Dall'Illuminismo al XX secolo II di Stefano Gattei (Università di Milano)  L'ottica  La teoria ondulatoria della luce  Elettricità, elettromagnetismo  Teorie matematiche dell'elettromagnetismo  I bookmark di ReS     L'ottica Gli scritti newtoniani di ottica costituirono il punto di partenza per le ricerche successive in questo campo, e furono quindi fatti oggetto di studio attento fino a buona parte del XIX secolo. In base alle sue ricerche sul fenomeno del colore, Newton si convinse che la rifrazione si accompagnasse necessariamente alla dispersione, e che l'aberrazione cromatica (ovvero la distorsione del colore) potesse quindi essere eliminata ricorrendo a dei riflettori, anziché a dei rifrattori, come telescopi. Verso la metà del XVIII secolo Eulero e altri svilupparono argomentazioni teoriche contro questa idea di Newton, e lo stesso Eulero offrì l'occhio umano come esempio di sistema di lenti acromatiche. Sebbene egli fosse praticamente il solo a farlo, Eulero respingeva anche la teoria corpuscolare di Newton per quanto riguarda la natura della luce, e spiegava i fenomeni ottici in termini di vibrazioni in un etere fluido. Il dominio pressoché incontrastato della teoria newtoniana era dovuto in larga parte all'enorme successo delle sue applicazioni dirette, e in parte anche all'onnicomprensività del pensiero alla base di tale teoria. Le osservazioni di Bradley, per esempio, trovarono una spiegazione immediata e naturale in termini della teoria corpuscolare, supportata anche dal sempre maggiore successo della teoria gravitazionale, che parlava di particelle discrete di materia.   La teoria ondulatoria della luce Fra Settecento e Ottocento, il medico inglese Thomas Young, studioso dei processi di adattamento dell'occhio umano (ovvero della sua capacità di mettere a fuoco gli oggetti), compì lunghe e dettagliate ricerche che lo portarono a numerose scoperte nel campo dell'ottica, e in particolare alla scoperta dell'effetto dell'interferenza. Grazie a una teoria ondulatoria della luce Young riuscì a spiegare tanto questo effetto - che, paradossalmente, può portare alla reciproca eliminazione da parte di due raggi luminosi fuori fase, così da produrre una completa oscurità - quanto i vari fenomeni legati al colore osservati da Newton. La teoria ondulatoria della luce venne sviluppata a partire dal 1815 in una serie eccezionali memorie matematiche e sperimentali scritte da Auguste Fresnel, ma venne contrastata dai sostenitori della teoria corpuscolare, in particolare da un gruppo di scienziati francesi (Pierre-Simon Laplace, Siméon-Denis Poisson, Étienne Malus, Jean-Baptiste Biot). Particolarmente rilevante, in questa diatriba, fu la scoperta da parte di Malus, nel 1808, della polarizzazione della luce grazie alla riflessione. Seguendo l'idea avanzata da Young nel 1817, Fresnel riuscì a rendere gli effetti della polarizzazione comprensibili anche attraverso la teoria ondulatoria, considerando la luce come costituita da un'onda trasversale anziché longitudinale, come invece aveva suggerito l'analogia con il suono. La propagazione di un'onda trasversale, la cui velocità attraverso vari mezzi e in condizioni variabili venne misurata sulla Terra, con precisione sempre maggiore, a partire dalla metà dell'Ottocento, sembrava richiedere l'esistenza di un etere con la proprietà di essere un solido notevolmente elastico (come l'acciaio) che non offrisse però, al contempo, alcuna resistenza al moto dei pianeti che dovevano attraversarlo. Queste proprietà, alquanto particolari, stimolarono la formulazione di un certo numero di modelli meccanici dell'etere, e in particolare quelli di William Thomson, Lord Kelvin. Allo scopo di comprendere il fenomeno dell'aberrazione della luce all'interno della teoria ondulatoria, Fresnel aveva ipotizzato che l'etere immobile permeasse liberamente la Terra opaca, non subendo così alcuna conseguenza dai moti di questa. Egli derivò anche una conseguenza teorica (verificata sperimentalmente nel 1849 da Armand-Hippolyte-Louis Fizeau) che l'etere fosse parzialmente, e solo parzialmente, trascinato da una sostanza mobile e trasparente in base all'indice di rifrazione della sostanza. Tuttavia, tutte le ricerche successive, in particolare quelle dei fisici americani Albert A. Michelson e Edward Morley (1881 e 1887) non riuscirono a rilevare alcuna misura del previsto vento d'etere. Fu proprio per sfuggire alla difficoltà posta da un movimento necessario e tuttavia non misurato dell'etere che l'inglese George H. FitzGerald e l'olandese Hendrik A. Lorentz postularono indipendentemente, verso la fine dell'Ottocento, la contrazione dei corpi in movimento nella direzione del loro moto attraverso l'etere. La contrazione di Lorentz-FitzGerald riguarda il quadrato del rapporto fra la velocità del corpo e la velocità della luce, e assicura teoricamente la non rilevabilità, a livello sperimentale, del cosiddetto "vento d'etere". Essa venne supportata dalle considerazioni, sviluppate proprio alla fine del XIX secolo, a proposito della natura elettrica della materia, e insieme ad altre assunzioni teoriche dello stesso tipo, apparentemente necessarie, portò Einstein a formulare la teoria della relatività.   Elettricità e magnetismo Fino alla fine del XVIII secolo le ricerche nel campo dell'elettricità e del magnetismo esibirono più il carattere ipotetico e spontaneo dell'Ottica di Newton che il tono assiomatico dei suoi Principia. All'inizio del Settecento l'inglese Stephen Gray e il francese Charles F. DuFay studiarono l'elettrificazione diretta e indotta di varie sostanze in base ai sue tipi di elettricità (allora chiamate vitrea e resinosa, ora dette positiva e negativa), e anche la capacità di queste sostanze di condurre il flusso elettrico. Verso la metà del secolo, l'utilizzo delle cosiddette "bottiglie di Leyda" per raccogliere le cariche e lo sviluppo di grandi macchine per la produzione di elettricità statica portarono in primo piano la scienza sperimentale, mentre gli aspetti teorici venivano attribuiti di volta in volta e in varie forme alla teoria a un fluido (fra gli altri, da Benjamin Franklin e Franz M. U. T. Aepinus) e alla teoria a due fluidi. Verso la fine del XVIII secolo, l'inglese Joseph Priestley aveva osservato che non si verificava alcun effetto elettrico all'interno di un contenitore metallico cavo elettrificato, e da ciò aveva brillantemente dedotto, per analogia, che la legge dell'inverso del quadrato (tipica dei fenomeni gravitazionali) dovesse valere anche per i fenomeni elettrici. In una serie di memorie, Charles-Augustin Coulomb, utilizzando una bilancia di torsione simile a quella utilizzata da Henry Cavendish per misurare la forza gravitazionale, dimostrò la validità della relazione dell'inverso del quadrato anche per i fenomeni di attrazione e di repulsione elettrici e magnetici (legge di Coulomb). Coulomb applicò quindi questa stessa legge per calcolare la distribuzione superficiale del fluido elettrico, così da fornire la base per i successivi studi di Poisson e di Lord Kelvin (XIX secolo). La scoperta dell'elettricità di tipo galvanico e lo sviluppo dell'elettricità voltaica aprirono intere nuove aree di ricerca, fornendo agli studiosi opportune fonti di corrente elettrica continua (pila di Volta, 1800). La scoperta, da parte del fisico danese Hans Christian Ørsted, dell'effetto magnetico che accompagna una corrente elettrica (1819) portò quasi immediatamente alla formulazione di leggi quantitative dell'elettromagnetismo e dell'elettrodinamica. Nel 1827 André-Marie Ampére pubblicò una serie di memorie matematiche e sperimentali sulla propria teoria elettrodinamica, le quali permettevano di comprendere non soltanto l'elettromagnetismo, ma anche il magnetismo ordinario, identificando entrambi come risultati di correnti elettriche molecolari. Ampère fondò il proprio elettromagnetismo su forze regolate dalla legge dell'inverso del quadrato (dirette tuttavia perpendicolarmente, e non parallelamente, alla linea su cui giacciono i due elementi interagenti), e dimostrò che i suoi effetti non violano la terza legge della dinamica di Newton, nonostante la loro direzione trasversale.   Teorie matematiche dell'elettromagnetismo La scoperta, nel 1831, a opera dello scienziato inglese Michael Faraday, dell'induzione elettromagnetica (ovvero dell'effetto inverso rispetto a quello scoperto da Ørsted), insieme alla sua determinazione sperimentale dell'identità tra le varie forme di elettricità (1833) e alla sua scoperta della rotazione del piano di polarizzazione della luce in seguito al magnetismo (1845) contribuirono, unitamente a quelle di altri ricercatori - per esempio, la scoperta nel 1843, da parte di James P. Joule e altri, dell'equivalente meccanico del calore (conservazione dell'energia - a enfatizzare l'unità essenziale delle forze della natura. Nel campo dell'elettricità e del magnetismo i tentativi di unificazione teorica venivano condotti o in termini di forze simili a quelle gravitazionali agenti a distanza, come nel caso di Ampère, o, come nel caso di Faraday, in termini di linee di forza e del mezzo attraverso cui si pensava che esse si spostassero. Allo scopo di determinare i coefficienti della propria teoria (che era del primo tipo), il fisico tedesco Wilhelm E. Weber misurò come il rapporto fra le unità elettromagnetiche ed elettrostatiche di carica elettrica fosse uguale alla velocità della luce. A partire dal 1855, il fisico James Clerk Maxwell, derivando le proprie idee da Faraday e appoggiandosi conseguentemente all'esistenza dell'etere, richiesto dalla teoria ottica, sviluppò, grazie a ingegnosi modelli meccanici, la propria teoria matematica dell'elettromagnetismo. Una conseguenza della sua teoria era che un'onda elettromagnetica dovesse propagarsi nell'etere con una velocità pari al rapporto fra le unità elettromagnetiche e quelle elettrostatiche. Combinato con quelli precedenti di Weber e di Rudolph Kohlrausch, questo nuovo risultato implicava che la luce dovesse essere un fenomeno elettromagnetico. L'inclusione, da parte di Maxwell, della luce all'interno della propria teoria elettromagnetica ottenne una conferma sperimentale nel 1886, quando Heinrich Hertz rilevò le onde elettromagnetiche previste dalla teoria. Nonostante la profondità e la fecondità del risultato raggiunto, rimanevano alcuni problemi irrisolti, cui si aggiunsero ben presto nuove difficoltà. Dal punto di vista sperimentale, infatti, la scoperta dell'effetto fotoelettrico da parte di Hertz (1887) portò molto velocemente a una serie di risultati sperimentali che non si accordavano con una qualsiasi teoria ondulatoria della luce. I problemi teorici che coinvolgevano la natura della carica elettrica, l'interazione fra l'etere e la materia, l'ottica dei corpi in movimento e la dispersione della luce condussero Lorentz, verso la fine dell'Ottocento, a raffinare la teoria di Maxwell in termini di particelle dotate di carica - una teoria che egli sviluppò, all'inizio del XX secolo, nella sua teoria degli elettroni.   I bookmark di ReS History of Science Society Si tratta della maggiore associazione di storia della scienza al mondo. Il suo sito web contiene materiale, motori di ricerca, avvisi di convegni e conferenze, e numerosi link a siti di interesse (fra cui le principali riviste del settore, organi dell'associazione: Isis e Osiris). (in inglese) http://www.hssonline.org/main_pg.html American Institute of Physics È il sito più ricco di informazioni per chi si interesse alla fisica e alla storia della fisica. Particolarmente ricche sono le pagine dedicate alle risorse online. Attraverso la home page è possibile accedere ad archivi fotografici come gli Emilio Segrè Visual Archives, a materiale didattico di vario tipo e a siti che offrono la possibilità di scaricare gratuitamente i testi originali di molte opere fondamentali della storia della disciplina. È inoltre possibile iscriversi alla newsletter dell'associazione, per ricevere informazioni relative a convegni e pubblicazioni, o per prendere parte a una discussione fra specialisti. (in inglese) http://www.aip.org/ History of Physics Group Il gruppo, fondato nel 1984, si pone come obiettivo la conservazione e la trasmissione delle grandi testimonianze - scritte, orali o strumentali - della fisica anglosassone. Lo scopo è mostrare come la storia possa essere efficacemente usata per la comprensione, l'insegnamento e la diffusione della fisica. Molto interessante è la discussion list, cui è possibile iscriversi gratuitamente: la sua filosofia di fondo assume la fondamentale unità dell'impresa scientifica e si pone come forum per l'interazione di campi di ricerca diversi e spesso divisi rigidamente. (in inglese) http://www.iop.org/IOP/Groups/HP/ American Physical Society Un'altra associazione molto importante, con ulteriori link, informazioni e materiale. (in inglese) http://www.aps.org/ Echo Virtual Center Portale per la storia della scienza, in cui i vari link vengono continuamente aggiornati e arricchiti. (in inglese) http://echo.gmu.edu/center/ Vi e' piaciuto questo articolo? Avete dei commenti da fare? Scriveteci