+ Introduzione
+ Riflessione
+ Rifrazione
+ Diffrazione
+ Aberrazione sferica e Cannocchiale
– Dispersione e Telescopio di Newton
Isaac Newton
Il prisma
Aberrazione cromatica
Il telescopio di Newton
Controversie scientifiche
Specchi liquidi
+ Etere Luminifero
+ Birifrangenza e Polarizzazione
+ Interferenza
+ L'arcobaleno
Isaac Newton
Come dicevo alla fine del capitolo precedente, "per fortuna"... nel 1665 a Londra scoppiò la peste, propagandosi in breve tempo fino a Cambridge: l'università locale (il celebre Trinity College) venne evacuata, e Isaac Newton dovette tornare nella sua città natale, in solitudine quasi completa.
Nato già orfano di padre il 4 gennaio del 1643 (secondo il nostro "nuovo" calendario gregoriano, oppure il 25 dicembre del 1642 secondo il vecchio calendario giuliano allora in vigore in Inghilterra: in effetti molti biografi preferiscono la seconda di queste due date, per sottolineare la coincidenza per cui Newton sarebbe nato nello stesso anno in cui moriva Galileo!), la madre si risposò dopo tre anni con un uomo che Isaac odiava cordialmente. La sua infanzia fu molto infelice, cosa che lo segnò per tutta la vita: di carattere ombroso e scorbutico, pare che egli abbia riso una sola volta in vita sua, quando un suo studente gli chiese se valesse la pena studiare gli "Elementi" di Euclide!
Newton frequenta il Trinity College dal 1661 con il titolo di subsizar (servitore): era la qualifica degli studenti poveri, che si guadagnavano la retta servendo a tavola e facendo le pulizie. Nel 1669 diverrà "Professore Lucasiano" (cioè titolare della cattedra di matematica fondata pochi anni prima da tale Henry Lucas) nello stesso college.
Ma torniamo all'anno 1665 e all'esilio di Newton. In quell'anno esprime il suo genio al massimo grado, avviando lo sviluppo dell'analisi matematica, studiando la meccanica e le tre famose leggi della dinamica, e intuendo la legge di gravitazione universale. In questo stesso anno acquista un oggetto che al momento non ha alcun uso pratico, ma che serve per sorprendere la gente nelle fiere: un prisma di vetro. ▲
Il prisma
Newton aveva già letto tutti gli studi precedenti sull'ottica, scritti da personaggi come Cartesio, Fermat, Galileo, Copernico, Keplero... quindi sapeva cosa doveva aspettarsi. Praticò un buco nella persiana, e fece passare uno stretto fascio di luce solare attraverso il prisma. Ciò che ottenne assomiglia a quest'immagine (si tratta di una simulazione molto accurata fatta al computer, che fa vedere il raggio di luce nel suo percorso anche se in realtà esso risulterebbe visibile solo in presenza di vapore, o fumo o polvere).
Il raggio bianco che arriva da sinistra viene rifratto due volte, e rimane bianco se non per due leggere striature, blu nella parte alta e rossa nella parte bassa del fascio luminoso, sulla destra. La proiezione del fascio su di uno schermo bianco posizionato vicino al prisma dà come risultato una cosa del genere:
Anche qui si vedono le due striature, blu e rossa. Il fenomeno del cambiamento di colore nella luce era cosa nota dall'antichità: infatti la luce che si riflette su un corpo colorato si colora anch'essa. L'idea era che la luce "pura" fosse solo quella bianca (come la vediamo provenire dal Sole e dalle Stelle); e che la materia con la quale interagiva in qualche modo la "sporcasse": insomma fino agli studi di Newton c'era la convinzione che i fenomeni di alterazione dei colori da parte di lenti e prismi fossero dovuti alla materia "impura" di cui erano fatti.
Newton però compie nuovi esperimenti nei quali allontana sempre più lo schermo dal prisma:
Ecco che il fascio di luce bianca via via sparisce, per far posto a bande dai colori ben definiti. Ma questo è un fenomeno molto più graduale di quanto si pensi normalmente: tutto il contrario di quanto rappresentato nella copertina di questo celeberrimo disco (The dark side of the Moon, dei Pink Floyd):
Newton ripete i propri esperimenti in mille modi diversi, ottenendo risultati sempre analoghi: la macchia di luce bianca si allunga senza mai allargarsi, e la sequenza dei colori è sempre la stessa, con il colore viola-blu sempre dal lato della rifrazione più angolata. Comincia a pensare che non ci sia in gioco solo un "inquinamento" più o meno casuale della luce, dovuto solo al materiale che attraversa; piuttosto arriva alla conclusione che
La luce bianca è composta dai colori. Il prisma non modifica la luce bianca, ma la divide nelle sue componenti.Per verificare questa teoria esegue due esperimenti cruciali. Ecco il primo:
Newton maschera il fascio di raggi rifratti dal prisma con uno schermo nel quale ha praticato un piccolo foro, in modo da "selezionare" un raggio monocromatico, cioè costituito di luce di un solo colore. Ebbene, per quanti esperimenti faccia su questo raggio di luce, non riuscirà più a fargli cambiare colore. Ovvero confuta la tesi secondo cui è il vetro a colorare la luce: se i raggi di luce di ogni singolo colore possono attraversare il secondo prisma senza che il colore ne risulti alterato, vuol dire che la luce "pura" è quella dei singoli colori mentre la luce bianca è un miscuglio degli stessi colori.
Il secondo esperimento dovrebbe secondo Newton tagliare la testa al toro: usando una lente e un secondo prisma riesce a ricombinare la luce uscente dal primo prisma un un nuovo raggio di luce bianca.
Quest'immagine ha proporzioni falsate: abbiamo già visto che i raggi colorati divergono di pochissimo all'uscita del prisma. Per compiere quest'esperimento Newton ha bisogno di un laboratorio di molti metri... insomma, molto più grande di questo schermo!
La luce esce dal primo prisma sotto forma di raggi colorati che divergono; la lente li fa riconvergere a ridosso del secondo prisma: se quest'ultimo non fosse presente, i raggi proseguirebbero in linea retta riaprendosi a ventaglio con l'ordine dei colori invertito (il rosso in alto).
Il prisma invece riunisce tutti i raggi colorati in unico fascio di luce bianca. Per Newton il risultato dell'esperimento è chiarissimo: le vecchie teorie che indicavano i colori della luce come un inquinamento della luce bianca sono false; infatti come si sarebbe potuta ottenere una "pura" luce bianca, dopo un processo che la dovrebbe avere così tanto sporcata? ▲
L'aberrazione cromatica
Questi esperimenti di Newton portano alla definizione di un nuovo tipo di aberrazione: dopo l'aberrazione sferica di cui abbiamo parlato nella puntata precedente, adesso siamo in presenza dell'aberrazione cromatica, cioè della non omogenea rifrazione di tutti i colori della luce bianca.
Newton si convince che, se anche si potessero realizzare lenti perfette in grado di annullare completamente l'aberrazione sferica, non sarà mai possibile annullare l'aberrazione cromatica: ecco la spiegazione di quegli immancabili aloni colorati che continuano a disturbare lo studio del cielo anche usando i migliori telescopi! In realtà il problema dell'aberrazione cromatica sarà risolto verso la metà del XVIII secolo grazie all'uso di coppie di lenti costruite con vetri caratterizzati da indici di rifrazione diversi. ▲
Il telescopio di Newton
Nel 1663 James Gregory aveva ipotizzato la costruzione di un telescopio a riflessione, dotato di soli specchi. Newton, che aveva verificato come la riflessione, al contrario della rifrazione, non desse mai problemi di aberrazione cromatica, rispolvera questa idea, la perfezione e realizza un primo telescopio a riflessione: ha uno specchio principale di forma parabolica, uno specchio piano e un oculare.
La luce proveniente da sinistra (raggi blu) viene riflessa dallo specchio principale. I raggi riflessi (in rosso) convergerebbero verso il punto F... ma l'interposizione dello specchio secondario 2 rinvia i raggi (in verde) all'esterno del telescopio, nel punto O. Con l'opportuna scelta della forma dello specchio principale (parabolica, ne parlo qui di seguito), si ottiene per incanto uno strumento che non risente né dell'aberrazione sferica né di quella cromatica!
Fra le altre cose, Newton è anche un valentissimo artigiano: costruisce vari telescopi di questo nuovo tipo molando gli specchi da sé, e ne presenta uno alla Royal Society di Londra nel 1668. Lo strumento è stupefacente: pur essendo un oggetto molto semplice e di dimensioni contenute, fornisce immagini migliori di qualsiasi telescopio fosse stato costruito in precedenza! ▲
Controversie scientifiche
Nel gennaio del 1672 Newton viene eletto membro della Royal Society (ne diverrà presidente nel 1703). Il successo raggiunto lo spinge ad osare: una settimana dopo la sua elezione, invia al segretario di questa stessa Accademia Inglese delle Scienze, Henry Oldenburg, una lettera in cui annuncia di avere compiuto una
scoperta filosofica, che a mio giudizio è la più strana se non la più considerevole, che sia stata compiuta finora nelle operazioni della natura.Possiamo immaginare il fastidio di Oldenburg nel ricevere una lettera siffatta da questo arrogante giovane (trentenne), così terribilmente ambizioso!
Poche settimane dopo Newton invia per la pubblicazione sulle Transactions of the Royal Society un articolo in cui espone la sua rivoluzionaria teoria dei colori. Sostiene che con un solo esperimento pratico si può fornire la prova decisiva a favore della sua nuova teoria dei colori, a scapito delle ormai consolidate teorie modificazioniste: proprio l'esperimento dei due prismi, con cui si scompone e ricompone la luce bianca. Infine spiega i suoi risultati con una teoria di tipo corpuscolare: la luce bianca sarebbe una miscela di corpuscoli differenti che si propagano nello spazio come proiettili che si muovono a velocità diverse...
Con grande disappunto di Newton, l'articolo non viene accettato. Sottoposto ad altri scienziati dell'epoca, riceve tre ordini di critiche: alcuni non riescono a replicare l'esperimento; altri non negano il risultato dell'esperimento, ma l'interpretazione data da Newton; altri ancora (in particolare Huygens) sostengono che la scoperta di Newton sia di poca importanza: sarebbe solo la scoperta di una diversa frangibilità della luce in base ai colori, non certamente la prova definitiva a sostegno di una qualsiasi teoria sulla natura della luce.
La difficile replicabilità dell'esperimento di Newton è giustificata dal fatto che nell'articolo inviato alla Royal Society la sua descrizione è molto sommaria, e non pone sufficientemente l'accento sulla precisione con la quale devono essere realizzati i prismi. Inoltre c'era diffidenza verso un personaggio semisconosciuto che sosteneva che una sola esperienza potesse confutare i moltissimi "studi" fatti in precedenza: insomma in Europa vengono fatti vari tentativi di replicare l'esperimento, ma senza raggiungere un consenso diffuso né sui risultati né tanto meno sulle loro interpretazioni. Nel marzo del 1675 viene programmata l'esecuzione dell'esperimento proprio presso la Royal Society ma, per l'appunto, quel giorno il sole non c'è: piove a dirotto! Finalmente l'esperimento verrà fatto con pieno successo il 27 aprile del 1676; il mondo scientifico si convincerà della validità dei risultati...
... ma non delle interpretazioni sulla natura della luce, ovvero dei meccanismi che giustificherebbero questo suo comportamento. Nella puntata precedente abbiamo visto che si stava diffondendo la teoria ondulatoria: proprio Huygens chiederà chiarimenti a Newton su qual è secondo lui il peso del suoi risultati nell'appoggiare la teoria corpuscolare rispetto a quella ondulatoria.
La controversia fra i sostenitori delle teorie corpuscolare e ondulatoria continuerà a lungo, anche perché vengono osservati sempre nuovi fenomeni. In particolare Robert Hooke (1635-1703), stava continuando a sviluppare la teoria ondulatoria della luce occupandosi di nuovi fenomeni come l'interferenza. Nello scambio di lettere fra Hooke e Newton, a un certo punto quest'ultimo scrive:
Se ho visto più lontano, è perché stavo sulle spalle di giganti.Sebbene questa frase appaia come segno di modestia (nei confronti di Cartesio, Galileo, ecc.), alcuni ritengono che si trattasse si una punzecchiatura: Hooke infatti era un uomo particolarmente basso di statura!
A lungo andare Newton, offeso dalla perdurante mancanza di riconoscimento delle proprie teorie (la modestia non faceva proprio parte del suo carattere), si ritira dalla disputa giurando in cuor suo di non pubblicare mai più alcun risultato scientifico. Già nel 1675 scrive ad Oldenburg:
Desidero evitare di essere coinvolto in tali fastidiose dispute prive di significato...
Per fortuna poi le cose non andranno davvero così: nel 1687 pubblicherà il celeberrimo e fondamentale "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica". ▲
Specchi... liquidi
La parabola è una curva nota dall'antichità, grazie ai primi studi di Apollonio da Perga che scrisse un trattato sulle "Coniche", la famiglia di curve di cui la parabola fa parte.
Durante le sue lunghissime ricerche sul moto dei pianeti, Keplero studiò queste curve, arrivando a un risultato di notevole interesse per l'astronomia: raggi di luce che arrivino su una superficie parabolica, in direzione parallela all'asse della parabola stessa, vengono riflessi in modo da convergere esattamente in un punto, detto fuoco (il nome "fuoco" di questo punto è stato assegnato proprio da Keplero):
Questa superficie quindi si presta perfettamente alla costruzione dei telescopi, infatti non presenta né aberrazione sferica (dovuta alla forma delle lenti) né cromatica (lo specchio non disperde la luce bianca).
Ecco che il paraboloide, ovvero la superficie che si ottiene facendo ruotare una parabola lungo il suo asse di simmetria, è proprio la forma ideale per costruire lo specchi primario di tutti i telescopi a riflessione: infatti non presenta né aberrazione sferica (dovuta alla forma delle lenti) né cromatica (lo specchio non disperde la luce bianca). Questa forma è la stessa delle antenne satellitari: infatti anche in questo caso le onde elettromagnetiche, che provengono da oltre 30000 km di distanza, sono sostanzialmente parallele fra loro. La parabola le riflette concentrandole nel punto in cui è montato il cosiddetto "illuminatore", ovvero l'elemento sensibile dell'antenna.
Con questo tipo di specchio sono stati costruiti i più grandi telescopi al mondo: il record spetta al Gran Telescopio Canarias (GTC), con uno specchio primario di 10,4 metri. Il famoso Telescopio Spaziale Hubble ha uno specchio primario di "soli" 2,4 metri... ma ha il non trascurabile pregio di essere in orbita, quindi di non risentire dei disturbi causati dall'atmosfera terrestre.
Adesso una domanda: Ma come diavolo si fa a molare uno specchio di 10 metri in modo da ottenere la forma di un paraboloide? Qui ci viene ancora in aiuto (guarda caso!) proprio Newton. Il quale scoprì che prendendo un secchio pieno d'acqua, e facendolo girare intorno al suo asse verticale, la superficie dell'acqua si dispone proprio a forma di paraboloide. Ecco un esempio pratico, che ho realizzato attaccando un contenitore di plastica al mandrino di un trapano mediante tre fili (l'acqua è leggermente colorata con inchiostro di china per rendere l'effetto più visibile); potete vedere un breve filmato di quest'esperienza se cliccate sulla foto qui sotto:
In estrema sintesi, il procedimento per fabbricare uno di questi enormi specchi è il seguente:
— All'interno di una camera a vuoto di opportune dimensioni si installa uno "stampo" (come quello delle torte), che girerà su se stesso a velocità costante, nell'ordine di pochi giri al minuto;
— facendo il vuoto (in modo da evitare il formarsi di bolle d'aria) viene versata un'opportuna quantità di vetro ottico fuso;
— inizia una fase molto graduale di raffreddamento: ci può volere più di un anno per portare il vetro a temperatura ambiente (solo così si possono evitare tensioni dovute alla non omogenea contrazione del vetro durante il raffreddamento);
— a questo punto la superficie del vetro è quasi perfetta: basta una lucidatura (di estrema precisione);
— applicando nuovamente il vuoto, si procede alla metallizzazione della superficie dello specchio, e il gioco è fatto!
Il "trucco" di far ruotare lo stampo per ottenere una superficie parabolica si presta anche ad un altro uso: la realizzazione di "specchi liquidi". Ne esistono vari al mondo, fino a 6 metri di diametro e oltre: è sufficiente mantenere in rotazione una forma e versarci del mercurio.
Naturalmente questo tipo di specchio può essere disposto solo con l'asse di rotazione verticale; inoltre i problemi di sospensione e di attivazione della rotazione sono tutt'altro che semplici da risolvere: non ci devono essere vibrazioni né le minime variazioni di velocità, pena veder comparire delle onde o increspature sulla superficie. Cionondimeno, i costi di realizzazione di uno specchio liquido sono circa un decimo rispetto al costo di uno specchio solido, a parità di diametro. ▲
Prossimo capitolo: Etere Luminifero
Nessun commento:
Posta un commento