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LA LUCE - velocità della luce



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LA LUCE


DEF. Agente fisico che rende possibile la sensazione della visione nonché contenuto della sensazione stessa. L'ambiguità della definizione nasce dal fatto che con uno stesso termine si indicano due entità assai differenti che, peraltro, nel latino scientifico erano indicate un tempo con il termine di lumen, l'agente fisico, e lux, la sensazione visiva. La confusione tra lumen e lux (analoga confusione esiste per il termine “suono” che indica sia un agente fisico sia una sensazione), radicatasi nel pensiero scientifico del Settecento, posteriormente all'opera di Newton, permase per tutto lo scorso secolo. Entrambe le entità furono considerate una cosa sola e indicate con un unico termine, corrispondente in pratica al termine italiano luce. La definizione e lo studio delle grandezze relative alla l. intesa come sensazione visiva sono oggetto della fotometria*. L'agente fisico che provoca la sensazione della visione è costituito da radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda compresa tra ca. 400 e ca. 700 nm. L'unico elemento che differenzia questo intervallo dello spettro elettromagnetico (intervallo detto dello spettro visibile) è appunto la capacità delle radiazioni in esso comprese (dette radiazioni visibili) di stimolare la retina dell'occhio umano in modo da produrre nel cervello sensazioni visive. Le grandezze relative alla l. (intesa nel senso di radiazioni dello spettro visibile), le loro unità di misura e i metodi per misurarle sono oggetto della radiometria come tutte le altre radiazioni dello spettro elettromagnetico (per la tabella ativa delle grandezze radiometriche e delle grandezze fotometriche, v. fotometria). Per quanto, talvolta, delle radiazioni dello spettro visibile si parli come di l. visibile, in effetti questo termine è improprio e deve essere sostituito con altri del tipo “radiazione visibile”, intendendo l'agg. visibile nel senso “che fa vedere” e non nel senso “che si può vedere”. Parlare di l. visibile deriva dal fatto che, contemporaneamente, si parla, e altrettanto impropriamente, di l. invisibile, comprendendo in questa dizione la l. ultravioletta, banda di radiazioni elettromagnetiche di lunghezza d'onda inferiore a quella dello spettro visibile, e la l. infrarossa, banda di radiazioni elettromagnetiche di lunghezza d'onda maggiore di quella del visibile. È preferibile usare la dizione radiazione ultravioletta, o ultravioletto*, radiazione infrarossa, o infrarosso*. In base alla composizione della radiazione luminosa, si parla di l. monocromatica, per indicare radiazione visibile nella quale sono presenti radiazioni elettromagnetiche di un'unica lunghezza d'onda, e di l. policromatica, per indicare radiazione visibile nella quale sono presenti radiazioni di più lunghezze d'onda. La l. bianca (v. bianco) è un'importante radiazione luminosa di composizione particolare (per le caratteristiche della l. intesa come agente fisico e per i fenomeni che la riguardano, v. assorbimento, diffusione, dispersione, emissione, interferenza, irraggiamento, polarizzazione, riflessione, rifrazione, spettro). L. del Sole, del giorno; l. naturale, artificiale; l. viva, abbagliante, fissa; intermittente; l. elettrica, nello stesso senso di energia elettrica; l. diretta, che proviene direttamente da una sorgente luminosa, non riflessa. In partic.: sorgente di l., corpo oente che emette radiazioni luminose; può essere puntiforme o estesa, reale o virtuale; raggio di l., ente considerato dall'ottica geometrica in base all'assunzione della proazione rettilinea della l.; fascio di l., fascio di raggi di l., inteso nell'accezione geometrica; pennello di l., fascio molto sottile di raggi di l. paralleli; l. fredda, luminescenza che si ha a temperature estremamente basse della sorgente; l. cinerea, v. cinereo; l. anteliale, v. anteliale; l. zodiacale, v. zodiacale; quantità di l., in fotometria, prodotto del flusso luminoso per il tempo; l'unità di misura è il lumensecondo; l. coerente, insieme di radiazioni luminose che sono costituite da radiazioni elementari di ugual frequenza e fase. Questa condizione non è ottenibile con le usuali sorgenti luminose, in quanto sono costituite da atomi che emettono onde elementari in maniera assolutamente casuale e quindi non coordinate tra loro. Nelle tecniche interferometriche, per ottenere due fasci di l. coerenti, si sdoppia un unico fascio, per mezzo di specchi o di altri dispositivi, in modo che a ogni radiazione elementare del primo fascio corrisponda una radiazione elementare del secondo, coerente con essa (v. anche interferenza). Sorgenti di l. coerente si ottengono artificialmente con le tecniche laser*.




Fisica: generalità

Per Pitagora e la sua scuola la l. consisteva in un fluido emesso dagli occhi che ritornava successivamente con l'immagine dell'oggetto, mentre per Democrito e gli atomisti erano i simulacri (o idola) emessi dagli oggetti a provocare la sensazione luminosa negli occhi. Tali teorie si fusero nella concezione di Platone, il quale riteneva che la l. derivasse dall'incontro di due fluidi, uno proveniente dall'occhio e l'altro dall'oggetto. Nel sec. III a. C. lo studio della l. venne affrontato da Euclide elaborando una specifica disciplina, l'ottica geometrica. Sulla base dei due postulati per cui «i raggi emessi dall'occhio procedono per via diretta» e «la ura compresa dai raggi visivi è un cono con il vertice nell'occhio e la base al margine dell'oggetto», Euclide compì uno studio sistematico delle immagini prodotte da piccole aperture, delle ombre, delle grandezze apparenti degli oggetti e formulò le leggi della riflessione. L'ottica di Euclide dominò incontrastata fino al Medioevo, salvo alcuni contributi di Tolomeo e di Erone relativi soprattutto a nuovi dati sperimentali sul fenomeno della rifrazione. Intorno al Mille, l'arabo Alhazen respinse la tesi di Galeno, di impostazione platonica, in base alla quale la visione era dovuta all'incontro tra la l. proveniente dall'esterno e la l. che, secreta dal cervello, è condotta dal nervo ottico alla retina e da qui all'umore vitreo e al cristallino. Nell'Opticae Thesaurus, Alhazen ripropose l'idea semplice del raggio luminoso, non più considerato, però, veicolo dell'immagine dell'oggetto, bensì di un solo punto di esso. Ogni punto luminoso emette infiniti raggi, ma solo quelli che entrano nel cono avente come base l'oggetto e come vertice l'occhio determinano la visione. Alhazen studiò anche fenomeni connessi con l'uso di camere oscure e l'ingrandimento prodotto da vetri, considerato quest'ultimo come un fenomeno di illusione ottica. I suoi studi furono conosciuti in Occidente attraverso l'opera eclettica di Vitellione (sec. XIII) a cui si ricollega sostanzialmente R. Bacone che intuì la velocità finita della luce. Nel Rinascimento si assistette a un approfondimento dell'indagine sperimentale destinata a incrinare la struttura concettuale delle teorie tradizionali sui fenomeni luminosi, soprattutto a opera di F. Maurolico e G. Della Porta. Questi, nel De Magia, offrì un'esposizione sufficientemente sistematica di vecchi e nuovi esperimenti, tra i quali spiccano l'applicazione della camera oscura all'esecuzione dei disegni e l'analogia della camera oscura con l'occhio per spiegare il meccanismo della visione. Tali studi rendevano sempre più evidente l'inadeguatezza delle vecchie teorie, che confondevano il problema fisiologico della visione con il fenomeno fisico che la produce. L'utilizzazione in astronomia del cannocchiale, a opera di Galilei, contribuì a collegare la necessità di un'ottica più rigorosa al rivolgimento generale che si stava effettuando nella meccanica. Il primo tentativo in tale direzione venne operato da Keplero che, nell'opera Ad Vitellionem Paralipomena (1604), effettuò un'ampia rassegna di tutti gli studi di ottica in vista dell'applicazione all'astronomia. Nell'ambito di una teoria geometrica della l., Keplero attribuì nuova importanza agli studi condotti anche mediante strumenti ausiliari, scoprendo che, nella rifrazione attraverso una sfera diaframmata, a un punto oggetto corrisponde un punto immagine e che un fascio di raggi paralleli converge in un punto, da lui chiamato per la prima volta focus (fuoco) ed elaborando una precisa teoria del cannocchiale. Lo stretto collegamento tra ottica e meccanica venne istituito in maniera sistematica da sectiunesio, nell'ambito della sua concezione meccanicistica. Egli tentò di spiegare i vari fenomeni ottici sulla base dell'ipotesi che la l. consista di corpuscoli in rapido movimento lineare; tra l'altro attribuì i colori alle diverse velocità di rotazione della materia che trasmette l'azione della luce. Partendo da questi presupposti sectiunesio riuscì a stabilire le leggi della rifrazione, peraltro già scoperte sperimentalmente da W. Snellius, e a dare una spiegazione sufficientemente valida dell'arcobaleno. Le concezioni di sectiunesio furono contrastate da P. Fermat, il quale operò un primo tentativo di matematizzazione dell'ottica geometrica, facendo derivare tutte le sue proposizioni, ivi inclusa la legge di sectiunesio, dal principio generale secondo cui il raggio luminoso percorre tra due punti il cammino di minimo tempo. Nel frattempo furono scoperti nuovi interessanti fenomeni, quali la diffrazione, a opera di F. M. Grimaldi, e la doppia rifrazione, a opera di E. Bartholin. G. D. Cassini osservò poi certi ritardi negli occultamenti del satellite più interno di Giove che collegò alla sua distanza variabile dalla Terra. O. Römer spiegò poi il fenomeno come dovuto alla velocità finita della l. (v. oltre). Il primo inquadramento teorico generale dei numerosi risultati sperimentali fu fatto da I. Newton a partire da una serie di lavori del 1675 che, fusi e ampliati, formarono il contenuto della famosa Ottica (1704). Newton vi espose la sua teoria corpuscolare o emissionistica di derivazione sectiunesiana, in base alla quale la l. è costituita da corpuscoli emessi dal corpo luminoso e viaggianti secondo traiettorie rettilinee con velocità dipendente dalla densità del mezzo in cui si muovono. Egli suppose inoltre che il moto dei corpuscoli suscitasse movimenti vibratori nell'etere circostante, tali da rafforzare od ostacolare i raggi luminosi. La concezione corpuscolare di Newton contraddiceva l'ipotesi ondulatoria, esposta per la prima volta in maniera organica da C. Huygens nel Traité de la lumière (1690). Questi sosteneva che la l. consiste nel movimento ondulatorio dell'etere, concepito come una materia elastica che compenetra lo spazio; ogni punto della sorgente luminosa comunica un moto ondulatorio alle particelle dell'etere circostante le quali diventano a loro volta centro di una minuscola onda con piano di oscillazione longitudinale nelsenso della proazione. La possibilità che la l. riuscisse, in questo modo, a percorrere grandi distanze, veniva spiegata da Huygens con il principio dell'inviluppo. La teoria ondulatoria spiegava assai bene la riflessione, la rifrazione e la doppia rifrazione, ma non dava esaurientemente conto della proazione rettilinea della l. e di altri fenomeni, quali la dispersione e la decomposizione della l. bianca. La teoria corpuscolare rimase così per tutto il sec. XVIII l'unica teoria accettata sulla natura della luce. Solo nel 1801 T. Young, studiando i fenomeni di interferenza, accreditò la teoria ondulatoria, ma solo negli anni 1808-21, con lo studio del complesso problema della polarizzazione delle onde luminose, la controversia si risolse. Le ricerche di L. Malus (1808) e D. Brewster portarono dapprima ad accreditare la teoria corpuscolare che spiegava il fenomeno della polarizzazione in base all'ipotesi che nella l. naturale le particelle luminose si trovano orientate in tutte le direzioni, mentre nell'attraversare i cristalli birifrangenti e nelle riflessioni esse si orientano in una particolare direzione, cioè si polarizzano. Tuttavia, successivamente A. Fresnel, dopo aver risolto la questione lasciata aperta da Huygens sulla proazione rettilinea della l. mediante un'opportuna generalizzazione del principio dell'inviluppo, riuscì a spiegare il fenomeno della polarizzazione in base alla teoria ondulatoria individuando il punto debole della teoria di Huygens nella presupposta longitudinalità delle onde luminose; secondo Fresnel, era necessario invece introdurre l'ipotesi della trasversalità di tali onde per spiegare esaurientemente tutti i risultati sperimentali. Contemporanei e in parte successivi all'opera di Fresnel furono i vari tentativi volti alla formulazione dell'ottica in termini matematici, al di fuori di ogni ipotesi sulla natura della luce. Tale lavoro di matematizzazione, iniziato da R. W. Hamilton che razionalizzò l'ottica geometrica partendo da un originale principio di minimo, fu condotto a compimento da C. G. J. Jacobi nel 1842. Il successo ormai incontrastato della teoria ondulatoria di Fresnel non frenò le ricerche sperimentali che, attraverso la scoperta di effetti luminosi in fenomeni usualmente considerati di nessun interesse ottico (termometri, pile termoelettriche, bolometri, emulsioni con sali d'argento e, più tardi, gli effetti termoionico e fotoelettrico), resero evidenti i legami tra l'ottica e i vari rami della fisica. Un tentativo di risolvere tale problema fu effettuato dapprima da C. Maxwell, che, con la teoria elettromagnetica della l., ricondusse la trattazione dell'ottica nell'ambito dell'elettromagnetismo. Questa soluzione del problema era solo parziale: anche la materia, le particelle elementari (elettroni, protoni, neutroni, ecc.) in opportune condizioni sperimentali presentavano, infatti, un comportamento identico a quello della l., dando origine a fenomeni di riflessione, rifrazione, interferenza. D'altro canto, il problema dell'esistenza dell'etere, divenuto sempre più importante a seguito dei tentativi operati per superare le “dissimmetrie” riscontrate tra l'elettromagnetismo maxwelliano, che presupponeva per le onde un etere rigido, e la meccanica newtoniana, che richiedeva un etere fluido, spinse A. A. Michelson ed E. W. Morley nel 1886 a compiere la nota esperienza. Gli sforzi di H. A. Lorentz e di altri fisici dell'epoca furono indirizzati a superare la contraddizione creatasi, spiegando con opportune ipotesi fisiche sulla struttura della materia l'impossibilità di accertare sperimentalmente l'esistenza dell'etere. Una radicale modifica delle concezioni tradizionali si ebbe con la teoria dellarelatività di A. Einstein (1905) che eliminò l'ipotesi dell'etere, attribuendo alla velocità della l. il valore di una costante universale. Inoltre, ricollegandosi ai concetti sviluppati da M. ck, Einstein introdusse l'ipotesi in base alla quale le radiazioni elettromagnetiche sono emesse e assorbite non sotto forma di onde continue bensì in “pacchetti” di energia, i quanti di l. o fotoni. In effetti, in base alle esperienze e agli studi sviluppati nell'ambito della meccanica quantistica a opera soprattutto di L. V. de Broglie e di E. Schrödinger, si è giunti all'unificazione delle due opposte teorie ondulatoria e corpuscolare: è errato attribuire alla radiazione elettromagnetica solo l'aspetto ondulatorio o quello corpuscolare, ma entrambi possono manifestarsi in diverse condizioni.






Fisica: velocità della luce

Ritenuta per molti secoli infinita, la prima misura della velocità della l. fu tentata da G. Galilei, che, non disponendo di apparati sperimentali adeguati, non fu in grado di pervenire a un risultato. La questione rimase indecisa sino a quando O. Römer (1676), osservando le eclissi del satellite più interno di Giove, spiegò le irregolarità osservate come dipendenti dalla velocità finita della l. e J. Bradley (1726), nel tentativo di misurare la parallasse di alcune stelle, scoprì il fenomeno dell'aberrazione*. La prima determinazione accurata della velocità della l. fu eseguita nel 1849 da I. Fizeau con il metodo della ruota dentata , ripresa nel 1873 da A. Cornu, nel 1882 da J. Young ed E. Forbes e, più recentemente (1928), da A. Karolus e O. Mittelstaedt che posero al posto della ruota dentata una cellula di Kerr. Questi sistemi non consentono però la misura della velocità della l. nei vari mezzi. Fizeau e J.-L. Foucault, dapprima, poi il solo Foucault, riuscirono, nel 1850, servendosi di specchi rotanti, a ottenere risultati che accertavano che la velocità della l. nell'acqua era pari ai tre quarti della stessa in aria. Altre misure, con metodo analogo, furono effettuate da S. Newcomb nel 1881-82, da A. Michelson in una serie di esperimenti condotti in due successivi periodi (1878-82 e 1924-26) e da W. C. Anderson nel 1937. Dall'esame critico dei risultati ottenuti con i vari metodi è scaturita la media, accolta nel 1962, che dà per la velocità della l. nel vuoto il valore di 299.792,5±0,3 km/s; valore che si pone normalmente uguale a 3×105 km/s.







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