fire does [...] a property that surely indicates motion, at least in the true philosophy where one believes all natural phenomena to be mechanical effects. [...] When we consider, further, the very great speed with which light is propagated in all directions, and the fact that when rays come from different directions, even those directly opposite, they cross without disturbing each other, it must be evident that we do not see luminous objects by means of matter translated from the object to us, as a shot or an arrow travels through the air. [...] Light is then propagated in some other manner, an understanding of which we may obtain from our knowledge of the manner in which sounds travels through the air. [...] Sound is propagated in all directions from the point where it is produced, by means of a motion which is communicated successively from one part of the air to another; and since this motion travels with the same speed on all directions, it must form spherical surfaces which continually enlarge until finally they strike our ear. Now there can be no doubt that light also comes from the luminous body to us by means of some motion impressed upon the matter which lies in the intervening space; for we have already seen that this cannot occur through the translation of matter from one point to the other."

C. Huygens, Traité de la lumiere, 1678

il valore dell'analogia in fisica teorica – luce e suono

"The physicist who seeks to unite and classify in an abstract theory the laws of a certain

category of phenomena, lets himself be guided often by the analogybe guided often by the analogy that he sees

between these phenomena and those of another category. If the latter are already

ordered and organized in a satisfactory theory the physicist will try to group the

former in a system of the same type and form. The history of physics shows us that

the search for analogies between two distinct categories of phenomena has

perhaps been the surest and most fruitful method of all the procedures put in

play in the construction of physical theories"

P. Duhem, The aim and structure of physical theory

→ se funziona, bene

→ altrimenti ha comunque fornito una congettura, utile per fare tentativi ed errori

→ utile per l'apprendimento

→ senso stesso del fare scienza

What is a wave?

"A bit of gossip starting in Washington reaches New York

very quickly, even though not a single individual who

takes part in spreading it travels between these two

cities. There are two quite different motions involved,

that of the rumor, Washington to New York, and that of

the persons who spread the rumor. The wind, passing

over a field of grain, sets up a wave which spreads out

across the whole field. Here again we must distinguish

between the motion of the wave and the motion of the

separate plants, which undergo only small oscillations. [...]

The essential new thing here is that for the first time we

consider the motion of something which is not matter,

but energy propagated through matter."

Einstein-Infeld, The Evolution of Physics

La prima diffrazioneFrancesco Grimaldi (1618-1663) osserva deflessione e dispersione (frange colorate) sul bordo di un raggio

passante attraverso una piccola apertura circolare; pubblicato postumo, non viene difeso e notato, l'universo scientifico è già conquistato dal paradigma corpuscolare → 150 anni prima di Th. Young! ←

A, B: bordi della fenditura praticata in un battente

FE : piccolo oggetto opaco

CD: schermo bianco sul pavimento

ACL: cono di luce da A, in assenza di FE

BID: cono di luce da B, in assenza di FE

GL: ombra di FE secondo la teoria della propagazione rettilinea della luce applicata alla sorgente A

IH: idem per sorgente B

→ IL regione d'ombra, con la parte centrale GH nera

INVECE SI OSSERVA:

L'ombra è MN, e in MC e ND ci sono frange bianche con bordi blu/rosso

Risultato attuale con luce

monocromatica

Gesuita, docente a Bologna

“increspature di luce”

Il commento di E. Schroedinger (1932) su Grimaldi

“Quest'esperienza […] fu la prima nel suo genere, la prima che dimostrò in modo chiaro

e preciso che la luce non si propaga rigorosamente in linea retta e che la deviazione

dalla linea retta dipende strettamente dal colore o, come diciamo oggi, dalla

lunghezza d'onda. Questo risultato ci sembra oggi fondamentale, non solo per la

spiegazione del modo di propagarsi della luce, ma addirittura per la nostra immagine

del mondo fisico. Parlando con linguaggio moderno: Grimaldi aveva sottomano il

primo esempio del principio d'indeterminazione della meccanica quantistica,

formulato da Heisenberg nell'anno 1927 (la precisa limitazione laterale della luce per

mezzo del filo produce un'imprecisione della direzione in cui essa continua il suo

cammino).”

(E.S., La scienza dipende dall'ambiente?)

Luce: velocità di propagazione finita

Ole Rœmer (1672-1676): metodo astronomico;

misura del tempo T necessario ad un satellite di

Giove per completare l'orbita; mano a mano che

la Terra si allontana (A)/avvicina (B) a Giove

lungo la sua orbita la luce emessa dal satellite

che riemerge dalla zona d'ombra impiega

più/meno tempo a raggiungerci; il tempo

proprio di rotazione attorno a Giove è di ca. 42

ore; dalle misure dei diversi T si ricava che la

luce impiega circa 11 min. per percorrere una

distanza pari a Terra-Sole.

→ Stima: 133000 miglia/sec,

cioè 220000 km/sec

(prima misura di una costante universale)

G

S

A

B

Terra

1849: metodo terrestre, Fizeau (313000 km/sec)

1850: in mezzi rifrangenti, Foucault → importante vs l'hp corpuscolare di V maggiore

il lascito Newtoniano: natura della luce e modelli

“I understand light to be any entity or power of an entity which proceeds directly from a bright body and is able to excite vision: and

I understand rays of light to be the smallest parts, or at least the indefinitely small parts of it, which are mutually independent, as are

all rays which luminous bodies emit along straight lines either successively or at the same time.”

(N., lettera a un critico)

“Are not the Rays of Light very small Bodies emitted from shining Substances? For such Bodies will pass through uniform

Mediums in right Lines without bending into the Shadow, which is the Nature or Rays of Light”

(N., Opticks, book III)

Luce è composta da particelle che si muovono in linea retta- quando incontrano oggetto → interazione

deviazione del raggio

rifrazione

riflessione

diffrazione

“Do not Bodies act upon Light at a distance and by their action bend its Rays; and is not this action (caeteris paribus) strongest at the least distance?”

(Newton, Opticks)

“Are not the rays of Light in passing by the edges and sides of Bodies, bent several times backward and forwards, with a motion like that of an Eel? And do not the three Fringes of colour'd Light abovemention'd arise from three such bendings?”

(Newton, Opticks)

Nota sulla rifrazione: mezzo denso → maggiore interazione gravitaz. → v più elevata

Experimentum crucis : il colore è separato, e non creato (ex

teoria modificazionista)

il lascito Newtoniano: rifrazione e dispersione- Exp. dei due fili annodati -

→ N.B.: rosso deviato più del blu

Soluzione contro l'aberrazione cromatica nelle lenti (= prismi):il RIFLETTORE (specchi al posto di lenti)

“As the Rays of light differ in their degrees of Refrangibility, so they also differ in their disposition to exhibit this or that particular colour. Colours are not Qualifications of Light, derived from Reflections, or Refractions of natural Bodies (as 'tis generally believed,) but Original and connate properties, which in divers Rays are divers. Some rays are disposed to exhibit a red colour and no other; some a yellow and no other; some a green and no other, and so of the rest. Nor are there only Rays proper and particular to the more eminent colours, but even to all their intermediate gradations.”

(Newton, Optical lectures)

il (pesante?) lascito Newtoniano

1727 morte di Newton; il "mondo" degli ottici è oramai praticamente completamente "corpuscolare" (Optiks, 1703): si spiegano riflessione, rifrazione, dispersione; si producono e si fanno – con successo - i conti con lenti e specchi.

F

aria

vetro

(V vetro > V aria)

diverse F per diversi corpuscoli(rifrazioni successive)

“Giammai s'è vista la luce seguire vie tortuose o inflettersi nell'ombra [come il suono, le onde]” (Newton)

“Il trionfo della teoria corpuscolare nel XVIII secolo è comunemente attribuito all'autorità

di Newton e il danno derivato alla scienza è spesso paragonato a quello subito per duemila

anni dall'affermazione dell'autorità di Aristotele: è un'interpretazione storica forse troppo

semplicistica. Certo l'autorità di Newton ebbe un gran peso, ma è dubbio che sia stata

determinante nel successo della teoria corpuscolare...”

“Principio di Planck” ??

"An important scientific innovation rarely makes its way by gradually winning over and converting its opponents: it rarely happens that Saul becomes Paul. What does happen is that its opponents gradually die out, and that the growing generation is familiarized with ideas from the beginning: another instance of the fact that the future lies with youth"

(Planck, Philosophy of Physics)

in realtà ci sono nuove evidenze sperimentali e nuove congetture su base analitica, tuttavia è vero che

qualcosa c'era già stato... (programma di ricerca “ombra”, sottotraccia: Huygens, Eulero...)

...Nel XVIII secolo non c'erano ragioni scientifiche decisive a favore dell'una o dell'altra...

le due teorie che si fronteggiavano interpretavano entrambe, più o meno bene, i fenomeni più

comuni; entrambe erano complicate. E allora, complicazione per complicazione, tanto valeva

attenersi alla teoria emissionistica che si presentava come un'ottica del senso comune...”

(Gliozzi)

Eulero, 1746: modello ondulatorioPbm del corpuscolarismo:

- continua emissione → esaurimento della sorgente (Sole)

- incrocio di fasci di luce?

- corpi trasparenti... trasparenti = dotati di fori rettilinei secondo tutte le direzioni??

Così E. descrive la luce in analogia con il suono:

"La luce solare è rispetto all'etere quello che è il suono rispetto all'aria" e descrive il Sole come "un

campanello che, invece di suono, emette luce"

altezza suono ↔ colore luce; colore oggetto → risonanza con la luce che lo illumina

E. viene ignorato: praticamente è l'unico "ondulatorista" di tutto il '700.

Il passo decisivo per il cambiamento di paradigma sarà

la "novità" della DIFFRAZIONE: inizio Ottocento.

NOTA: modello di atomo risonante! “The nature of the radiation by which we see an opaque object does not depend on the source of light but on the vibratory motion of the very small particles of the object's surface. These little particles are like stretched strings, tuned to a certain frequency, which vibrate in response to a similar vibration of the air even if no one plucks them. Just as the stretched string is excited by the same sound that it emits, the particles of the surface begin to vibrate in tune with the incident radiation and to emit their own waves in every direction”

(E., A new Theory of Light and Colors)

Thomas Young (1773 -1829)

Genio precoce; parla molte lingue antiche, medico, egittologo; descrive il meccanismo della visione (colori primari, cellule sensibili alla luce -coni-; astigmatismo, daltonismo)

Modello ondulatorio; lunghezza d'onda associata al colore; dal

pattern di diffrazione deduce:

λ(rosso)=6.5 10^(-7) m; λ(blu)=4.4 10(-7) m

1801: idea di interferenza delle onde

critiche pesanti: "idea ridicola" che sommando due raggi

luminosi si possa ottenere oscurità.

1804: esperimento delle due fenditure

proprio da Newton (spiegazione maree

anomale, Principia) prende lo spunto per introdurre il principio di interferenza

“Supponete un numero di eguali onde d'acqua muoversi sulla superficie di un lago con

una certa velocità costante ed entrare in uno stretto canale che conduce fuori del lago;

supponete inoltre che un'altra causa simile abbia eccitato un'altra eguale serie di onde

che arrivano allo stesso canale con la stessa velocità, contemporaneamente al primo

sistema di onde. Nessuno dei due sistemi di onde distruggerà l'altro, ma i loro

effetti si combineranno: se essi entreranno nel canale in modo che le elevazioni di

un sistema coincidano con quelle dell'altro, esse produrranno insieme una serie di

maggiori elevazioni; ma se le elevazioni sono così disposte da corrispondere alle

depressioni dell'altro, esse riempiranno esattamente quelle depressioni e la superficie

dell'acqua rimarrà liscia. Ora io ritengo che simili effetti avranno luogo quando due

parti di luce saranno in tal modo mescolate: e questa sovrapposizione io chiamo la

legge generale dell'interferenza della luce.”

Th. Young,

An Account of Some Cases of the Production of Colours not Hitherto Described,

Philosophical Transactions, 92, 1802

esperimento della doppia fenditura

"Il centro è sempre luminoso, e le strisce chiare da entrambe le parti sono a distanze tali che la luce

che giunge ad esse da una delle aperture deve aver percorso una lunghezza che supera quella

percorsa dalla luce proveniente dall'altra fenditura di un intervallo pari alla larghezza di una,

due, tre o più delle ipotetiche ondulazioni, mentre le strisce scure interposte corrispondono a una

differenza di percorso pari a metà di una ipotetica ondulazione, a una e mezzo, a due e mezzo, o

più"

nλ = d senθ -> massimi di interferenza costruttiva

n/2λ = d senθ -> minimo (interferenza distruttiva)

(disegno originale di Young)

Augustin Fresnel (1788-1827)

Ingegnere; pare non abbia letto Huygens, Eulero, Young; scoperta autonoma.

- esperimento a singola fenditura

- diffrazione da disco e da lama

Si aggiudica il premio bandito da Parigi - 1817, con tre arbitri severissimi e "corpuscolari":

Laplace, Poisson, Biot che rilanciano: "Supponiamo che raggi paralleli incidano su un

disco opaco, e che la regione circostante sia perfettamente trasparente. Il disco proietta

un'ombra -ovviamente-, ma il centro esatto dell'ombra sarà chiaro..." -> funge da vera e

propria congettura.

NB: esempio di congettura molto improbabile (Popper), di quelle "sane" per lo sviluppo

Risultato:

"Uno dei nostri commissari, M.

Poisson, ha dedotto dagli

integrali riportati

dall'autore la singolare

conseguenza che il centro

dell'ombra di uno schermo

circolare opaco deve essere

altrettanto illuminato come

se lo schermo non

esistesse.

La predizione è stata sottoposta

al vaglio dell'esperimento

diretto, e l'osservazione ha

confermato perfettamente

il calcolo"

Nuovo paradigma: modello ondulatorio

• Il superamento della nuova congettura (risoluzione di un problema empirico, Laudan)

crea uno shift di paradigma (Kuhn) o slittamento di programma di ricerca da uno

regressivo ad uno progressivo (Lakatos) : dal modello corpuscolare, incapace di dare

ragione della diffrazione, al modello ondulatorio.

• Questo nonostante si apra un problema concettuale: la luce è vibrazione di quale

materia? Come osservare e misurare l'etere?

“Brewster non ammetteva la teoria ondulatoria, perché non poteva attribuire al Creatore

«una così grossolana idea di riempire lo spazio di etere allo scopo di produrre la

luce»” (Gliozzi)

→ risposta con l' elettromagnetismo e le misure di Michelson e Morley (1885 ca.)

1702 - 1817: luce: dal modello corpuscolare a quello ondulatorio

→ ipotesi di lettura più generale:

tale transizione – che induce anche un'analoga transizione per l'idea di calore - permette

lo sviluppo del concetto di conservazione dell'energia

luce e caloreluce: da sostanza

a ONDA anche il calore:da sostanza a stato di moto

meccanica praticamente completata nel '700, manca "solo" il principio diconservazione dell'energia

conservazione dell'energia1850

"fisica classica"

ONDA: trasporto di energia senza trasporto di materia

Il commento di E. Schroedinger (1932)

[…] la teoria corpuscolare di Newton prevalse su quella ondulatoria di Huygens. L'interesse prese

allora un indirizzo del tutto diverso, che permise di ottenere risultati anche molto interessanti,

d'importanza pratica e, non occorre nemmeno dirlo, perfettamente giusti, ossia le leggi della

riflessione e della rifrazione e la loro applicazione alla costruzione di strumenti ottici. Quanto

alla teoria di Newton, non si ha più diritto di chiamarla falsa, come si usò poi per un certo

tempo, perché l'ultima parola della scienza, per il momento, è questa: né la teoria

corpuscolare né quella ondulatoria, prese singolarmente, sono capaci di rendere conto dei

fatti; esse rivelano due aspetti del tutto diversi dei fenomeni, due aspetti che non abbiamo

ancora imparato a mettere in armonia fra loro in modo soddisfacente. L'interesse per uno degli

aspetti dell'argomento aveva soffocato completamente e per lungo tempo l'interesse per l'altro.

Nella sua esposizione teorica ed epistemo-psicologica dell'ottica fisica Ernst Mach osserva, a

proposito di questo svolgimento storico, che esso mostra chiaramente “quanto poco lo

sviluppo della scienza segua una via logica e sistematica”. Del resto nello studio della materia

si osserva uno svolgimento del tutto simile. Solo che qui, nel caso della materia, è esistito

molto più a lungo e fino a un'epoca recentissima il solo aspetto corpuscolare, perché la

conferma sperimentale dell'aspetto ondulatorio era, in questo caso, molto più difficile che per

la luce”

(E. S., La scienza dipende dall'ambiente?)

una falsificazione non è per sempre?

Feyerabend, anarchismo metodologico

le cose apparentemente semplici...

Problemi con l'etere – visione meccanica (particelle+forze)

Onde... longitudinali o trasversali?

come aria e suono, ipotesi più semplice

ether “air-like”

Richiede un mezzo elastico

ether “jelly-like”

La luce è polarizzata → solo onde trasversali !

Es: rifrazione nello spato d'Islanda

(birifrangenza con polarizzazione)

Evidenza sperimentale:

deve essere ovunque …ma non c'è

resistenza al moto dei pianeti!

Joseph von Fraunhofer (1787-1826)

1814 nasce la SPETTROSCOPIA. Conta ben 576 righe nere nello spettro di assorbimento solare -> composizione stelle → inizio astrofisica: l'universo è costituito dagli stessi elementi chimici presenti sulla Terra.

1859 Kirchhoff e Bunsen, interpretazione degli spettri