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Indice Corso
0. Introduzione
1. Spunti di Storia
2. Elettromagnetismo e telescopi (+)


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Fondamenti di Astronomia - Capitolo 2
Lezione 03: La luce: aspetti storici e teorici
A cura di: prof.ssa Anna Zappi, Ing. Damiano Martorelli

2.3.1 Un po' di storia...

Noi in genere definiamo la luce come agente fisico che rende possibile la visione dei corpi. Come abbiamo visto nella Lezione precedente, la luce non è che un aspetto delle onde elettromagnetiche; ma fino alla metà del 1600, l'ipotesi più accreditata è stata quella secondo la quale la luce è un insieme di corpuscoli (teoria corpuscolare). Secondo tale teoria, i corpuscoli, partendo dalla sorgente e muovendosi in linea retta, rimbalzerebbero su alcuni corpi (i cosidetti corpi opachi) e ne attraverserebbero altri (i cosidetti corpi trasparenti). Le prime esperienze in merito furono condotte da Isaac Newton (Woolsthorpe-by-Colsterworth, 4 gennaio 1643 – Londra, 31 marzo 1727). Dai risultati ottenuti dal suo lavoro di indagine, Newton dedusse che la luce fosse costituita da piccolissime particelle che si propagano con velocità enorme.
   Questo modello spiegava la propagazione rettilinea della luce e la formazione delle ombre. Non solo. Esso era in grado di giustificare pienamente anche i fenomeni della riflessione e della rifrazione della luce. Secondo tale modello la riflessione è dovuta al fatto che i corpuscoli, quando colpiscono una superficie come quella, per esempio, di uno specchio, rimbalzano. La rifrazione, invece, è dovuta al fatto che i corpuscoli, quando passano da un mezzo meno denso ad uno più denso – ad esempio dall'aria all'acqua – mutano la loro velocità e di conseguenza subiscono una deviazione. Restavano tuttavia in piedi alcuni interrogativi di non trascurabile importanza. Come si spiegava, per esempio, il fatto che quando due fasci di luce si incrociano, essi si attraversano e proseguono come se nulla fosse successo? Se fossero corpuscoli a comporre la luce, questi, entrando in collisione, darebbero luogo a scambi d'energia. Perciò, dopo la collisione, i due fasci dovrebbero avere caratteristiche diverse.
   Newton aveva condotto esperimenti anche sulla dispersione della luce; egli, cioè, aveva verificato che raggi di diverso colore vengono diversamente deviati (rifratti) passando attraverso un prisma. Come era possibile, però, che i corpuscoli della luce gialla fossero deviati in modo diverso da quelli della luce rossa? Tali corpuscoli erano caratterizzati da proprietà diverse? In tal caso, da quali proprietà? Neppure Newton seppe dare risposte esaurienti, sebbene egli ipotizzasse che i corpuscoli avessero masse diverse.



2.3.2 La teoria ondulatoria della luce

Qualche anno più tardi, il fisico olandese Christian Huygens (L'Aia, 14 aprile 1629 – L'Aia, 8 luglio 1695) propose l'ipotesi che la luce fosse costituita da tante onde di piccolissima lunghezza (teoria ondulatoria). Tale ipotesi forniva piena risposta ai due interrogativi precedenti. Che due onde si attraversino senza cambiare caratteristiche è un fatto visibile anche ad occhio nudo: è sufficiente osservare quanto accade nel caso di due onde che si propagano nell'acqua (onde liquide). Si tratta di un fatto del tutto evidente anche nel caso di due onde sonore. Anche la diversa rifrazione subita dai raggi di luce di diverso colore è facilmente spiegabile mediante l'ipotesi ondulatoria. E' sufficiente fare due ammissioni:

  1. che raggi di luce di diverso colore sono onde dotate di diverse lunghezze d'onda e che l'entità della deviazione subita da un'onda passando da un mezzo meno denso ad uno più denso dipende, appunto, dalla lunghezza d'onda;
  2. che, passando da un mezzo meno denso a uno pii . denso, la velocità di propagazio-ne di un raggio luminoso diminuisce, anzichè, come aveva ipotizzato Newton, aumentare.
Ma anche tale teoria mostrava vistose carenze. Per esempio: perchè la luce si propaga in linea retta? Come si spiega la formazione delle zone d'ombra? Se la luce è un'onda, come può propagarsi nel vuoto? Tutte le onde conosciute, infatti, aggirano gli ostacoli e si propagano solo in presenza di un mezzo. Per più di un secolo ci si divise sulle due teorie. In realtà, quella corpuscolare avanzata da Newton riscuoteva maggior credito e consensi, anche grazie alla fama del grande maestro. Ma all'inizio dell'800, il medico inglese Thomas Young (Milverton, 13 giugno 1773 – Londra, 10 maggio 1829) realizzò un esperimento i cui risultati erano spiegabili solo in virtù dell' ipotesi ondulatoria della luce. Egli fece passare un fascio di luce tra due fenditure poste a brevissima distanza tra loro (O1 e O2 ); quindi la luce che passava veniva raccolta su uno schermo (S2). Secondo la teoria corpuscolare, su S2 sarebbero dovute comparire zone più luminose, dove giungeva un maggior numero di corpuscoli, e zone meno uminose, dove giungeva un numero inferiore di corpuscoli. Young potè osservare, invece, un'alternata serie di "frange" chiare e scure (figura 2.6).
   Naturalmente, il modello corpuscolare non era in grado di spiegare le frange scure; allo scopo, sarebbe stato necessario ammettere che i corpuscoli si annullassero vicendevolmente. La teoria ondulatoria, invece, giustificava senza alcuna difficoltà la presenza di frange luminose e di frange scure. Esse erano il risultato dell'interferenza delle onde provenienti dalle due fenditure. Più specificamente, le frange luminose sono interpretabili come l'effetto della sovrapposizione di onde in concordanza di fase (interferenza costruttiva); le frange scure invece come l'effetto della sovrapposizione di onde in opposizione di fase (interferenza distruttiva).

Figura 2.06
Figura 2.6 Modello dell'esperimento di Young sull'ipotesi ondulatoria della luce

Con l'esperimento di Young, in base all'ampiezza delle frange e alla distanza tra i fori delle due fenditure, fu inoltre possibile misurare le lunghezze d'onda di raggi luminosi di diverso colore. Il risultato mostrò che tali lunghezze d'onda sono molto piccole. Con ciò era anche stato trovato il modo di spiegare, nell'ambito del modello ondulatorio, perchè la luce non è in grado di aggirare gli ostacoli comuni. Qualche anno più tardi, Augustin-Jean Fresnel (Broglie, 10 maggio 1788 – Ville-d'Avray, 14 luglio 1827) dimostrò positivamente che la luce è in grado di aggirare un ostacolo, purchè quest'ultimo abbia dimensioni dell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda dell'onda incidente (fenomeno della diffrazione).
   Restava ancora senza risposta un interrogativo: come può la luce propagarsi nel vuoto, dal momento che tutte le altre onde conosciute necessitano di un mezzo per propagarsi? Naturalmente questo non poteva essere il problema di Newton. Per Newton, la luce è dovuta a corpuscoli che si muovono con velocità altissima, e – per corpuscoli così concepiti – il vuoto non costituisce un ostacolo alla propagazione. Ma tale interrogativo divenne un problema per i fisici che accettarono l'ipotesi della natura ondulatoria della luce. Huygens stesso, per risolverlo, ipotizzò che lo spazio (e il vuoto) fosse riempito da un mezzo misterioso, che definì etere luminifero, e tale ipotesi fu portata avanti dai sostenitori della teoria ondulatoria. Tuttavia ciò aprì la strada a molti dubbi e perplessità. Infatti, si sapeva che la luce è un'onda trasversale (ossia, con le oscillazioni in direzione normale a quella di propagazione), che si propaga con velocità enorme. Ebbene, una simile onda presupponeva un mezzo di propagazione non solo solido, ma addirittura super rigido. Solo tale condizione permetteva di giustificare sia la propagazione trasversale sia. le altissime velocità. Inoltre, tale mezzo doveva essere allo stesso tempo estremamente rarefatto, per consentire il moto dei corpi celesti senza alterazione.



2.3.3 La teoria elettromagnetica della luce

Nonostante tutte le difficoltà che si presentavano all'accettazione di una tale ipotesi, la presenza di un etere, e quindi di uno spazio assoluto, secondo la concezione newtoniana, di cui l'etere fosse il "supporto", venne accettata perchè era estremamente utile. Tuttavia, il considerare le onde luminose di natura elastica restava il punto debole della teoria di Huygens. Fu verso la fine del 1800 che il fisico scozzese James Clark Maxwell (Edimburgo, 13 giugno 1831 – Cambridge, 5 novembre 1879) interpretò la propagazione ondulatoria della luce nell'ambito della teoria elettromagnetica. Un'onda elettromagnetica, essendo costituita dalla propagazione simultanea di un segnale elettrico e magnetico, caratterizzato da due vettori chiamati campo elettrico E e campo magnetico B, si può diffondere anche in assenza di materia, a differenza delle onde meccaniche, le quali, consistendo nella trasmissione di una perturbazione elastica, hanno necessariamente bisogno di un mezzo per la loro diffusione.
   In quel tempo, però, per spiegare la propagazione della luce era ancora necessario ricorrere all'ipotetico ed elusivo etere e nonostante le molte contraddizioni, anche Maxwell era stato costretto, per interpretare la trasmissione delle onde elettromagnetiche, a ipotizzare l'esistenza dell'etere; d'altra parte la sua teoria è una razionale elaborazione matematica delle idee di Michael Faraday (Newington, 22 settembre 1791 – Hampton Court, 25 agosto 1867), il quale si era servito dell'etere per spiegare la trasmissione delle forze elettriche e magnetiche. A prescindere dal problema dell'etere, che in quel tempo divenne una specie di sistema di riferimento privilegiato rispetto al quale tutte le leggi dell'elettromagnetismo erano rigorosamente valide, l'idea veramente geniale di Maxwell fu quella di ricondurre la trattazione dei fenomeni ottici nell'ambito dell'elettromagnetismo. La luce divenne, così, una particolare onda elettromagnetica della stessa natura di quelle utilizzate oggi nelle radiocomunicazioni, onde che furono scoperte da Heinrich Hertz (Amburgo, 22 febbraio 1857 – Bonn, 1º gennaio 1894) successivamente ai lavori teorici di Maxwell, da cui il termine di onde hertziane, con cui spesso vengono indicate le onde elettromagnetiche.
   Dunque, anche per Maxwell esisteva l'etere; si trattava, quindi, di porsi alla ricerca delle prove della sua esistenza. Il problema fu affrontato da Albert Abraham Michelson (Strzelno, 19 dicembre 1852 – Pasadena, 9 maggio 1931), dapprima da solo, in seguito con la collaborazione di Edward Williams Morley (Newark, 29 gennaio 1838 – West Hartford, 24 febbraio 1923). L'idea su cui Michelson e Morley basarono le loro ricerche fu la seguente. Immaginiamo che la Terra, come tutti gli altri corpi celesti, sia in movimento attraverso un etere fisso. In tal caso, un raggio di luce che si propagasse nella direzione del moto della Terra e fosse poi riflesso sempre nella stessa direzione da uno specchio, percorrerebbe una distanza inferiore in confronto a quella percorsa dallo stesso raggio diretto in direzione perpendicolare al moto in esame. Il dispositivo di Michelson per verificare la validità di tale ipotesi è noto con il nome di interferometro. Esso è munito di uno specchio semitrasparente, su cui viene inviato un raggio di luce, che lo specchio scinde in due. Dei due raggi, uno attraversa lo specchio senza cambiare direzione, invece l'altro viene riflesso ad angolo retto. I due raggi vengono quindi riflessi a più riprese da vari specchi situati sul loro percorso successivo e inviati ad un oculare. Essi, avendo percorso distanze di¬verse, giungono all'oculare sfasati. Pertanto, formano figure di interferenza (figura 2.7).

Figura 2.07
Figura 2.7 Modello semplificato dell'esperimento di Michelson-Morley

Michelson, partendo dall'ipotesi che la velocità della luce fosse diversa a seconda che la luce si muovesse in direzione del moto della Terra od in direzione perpendicolare a quest'ultimo, si aspettava che, ruotando lo strumento, dovesse cambiare anche la figura di interferenza. Ma, con grande stupore, si accorse che comunque orientasse l'interferometro, non si verificava nessun cambiamento apprezzabile. Quindi le conclusioni possibili erano tre:

  1. che l'etere fosse trascinato dalla Terra nel corso del suo movimento (cosa poco credibile);
  2. che l'etere non esistesse affatto;
  3. che si verificassero misteriosi effetti di compensazione.
Una spiegazione del fenomeno – in linea con la terza ipotesi – fu fornita dall'irlandese G.F. Fitzgerald e dall'olandese H.A. Lorentz (Arnhem, 18 luglio 1853 – Haarlem, 4 febbraio 1928) . Essi avanzarono l'ipotesi che per ogni corpo in movimento attraverso l'etere si verificasse una contrazione – crescente con la velocità – nella direzione del rispettivo moto. Secondo tale ipotesi, l'interferometro si sarebbe accorciato di una quantità tale da compensare esattamente la diversità di spazio percorso dai raggi luminosi.
   Per capire come stavano realmente le cose, bisognò aspettare la pubblicazione dell'articolo di Albert Einstein (Ulma, 14 marzo 1879 – Princeton, 18 aprile 1955) sulla relatività ristretta (nel 1905). Einstein esponeva due nuovi principi fondamentali. Il primo affermava che tutti i sistemi di riferimento inerziali sono equivalenti sia per quanto riguarda le leggi della meccanica, sia per quanto riguarda le leggi dell'elettromagnetismo. Il secondo principio, quello decisamente rivoluzionario, affermava che la velocità della luce è una costante universale allo stesso modo della costante di gravitazione universale o di quella di Planck. Dunque, secondo tale principio la velocità della luce è sempre la stessa, comunque sia misurata e qualunque sia il moto della sorgente. Conseguenza immediata di tali princìpi, o postulati, era che lo spazio assoluto ed il tempo assoluto sono privi di senso. Perciò sarebbe stato vano ogni ulteriore tentativo di ricerca di prove circa l'esistenza dell'etere.
   Inoltre, Einstein avanzò l'ipotesi che la luce si propaghi nello spazio sotto forma di quanti o fotoni, qualcosa di simile ai corpuscoli di Newton, anche se non identificabili con essi in senso letterale. Tali particelle hanno energia E=hv, dove h è la costante di Planck (teoria quantistica), e presentano sia le proprietà delle onde sia quelle dei corpuscoli. Si tratta di proprietà che vengono evidenziate alternativamente: alcune volte i fotoni mostrano le caratteristiche tipiche delle onde, altre quelle dei corpuscoli. Questa concezione, nota sotto il nome di dualismo onda-corpuscolo, fu importantissima perchè in grado di spiegare tutti i fenomeni relativi alla luce. E' importante notare che la concezione einsteiniana del dualismo onda-corpuscolo, pur conservando alle teorie del XIX secolo fino a Maxwell tutto il loro valore, consentiva di far cadere la necessità di ammettere l'esistenza di un etere. Proprio in virtù delle sue caratteristiche corpuscolari, la radiazione ottica poteva infatti benissimo viaggiare nel vuoto.
   Successivamente Louis de Broglie (Dieppe, 15 agosto 1892 – Louveciennes, 19 marzo 1987), Erwin Schrödinger (Vienna, 12 agosto 1887 – Vienna, 4 gennaio 1961), Werner Heisenberg (Würzburg, 5 dicembre 1901 – Monaco di Baviera, 1º febbraio 1976) e Niels Bohr (Copenaghen, 7 ottobre 1885 – Copenaghen, 18 novembre 1962) hanno dimostrato che una sintesi delle teorie corpuscolare e ondulatoria è necessaria non solo per la luce ma anche per spiegare il comportamento della materia, e, in particolare, degli elettroni all'interno degli atomi.


 
     
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