+ Introduzione
+ Riflessione
+ Rifrazione
+ Diffrazione
+ Cannocchiale e Aberrazione sferica
+ Dispersione e Telesopio di Newton
– Etere Luminifero
Il vuoto
Il barometro di Torricelli
Otto von Guericke
Propagazione delle onde
Onde Longitudinali
Onde Trasversali
La Luce: onde o corpuscoli?
Fisica nel Vuoto
+ Birifrangenza e Polarizzazione
+ Interferenza
+ L'arcobaleno
Il vuoto
Il vuoto è qualcosa che ha incuriosito i "filosofi della natura" fin dalla più remota antichità... e non è che gli scienziati di oggi ne sappiano proprio tutto tutto tutto! (leggete qui sotto per qualche considerazione aggiuntiva sul vuoto, anche se un po' fuori tema).
Il personaggio forse più notevole della Grecia antica è Democrito, proprio quello che già aveva immaginato gli atomi. Ebbene, per lui questi si spostavano liberamente nel vuoto, muovendosi di moto rettilineo uniforme fino a quando non andavano ad urtare altri atomi (con questo anticipava di quasi duemila anni il moderno principio d'inerzia).
Purtroppo la teoria di Democrito fu eclissata da quel mostro sacro di Aristotele. Secondo il quale il moto dei corpi era dovuto non alla propria inerzia, o come si direbbe oggi alla sua quantità di moto; piuttosto la causa del movimento dei corpi era nel "mezzo" in cui essi si muovevano: secondo Aristotele un proiettile, una volta scagliato, proseguirebbe nel moto perché spinto dall'aria che continuamente si precipita ad occupare il vuoto lasciato dal proiettile al suo passaggio.
Secondo Aristotele, inoltre, la velocità dei corpi era inversamente proporzionale alla densità del mezzo che attraversavano, per esempio più veloci nell'aria che nell'acqua. Conclusione: il vuoto, al quale ovviamente corrisponde una densità nulla, avrebbe significato velocità infinita; il che era impossibile. Da qui la convinzione aristotelica dell'impossibilità del vuoto : "Natura abhorret a vacuo&!"
L'argomento del vuoto fu affrontato anche nel mondo arabo, da due dei più noti personaggi dei secoli XI e XII secolo: Avicenna, che in qualche modo riprendeva le idee di Democrito; e Averroè che, avendo scritto numerosi commenti sulle opere di Aristotele, più o meno ne ricalcava le posizioni. ▲
Il barometro di Torricelli
Come si sa le idee di Aristotele pervasero la storia della scienza fino a tutto il XVI secolo. Persino Galileo aveva problemi ad ammettere il vuoto, mentre Cartesio, ancora nel 1644, nei suoi Principia Philosophiae sosteneva l'inesistenza del vuoto. Ma in quello stesso anno Evangelista Torricelli, collaboratore di Galileo, fece il celeberrimo esperimento con cui inventò il barometro:
Torricelli riempì con del mercurio un tubo di vetro lungo circa un metro e sigillato a un'estremità, poi lo capovolse in modo che l'imboccatura si immergesse in una bacinella contenente lo stesso materiale. Il risultato è noto: il livello del mercurio nella provetta scende fino a portare in equilibrio le forze dovute alla pressione atmosferica (A) e al peso del mercurio (Hg). La grande novità era... il volume della provetta in alto, non più riempito da mercurio: che cosa ci poteva esserci lì dentro? Assolutamente niente... ecco, lì era stato creato il vuoto! ▲
Otto von Guericke
L'esperimento di Torricelli fece il giro d'Europa in brevissimo tempo, anche perché era una esperienza relativamente facile da replicare. E qui entra in gioco un altro personaggio notevole, Otto von Guericke (1602-1686): fu un politico, giurista e scienziato tedesco, che nel 1650 inventò la prima pompa in grado di creare il vuoto (una specie di pompa da biciclette, ma con il funzionamento invertito).
Von Guericke si rese subito conto delle enormi forze provocate dalla pressione atmosferica, e trovò un modo molto scenografico di dimostrarle:
Fece infatti costruire due semisfere in bronzo, le unì grazie a una guarnizione e produsse il vuoto al loro interno per mezzo della pompa che aveva inventato. Disposte otto coppie di cavalli, quattro per parte, non fu possibile separare le semisfere; ma poi, fatta rientrare l'aria all'interno, le due semisfere si separarono da sé!
Von Guericke, oltre a mettere in atto questo e altri esperimenti, investigò le proprietà del vuoto: per esempio scoprì che una candela nel vuoto si spegne, e che gli animali non riescono a sopravviverci. Ma la scoperta cruciale dal punto di vista dell'ottica fu la seguente:
con un esperimento simile a questa foto, si rese conto che la luce poteva attraversare il vuoto, ma il suono no; rumori generati all'interno di un contenitore in cui fosse generato il vuoto non si propagavano all'esterno. ▲
Propagazione delle onde
Certo ora sarebbe andare un po' troppo fuori tema se parlassi del suono... comunque qualche accenno lo considero necessario.
Gli studi iniziano nell'antica Grecia, già a partire da Pitagora che studia i rapporti numerici fra le altezze delle note: Pitagora metterà poi questi rapporti in relazione con le grandezze delle sfere celesti, da cui la famosa "armonia delle sfere"!
Il primo moderno ad occuparsene fu, manco a dirlo... Galileo Galilei, forse anche perché suo padre Vincenzo era un compositore e teorico musicale. Fra le altre cose, Galileo studiò le corde vibranti e riconobbe il legame fra altezza del suono e la sua frequenza. Nello stesso periodo, proprio quel Marin Mersenne che abbiamo incontrato al tempo della disputa fra Fermat e Cartesio a proposito della rifrazione della luce, misura la velocità del suono nell'aria. E il Von Guericke? Dopo avere scoperto che il suono non si propaga nel vuoto, scoprì che invece lo faceva molto bene sia nei liquidi che nei solidi.
Per quanto riguarda la propagazione del suono, c'era la convinzione praticamente unanime sul fatto che si trattasse di onde; le quali si propagano sempre in un mezzo, qualunque esso sia... e proprio la scoperta che il suono non si propaga nel vuoto ne era un'ulteriore prova. ▲
Onde longitudinali
Eccoci a parlare di onde... ma cosa sono esattamente? Ne esistono di un solo tipo?
Cominciamo dal caso più semplice: la propagazione del suono nell'aria. Ammettiamo che l'aria sia fatta da una serie di "bolle" che si sfiorano l'una con l'altra; causando un movimento nella prima bolla, tale movimento si propaga a quelle vicine:
Questo è a grandi linee ciò che succede nella propagazione del suono nell'aria, in cui le onde si propagano in modo "longitudinale", cioè la perturbazione si propaga nella stessa direzione in cui si muovono le bolle stesse.
A proposito della nostra fila di bolle però possiamo generare un altro tipo di movimento:
Qui il movimento viene generato in direzione perpendicolare alla linea di propagazione che vogliamo studiare. La bassa viscosità dell'aria fa sì che questo movimento venga propagato di pochissimo alle bolle adiacenti, di fatto impedendo a questo tipo di perturbazione di propagarsi. ▲
Onde trasversali
Ma se invece dell'aria usiamo una barra metallica? Ebbene, tirando una martellata in senso longitudinale, la vibrazione si propaga più o meno come nell'aria. Se il colpo viene dato in senso trasversale alla barra metallica, si ottiene invece un effetto molto più significativo che nell'aria:
La martellata data in questo modo genera un'onda "trasversale", cioè un'onda in cui la perturbazione si propaga in modo perpendicolare rispetto al movimento delle singole parti della barra di metallo. Detto in altre parole, i singoli pezzetti della barra oscillano sulla loro posizione verticale, mentre la perturbazione trasla da sinistra a destra, in orizzontale.
Nei liquidi, e ancor più nei solidi, le onde longitudinali e trasversali coesistono senza problemi. E questo è proprio ciò che accade anche nei terremoti! ▲
La Luce: onde o corpuscoli?
Abbiamo parlato di vuoto, di onde che non si propagano nel vuoto, e che si muovono in modo longitudinale o trasversale a seconda del mezzo in cui si propagano... ora non resta che tornare a parlare della Luce.
A questo punto le ipotesi sulla natura della luce sono ben tre:
— La luce è costituita da corpuscoli (Newton), e questo ne giustifica la propagazione nel vuoto;
— La luce è costituita da onde longitudinali (Huygens), il quale spiega in questo modo alcuni fenomeni come riflessione e rifrazione. Tali onde si propagherebbero in un "Etere Luminifero" che permea tutto l'universo: morbido quanto basta per non essere avvertito in altro modo, ma con altre caratteristiche "su misura" tali da giustificare la trasmissione della luce;
— La luce è costituita da onde trasversali. Per il momento nessuno la considera un'ipotesi plausibile, perché questo tipo di onde richiederebbe un tipo di etere "solido": per giustificare la velocità di propagazione della luce, che ancora non era stata misurata ma che si sapeva comunque essere molto elevata, ci sarebbe voluto un etere più duro dell'acciaio, e al contempo "sottile" al punto da non essere avvertito. ▲
La fisica del vuoto
Questa sezione è un po' fuori tema, ma devo giustificare la mia frase impertinente, secondo cui i fisici non avrebbero ancora capito proprio tutto tutto del vuoto. Qui di seguito descrivo alcuni fatti che, per quanto apparentemente bizzarri e difficili da "digerire", sono stati davvero verificati!
In nessun angolo dell'universo si può dire che esista uno spazio totalmente vuoto. Se anche non contenesse neanche un atomo, una certa regione di spazio sarebbe comunque attraversata da fotoni di luce, neutrini, campi gravitazionali, e chissà quante altre cose.
Ammettiamo per ipotesi di riuscire a realizzare una camera a vuoto totalmente priva di materia al suo interno. Le pareti della camera a vuoto comunque emettono luce sotto forma di raggi infrarossi; allora si può dire che il vuoto ha una particolare temperatura, ovvero una certa quantità di energia: non possiamo ancora dire di aver ottenuto un vuoto perfetto.
Ammettiamo allora di portare la camera a vuoto a una temperatura pari allo zero assoluto: in queste condizioni i fotoni non vengono più generati, quindi saremmo tentati di dire che abbiamo finalmente ottenuto uno spazio completamente vuoto, privo sia di particelle che di energia. Ma a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg, l'energia non può non essere soggetta a fluttuazioni: ecco quindi un ribollire di coppie di particelle virtuali, che nascono e si annichiliscono in continuazione.
Insomma il vuoto viene interpretato dalla meccanica quantistica come un equilibrio dinamico di particelle di materia e di antimateria in continua generazione e annichilazione. Ciascuna di queste particelle va interpretata secondo la dualità onda-particella... per cui ecco, proprio a proposito di onde, è giunto il momento di descrivere un fatto teorico (verificato dalle esperienze di laboratorio) veramente straordinario!
In uno spazio vuoto di dimensioni infinite, qualsiasi particella, reale o virtuale che sia, può vibrare a qualsiasi lunghezza d'onda. Ma in uno spazio limitato, come in una camera a vuoto, le onde-particelle possono vibrare solo a lunghezze d'onda che siano multiple e sottomultiple della distanza fra le pareti.
Immaginiamo allora la seguente situazione: all'interno della camera a vuoto poniamo una coppia di placche conduttrici, molto vicine fra loro. Le onde che si possono generare fra le placche (quindi in uno spazio stretto) sono soggette a maggiori vincoli rispetto a quelle che si generano in tutto il resto della camera a vuoto; in altre parole, sono molte di più le lunghezze d'onda consentite all'esterno delle placche che al loro interno:
Questo vuol dire che la densità di energia all'esterno delle placche è superiore alla densità presente al loro interno, cosa che si traduce in una differenza misurabile di pressione: questo fenomeno ha il nome di "effetto Casimir", dal nome del fisico olandese Hendrik Casimir (1909-2000).
Ricapitolando, se in una camera a vuoto mettiamo due placche sufficientemente vicine, si riesce a misurare una differenza di pressione fra l'interno e l'esterno delle placche stesse. Ma come può il vuoto generare una differenza di pressione fra un "dentro" e un "fuori" che sono in comunicazione fra loro? Misteri... della meccanica quantistica!
Dell'effetto Casimir sono state fatte varie misurazioni sperimentali; ma date le difficoltà pratiche (dovute alle distanze fra le placche, che devono essere nell'ordine del millesimo di millimetro, e al bassissimo valore delle forze in gioco) la conferma definitiva non si è avuta prima del 1997: il Casimir ha quindi fatto in tempo a vedere confermata la sua teoria! ▲
Prossimo capitolo: Birifrangenza e Polarizzazione
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