4. Gli studi sull'ottica

I primi studi sulle proprietà della luce risalgono ai Greci i quali tentarono di spiegare fenomeni ottici dell'atmosfera, la riflessione e la rifrazione. Gli specchi metallici furono adoperati fin dall'antichità: specchi concavi e delle lenti rudimentali erano in uso già nel IV secolo A.C. Le prime misure degli angoli di rifrazione e riflessione furono effettuate da Tolomeo, astronomo della scuola alessandrina, nel I sec. d.C. e riportate nel suo trattato Ottica che contiene tra l'altro teorie sugli specchi piani e concavi.

Nell' XI secolo l'arabo Al Hazen scrisse un trattato di ottica in cui compaiono studi approfonditi sugli specchi di vario tipo, sulle illusioni ottiche (si trova ad esempio una spiegazione delle dimensioni maggiori con cui sembrano apparire il Sole e la Luna all'orizzonte) e sulla rifrazione. In questo periodo fra gli altri contributi arabi va segnalata una razionale spiegazione del fenomeno dell'arcobaleno. Bisognerà attendere il XVII secolo per avere un grande sviluppo delle teorie sulla luce. Una prima teoria venne formulata da René Descartes nel suo trattato Diottrica del 1637 in cui viene enunciata la legge della costanza del rapporto fra i seni degli angoli di incidenza e rifrazione(in realtà già scoperta qualche anno prima da Snell ma enunciata in maniera diversa, infatti mentre Snell espresse l'indice di rifrazione sotto la forma)

$\begin{displaymath} n=\frac{\csc r}{\csc i} \end{displaymath}$

Descartes ne riformulava il contenuto sotto la forma oggi più nota:

$\begin{displaymath}\frac{\sin i}{\sin r}=\frac{v'}{v} \end{displaymath}$

Fermat dimostrò che la stessa legge si poteva ottenere partendo da un principio più generale e cioè ammettendo che i fenomeni naturali avvengono con la massima economia. Diede così una prima applicazione del famoso principio di minima azione.

L'ottica fece grandi progressi in questo periodo: nel giro di pochi anni ci furono la scoperta del fenomeno della diffrazione (Grimaldi, 1665) e quella della doppia rifrazione (Bartholin, 1670). Una prima teoria ondulatoria della luce è opera di Christiaan Huygens (1629-1695). Nel suo Traité de la lumière compaiono studi sulla doppia rifrazione dello spato d'Islanda e viene enunciato il suo famoso principio. Ulteriori importanti sviluppi furono apportati da Newton che criticò la teoria ondulatoria di Huygens propendendo per una teoria corpuscolare che meglio spiegava alcuni fenomeni; l'autorità di Newton contribuì a far prevalere la sua teoria negli anni successivi. In questo periodo, di questioni intorno alla doppia rifrazione si occupò anche il nostro Beccaria^(*) con risultati accolti favorevolmente in Inghilterra. Ci volle un secolo prima che la teoria corpuscolare venisse attaccata. Nel 1802 Thomas Young riusci a spiegare alcuni fenomeni, come la diffrazione, in chiave ondulatoria. Young vide l'analogia tra il fenomeno dei battimenti in acustica e le frange di interferenza prodotte da un fascio luminoso dopo aver attraversato due forellini molti vicini: con questo metodo riuscì anche ad effettuare misure quantitative delle lunghezze d'onda valutando correttamente i valori di 0.7µm per la luce rossa e 0.4µm per la violetta. Tuttavia i suoi lavori furono accolti con diffidenza e per un certo periodo dimenticati.

Al di fuori dell'Inghilterra le nuove teorie trovarono un'accoglienza migliore: in Francia la teoria ondulatoria fu pienamente accolta. Jean Augustin Fresnel (1788-1827) nell'arco della sua breve vita apportò contributi rivoluzionari all'ottica studiando la diffrazione e l'interferenza. Con decisivi esperimenti compiuti di fronte alla commissione appositamente costituita dall'Accademia di Francia, convinse gli accademici della correttezza della sua interpretazione in termini di onde dando un duro colpo alla teoria dell'emissione sostenuta da Laplace, Biot e Poisson. Quest'ultimo, nel corso degli esperimenti di Fresnel, notò un particolare nella figura di diffrazione perfettamente spiegabile in termini di onde e divenne un sostenitore della nuova teoria. Rimanevano però alcuni fatti difficili da spiegare, primo fra tutti il problema dell'interferenza della luce polarizzata. Il problema nasceva dal fatto che Fresnel e gli studiosi del suo tempo erano guidati dalla completa analogia fra i fenomeni acustici e quelli luminosi. Proprio su questo punto sorse un dubbio che portò Fresnel a pensare che l'analogia non doveva ritenersi perfetta: infatti mentre le vibrazioni molecolari dovute alla trasmissione del suono sono parallele alla direzione di propagazione, per i segnali luminosi c'era da presupporre un tipo di onde trasversali. Ecco così spiegato come un fascio di luce linearmente polarizzata non può interferire con un altro se non quando i piani di vibrazione sono paralleli. Anche quest'idea faticò ad essere accolta sebbene spiegasse bene i fatti sperimentali. Bisognerà attendere il 1850 per vedere affermarsi in maniera inequivocabile la teoria ondulatoria. La teoria corpuscolare prevedeva una velocità della luce minore in un mezzo meno rifrangente (ad es. aria) che in un mezzo più rifrangente (ad es. acqua), mentre la teoria ondulatoria prevedeva il contrario. Dalla misura dei valori si poteva decidere quale teoria condannare. Risalgono a questo periodo le prime misure della velocità della luce con metodi che portarono a valori vicini a quelli oggi accettati: già un secolo prima erano stati utilizzati metodi astronomici basati sulle misure dei tempi intercorsi fra due eclissi del primo satellite di Giove (Rœmer) ottenendo buoni risultati; in seguito Fizeau riuscì ad effettuare misure su distanze di pochi chilometri, infine Foucault nel 1850 effettuò la misura con un'esperienza in laboratorio ottenendo il valore di 298000 Km/s per la velocità della luce nell'aria. Poco tempo dopo Arago suggerì a Foucault un metodo che consentiva la misura nell'acqua: dai valori ottenuti si considerò vincente la teoria ondulatoria. Bisognerà attendere il XX secolo per veder rientrare in gioco la teoria corpuscolare.

Per quanto riguarda le applicazioni tecniche derivanti dalle scoperte del XIX secolo ci furono da un lato il perfezionamento degli strumenti ottici sia per la microscopia che per l'astronomia, dall'altro il crescente interesse per i fenomeni ottici che portò ad invenzioni sensazionali come la fotografia ed il cinematografo.