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Il sito è a cura del prof. Bernardo Croci, attualmente insegnante di filosofia presso il Liceo delle Scienze Umane Galilei di Firenze.

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 Lo studio della luce era iniziato già nel epoca antica e si era rivolto verso due campi di indagine che possono essere ordinati temporalmente: il primo in epoca classica riguardo la natura del fenomeno e il secondo in quelle  ellenistica riguardo la propagazione o ottica propriamente detta.

Tutto ciò che riguardava la natura  della luce e dei colori, ovvero su ciò che è, fu sviluppato soprattutto in età classica, dove vennero messe appunto le teorie filosofiche fondamentali che ebbero autorevolezza fino all'epoca moderna, tra cui:  la teoria dei raggi visivi; la teoria platonica e aristotelica della visione dei colori; la teoria epicurea delle immagini; la teoria stoica della pressione.

La prima di queste teorie era attribuita a Pitagora il quale affermava che dall'occhio escono in linea retta i raggi visivi che toccano i corpi e li trasmettono a colui che vede, in sostanza un processo simile a quella del tatto. http://www.osservatoriofeynman.eu/kalos/wp-content/uploads/2014/02/2.jpg

La seconda teoria si incentra invece sull'importanza della luce solare. Il fuoco contenuto in noi scorre attraverso gli occhi e filtra puro dalla loro parte mediana. Per Platone la visione è prodotta dalla propagazione di un movimento non discreto della luce che si diffonde per contatto.  http://images.treccani.it/enc/media/share/images/orig/system/galleries/STORIA_DELLA_SCIENZA/VOL_1/Scienza_greco_romana_Ottica_teoria_luce_fig_3.jpg Per quanto riguarda la formazione dei colori secondo Platone e Aristotele  il colore è determinato dal fuoco che proviene dai singoli corpi, questo fuoco è composto di particelle le quali sono più piccole o più grandi rispetto a quelle presenti nell'organo visivo che le riceve: quando le particelle hanno la stessa grandezza di quelle del corpo che le riceve si ha il fenomeno della trasparenza, quando sono più piccole si vede il bianco, quando sono più grandi si vede il nero, gli altri colori provengono dalla mescolanza di questi estremi di bianco e di nero. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7c/GoetheFarbkreis.jpg/220px-GoetheFarbkreis.jpg

La teoria epicurea, ispirata a Empedocle e Democrito e poi perfezionata da Lucrezio, afferma che i corpi emettono continuamente atomi che diffusi in ogni direzione nell'aria penetrano nell'occhio conservando la forma dell'oggetto questi simulacri che si muovono con grande velocità solo la causa della visione. http://www.erboristeriarcobaleno.com/images/p305_0_08_05.jpg

Nella dottrina Stoica della pressione i raggi sono sostituiti da una pressione che l'organo centrale dell'anima esercita sulla sua pupilla uscendo da essa la pressione si allarga a forma di cono fino all'oggetto. Il Sole agevola la trasmissione della vista mentre l'aria più densa della notte la ostacola. https://st3.depositphotos.com/9468312/12553/v/950/depositphotos_125534526-stock-illustration-think-about-buying-a-house.jpg

La seconda parte di teorie sviluppatisi in epoca ellenistica riguardano invece l'ottica geometrica (ovvero la propagazione della luce) ed in particolare riguardano diverse branche della visione che corrispondono grossomodo all'ottica, alla catottrica, alla prospettiva e alla diottrica.

L'ottica si occupava della visione propriamente detta, cioè come i raggi in linea retta colpiscono gli oggetti, ed era stata analizzata da Euclide e da Tolomeo. https://www.larapedia.com/scienze_ottica/ottica_euclide_clip_image001.png  La  catottrica studia la riflessione della luce tramite gli specchi su di essa ci sono giunte le opere di Euclide e di Teone di Alessandria. https://digilander.libero.it/danilo.mauro/images/riflessione2.gif

Per quanto riguarda la prospettiva degli antichi in realtà non c’è rimasto nulla.

Per quanto riguarda la diottrica ovvero la misura dei diversi angoli prodotti dai raggi luminosi abbiamo l'opera di Erone. https://frosinonemeteo.it/images/astronomia/curvatura-campo.png

Dopo l'epoca ellenistica in particolare fu il mondo arabo a continuare la tradizione scientifica greca. Per quanto riguarda la visione sensibile l'opera più famosa il De aspectibus ovvero Delle cose visibili scritta da Alkindi nel IX secolo d.c. https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcRRETPOw4YlDvp9reYiueWksJftWUMS4Lsw-IycNW9QxsPf1Yz0&usqp=CAU, dopo di lui merita di essere ricordata l'opera di Alhazen che riprese la tradizione fisico-fisiologica dell'ottica speculativa: per esempio nello studio della rifrazione della luce Alhazen proponeva che essa si comportasse come dei proiettili meccanici https://menoflostglory.files.wordpress.com/2015/02/28.jpg. Oltre al mondo arabo lo studio dell'ottica riprese vigore in forma metafisica grazie alla scuola di Oxford di Roberto Grossatesta e Ruggero Bacone. http://www.liceocoperniconews.it/wp-content/uploads/2017/11/IMG2.Lalucenelmedioevo.jpg

Una delle prime spiegazioni dell'arcobaleno appartiene  invece a Teodorico di Freiberg nel 1311: esso veniva spiegato mediante la sequenza di rifrazione all'interno di ciascuna goccia di pioggia riflessione e di nuovo rifrazione. La sua spiegazione dei colori si fonda su due coppie di qualità opposte luce e ombra: un fascio di luce bianca rifrangente perde luminosità perché incontra un limite nel corpo rifrangente da ciò derivano i colori: i rossi sono i più luminosi, i blu i più scuri per effetto della modificazione prodotta dal corpo rifrangente. https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcTVqz-TT1jFAkE9ivl5Rr8IZBZs-rbv_t43EVj7_TocJTCSHtGf&usqp=CAU

Durante la nascita della Scienza moderna gli autori più rilevanti per gli studi sulla luce furono quelli di Johannes Kepler, il quale diceva di essersi ispirato Giovanni Della Porta, e di René Descartes.

Keplero scrive un’importantissima opera di ottica che fu alla base degli studi successivi compiuti da Newton e da molti altri scienziati moderni. Senza soffermarsi sui tantissimi aspetti trattati in questa opera possiamo dire che Keplero trattò il tema su come fosse possibile vedere le immagini in uno specchiohttps://sites.google.com/site/professoremodica/_/rsrc/1360747577193/ottica-ottica-applicata/Specchio%20PianoJPG.JPG?height=256&width=320, affermando che l'occhio riceve i raggi ma non può sapere qual è stato il cammino che essi hanno compiuto e questo sarebbe alla base anche di illusioni ottiche come il remo che immerso nell'acqua sembra spezzato. https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/none/path/se10a32559102c54f/image/i40bfd18a2f78be06/version/1350588027/image.jpg

Keplero tratta poi del meccanismo della visione, affermando che la luce giunge fino alla retina e l'immagine sulla retina si forma rovesciata, ma non ritiene che questo fatto porti di conseguenza che si debba vedere rovesciati gli oggetti basta infatti che l'occhio collochi il punto luminoso in alto quando lo stimolo che lo raggiunge è in basso e collochi a destra il punto che lo stimolo pone a sinistra e viceversa. https://www.reinventore.it/uploads/files/approfondimenti/2014/01/2-cartesio.jpg

Keplero si occupa anche della rifrazione e riesce a sostituire all'ottica fisiologica medievale l'ottica geometrica moderna, nel fare ciò compie un importante scoperta che riguarda proprio il fenomeno della rifrazione attraverso una sfera diaframmata a un punto, a esso corrisponde un punto immagine e un fascio di raggi paralleli converge in questo punto che egli chiama per la prima volta focushttps://alamedaproject.files.wordpress.com/2018/03/centrale.jpg?w=736 Anche se meno è un po’meno noto Keplero si occupa anche delle lenti che poi saranno fondamentali per lo sviluppo dei cannocchiali e dei telescopi.

Descartes scrisse un discorso La diottrica intitolato De Lumiere dove si impose come obiettivo quello di spiegare le proprietà della luce sia quelle note sia quelle da scoprire, in realtà come riconosciuto successivamente da Christian Huygens molte osservazioni di Cartesio sono tutt'altro che esplicative, tuttavia:

Per quanto riguarda la natura della luce secondo Cartesio questa derivava da quella che gli chiamava prima materia, la materia sottilissima che si generava dal raschiamento dei blocchi di materia a cui Dio aveva impresso il movimento iniziale (non a caso Cartesio trattava la luce nello stesso modo con cui trattava le traiettorie dei proiettili). Una caratteristica attribuita da Cartesio è che la velocità della luce sia infinita. https://www.ariannaeditrice.it/data/articoli/fb_resolution/0/0-15629.jpg

Per quanto riguarda i colori Cartesio afferma che la natura dei colori non consiste in altro se non nel fatto che le parti della materia sottile che trasmette la luce quando ruotano più forti producono il colore rosso e quando incontrano resistenza e hanno un moto più lento producono il colore giallo e così via… definendo così il colore un fenomeno fisico-fisiologico dovuta le varie sensazioni che desta in noi il vario moto delle particelle luminifere.

Lo studio più importante di Cartesio su questi temi è quello relativo all'Arcobaleno presente nel testo Meteore: secondo Cartesio il raggio di sole si rifrange quando entra a contatto l'acqua e si riflette sulla goccia d'acqua ed esso arriva colorato all'osservatore in virtù dell'angolo di riflessione distinguendosi in diversi colori. http://www.risposte360.it/wp-content/uploads/2017/04/How-rainbow-forms-waterstories-1-768x768.jpg

A partire dal XVII secolo ebbe inizio un acceso dibattito sulla natura della luce, che vedeva da un lato Newton che sosteneva che la luce era composta da minuscole particelle, da dei corpuscoli, e dall’altro Huygens e Robert Hooke che sostenevano che la luce avesse le caratteristiche di un’onda.

L’idea corpuscolare http://www.ecoage.com/data/ecoagecom/fotoni-luce.jpg aveva il merito di essere matematicamente molto semplice e di spiegare facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce che erano ben note all’epoca di Newton. Il motivo risiede innanzitutto nella meccanica galileiana che prevede, correttamente, che le particelle (inclusi i corpuscoli di luce) si propaghino in linea retta inoltre questi corpi erano postulati come leggerissimi il che rendeva ragione  di un altissima velocita della luce ma al contempo non infinita. Anche il fenomeno della riflessione può essere spiegato in maniera semplice tramite l’urto elastico della particella di luce sulla superficie riflettente. La spiegazione della rifrazione è leggermente più complicata ma tutt’altro che impossibile: basta infatti pensare che le particelle incidenti sul materiale rifrangente subiscano, ad opera di questo, delle forze perpendicolari alla superficie che ne cambiano la traiettoria.

I colori dell’arcobaleno venivano spiegati tramite l’introduzione di un gran numero di corpuscoli di luce diversi (uno per ogni colore) ed il bianco era l’unione di tali particelle. Newton cercò un fondamento sperimentale della sua teoria attraverso una serie di esperimenti condotti con dei prismi. http://www.andreaminini.org/data/andreamininiorg/ricomposizione-della-luce-secondo-prisma.gif

La teoria di Huygens interpreta invece la luce come un'onda https://image.freepik.com/vettori-gratuito/onde-di-luce-astratto-sfondo_23-2147510054.jpg?1 che si propaga (in maniera del tutto simile alle onde del mare o a onde acistiche) l'inconveninte di tale interpretazione risiede nella necessità di ammettere l’esistenza di un mezzo fisico di propagazione che fu nominato etere luminifero e che si supponeva pervadesse tutto l'universo. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare (anche se in maniera matematicamente complessa) un gran numero di fenomeni: oltre alla riflessione ed alla rifrazione, Huygens riuscì infatti a spiegare anche il fenomeno della birifrangenza nei cristalli di calcite. https://c8.alamy.com/compit/bce758/doppia-rifrazione-che-mostra-due-raggi-emergenti-quando-un-singolo-raggio-di-luce-colpisce-un-cristallo-di-calcite-ad-angolo-retto-rispetto-a-una-faccia-bce758.jpg

Alla morte di Hooke e Huygens fu l’Idea di Newton ad essere accolta. Ma la teoria dei colori di Newton contrastava con la visione filosofica classica e venne fortemente osteggiata ndurante il Romanticismo da Wolfgang Goethe e poi dal giovane Arthur Schopenhauer. Secondo Goethe i diversi colori non derivavano come voleva Isaac Newton dalla scomposizione della luce bianca così come mostrata dal prisma, ma debbono la loro origine dall'opposizione polare del bianco e del nero, di luce e di oscurità. https://ekologhia.files.wordpress.com/2015/01/color-a.jpg La luce perciò non sarebbe come voleva Newton un fenomeno scomponibile ma un fenomeno semplice che dà origine ai diversi colori. Questa teoria risulta essere scorretta ai giorni nostri, ma mantiene un'importanza fondamentale perché ispirato Lo studio delle costanze di colore ed è l'importanza del rapporto tra colore e sfondo. https://c8.alamy.com/compit/c54gp5/graphic-teoria-del-colore-composizione-che-mostra-la-percezione-del-medesimo-rosso-su-diversi-sfondi-colorati-c54gp5.jpg

Nel 1801 fu messa in discussione anche la natura corpuscolare della luce proposta da Newton. L’Inglese Thomas Young (1773-1829) eseguì un esperimento, ormai diventato celebre, che avvalorava la teoria ondulatoria della luce. Due raggi di luce (originati dalla divisione di un unico raggio di partenza) colpivano due fenditure, intersecandosi e interferendo tra loro successivamente. scoprì il fenomeno dell’interferenza che è tipica appunto delle onde (basti pensare al frangere delle onde del mare tra loro). https://argomentidifisica.files.wordpress.com/2009/10/diffrazione-onda-mare.jpg?w=529 L'area di intersezione non era più luminosa, come ci si sarebbe aspettato da un modello particellare, ma presentava delle bande più luminose e meno luminose alternate, come prevedeva il modello ondulatorio: a seconda del punto di incontro i due fasci di luce si sommano o si annullano, creando un'immagine d'interferenza.  https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRE_22EJokidg5HN0ATzlNQwQxmNd8hdF-teJbg_7oRk7SAT90u Questo esperimento faceva propendere in modo inequivocabile per la teoria ondulatoria. Tuttavia la questione non si chiuse, rimaneva aperta infatti la questione del mezzo nel quale l’onda si propagava; malgrado i diversi sforzi compiuti non si era mai riusciti a dimostrare l’esistenza dell’etere luminifero. https://assets.sutori.com/user-uploads/image/36d73430-ad28-4bac-bfdd-42bd34093c5d/b5e803c11d9c0dd6e5d1519976e581e7.gif

La stessa teoria sui colori di Newton in base all'esperimento di Young sembrava più compatibile con  un'interpretazione di tipo ondulatorio del fenomeno luminoso, mentre le equazioni di Maxwell sembravano confermare l'idea della luce come onda simile alle onde elettromagnietiche. Rimaneva tuttavia il problema di individuare l’etere luminifero cioè il mezzo attraverso il quale la luce, ma anche le onde elettromagnetiche in generale, si sarebbe propagata. In linea di principio l’etere luminifero doveva poter essere individuato, infatti, la luce appariva con un'altra caratteristica peculiare ovvero sembrava mantenere una velocità costante, il valore costante quindi della velocità della luce suggeriva che vi sarebbe dovuto essere un moto relativo rispetto all’etere, secondo la meccanica newtoniana infatti la velocità della luce doveva in qualche modo variare nei due valori estremi quando si aggiunge o sottraeva il moto del nostro pianeta che in qualche modo avrebbe interferito con l'etere. https://lh3.googleusercontent.com/proxy/PoDjg_qRsa1Cftr5Y8Jwqmk92-QuymmvR69sq0gG1jdvvTWa6Kt-Nishnz3MORZxmPFsx7z7tIkYdx93Z2v6N3kXeSNp2Z9GNd1rUJIC0ifj70dcOCT1pnxmnGjaRGp7aU3W

Verso la fine del XIX secolo furono condotti diversi esperimenti corrispondenti a questo schema teorico ma i risultati non furono conclusivi. Inoltre sorgeva il dubbio che la terra trascinasse con se l’etere e questa ipotesi avrebbe spiegato perché il pianeta può spostarsi attraverso un mezzo molto rigido senza incontrare resistenza e di conseguenza perché non si riscontrava alcuna differenza nella velocità della luce,  ovvero che il moto relativo della Terra rispetto all’etere avrebbe avuto sempre velocità nulla.

Nel 1887 Albert Michelson (1852-1931) e Edward Morley (1838-1923) https://www.altrogiornale.org/wp-content/uploads/2020/04/4-Michelson-Morley.jpg realizzarono il più famoso esperimento di fisica di tutti i tempi. Avevano ideato uno strumento in grado di poter rilevare variazioni estremamente piccole della velocità della luce. https://questcosmic.files.wordpress.com/2012/09/experimento-de-michelson-morley.jpg Qualunque fosse stato il moto della Terra rispetto a l’etere la velocità non avrebbe potuto essere la stessa se misurata lungo le due direzioni (in direzione del moto terrestre e in direzione opposta) a meno che per coincidenza lo spostamento del pianeta non avvenisse proprio nella direzione della bisettrice dell'angolo tra le due direzioni scelte, ma in questo caso sarebbe bastato ruotare un po' con l'intera struttura e provare a ripetere le misurazioni. Essi misurarono la velocità della luce e trovarono un valore prossimo ai 300.000 km/s (299.792 Km/s); tuttavia secondo quella che era la concezione newtoniana e galileiana dello spazio e del tempo, tale velocità avrebbe dovuto risentire quanto meno del moto terrestre, così che il risultato ottenuto non sarebbe coinciso con quello effettivo ma con una sua approssimazione. Secondo la fisica di Newton se una persona cammina con una velocità di 2 km/h su di un treno, che procede alla velocità di 100 km/h, la persona si sposta rispetto al suolo sul quale e situata la ferrovia di 102 km/h, così una luce posta sul medesimo treno dovrebbe spostarsi rispetto al terreno di 300.000 km/s più la velocità del treno e questo era quello che anche Morley e Michelson pensavano.http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/wp-content/uploads/2014/08/rela4-600x441.png

L'apparecchio per la misurazione per le sue dimensioni si poteva adattare a un laboratorio: all’inizio vi era uno specchio semitrasparente che divideva un raggio di luce in due componenti una delle quali altre attraversava lo specchio stesso e l'altra si rifletteva in direzione perpendicolare alla prima. Entrambi i raggi venivano riflessi e ripercorreva ognuno il cammino percorso all’andata ma in verso opposto per poi ricombinarsi e raggiungere un altro rilevatore. L’apparecchiatura era calibrata in modo che i cammini percorsi avessero la stessa lunghezza. Il raggio originale veniva regolato per renderlo coerente cioè per ottenere che le sue onde fossero sincronizzate una con l’altra. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bd/Michelson_Interferometer_scheme.png

Ogni differenza tra la velocità dei due fasci di luce nelle due direzioni percorse avrebbe prodotto uno sfasamento nella ricomposizione del raggio da cui sarebbe derivata un interferenza tra le due onde, ovvero si sarebbe osservato il tipico disegno delle frange di interferenza studiato da Young. In qualche modo questo moto relativo della Terra rispetto all’etere avrebbe dovuto produrre un’interferenza benché di piccola entità, che attraverso una serie di riflessioni multiple si poteva però rendere rilevabile. 

Malgrado i due scienziati avessero condotto l'esperimento più volte con grande accuratezza, addirittura facendo galleggiare il loro strumento in una vasca piena di mercurio cosicché la strumentazione potesse facilmente ruotare, il risultato fu del tutto negativo ovvero non si verificava alcuna interferenza… la conseguenza di ciò era l'inesistenza dell'etere luminifero.

La questione dell'etere era dirimente perchè se l'etere luminifero non fosse esistito non sarebbe stato un problema soltanto relativo alla natura della luce (corpuscolare o ondulatoria) ma avrebbe avuto ripercussioni profonde anche sulla teoria elettromagnetica, la luce infatti aveva gli stessi comportamenti delle onde elettromagnetiche studiate da Maxwell pertanto se la luce non era un'onda in qualche modo venivano confutate anche le equazioni di Maxwell. Fu così che per cercare di salvaguardare la teoria elettromagnetica di Maxwell, che sembrava spiegare molti fenomeni e per dar ragione dell'anomalia del risultato dell'esperimento di Morley e Michelson il fisico Hendrik Antonin Lorenz (1853-1928) propose una spiegazione audace e brillante ovvero sostenne che un corpo che si trova in moto si contrae leggermente nella direzione del moto stesso (oggi note come leggi di trasformazione di Lorenz) e questa contrazione è tanto quanto la quantità necessaria ad annullare la differenza della lunghezza dei percorsi eseguiti per esempio dai raggi luminosi nell'esperimento di Morley e Michelson. https://slideplayer.it/slide/2898956/10/images/2/LE+TRASFORMAZIONI+DI+LORENTZ.jpg  Ovviamente questa era una soluzione matematica si sarebbe dovuto aspettare Albert Einstein per trovare una soluzione fisica, al costo però di mettere in discussione buona parte della fisica classica.

 

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