La Teoria Della Luce Di Newton

Schizzo di Newton del suo esperimento cruciale (experimentum crucis), in cui la luce del sole è rifratta attraverso un prisma. Un colore viene rifratto attraverso un secondo prisma per dimostrare che non viene ulteriormente modificato. Viene poi  mostrato che la luce è composta dai colori rifratti attraverso i secondi prismi.
Fonte dell'immagine: Warden and Fellows, New College, Oxford

Circa due anni fa, pubblicavo l’articolo “La Luce E I Colori| Prima Parte” cui doveva seguire, evidentemente, la seconda parte. Ma, a distanza di tanto tempo, devo essere sincera, la motivazione per il secondo articolo a completamento è venuta meno.
Mi intriga, invece, operare un approfondimento sulla Teoria della luce di Newton anche per quanto concerne l’avvicendamento storico degli eventi scientifici ad essa connessi. Ed è proprio quello che mi prefiggo di fare nel presente articolo.

Per tale motivo, sono andata a consultare, insieme ad altre fonti che citerò più avanti, “A Letter of Mr. Isaac Newton … containing his New Theory about Light and Colors”, 1671/2 Philosophical Transactions of the Royal Society, No.80  (19 Feb. 1671/2), pp. 3075-3087. (The Newton Project)

Proiettiamoci nel lontano 1666, anno in cui Isaac Newton comprò  il suo primo prisma, con l’intento  di confutare la teoria cartesiana della luce. 

Esempio del cieco
Dalla Rete

Cartesio nell’opera scientifica La dioptrique (1637), per spiegare la natura della luce, ricorre all'esempio del cieco, o di una persona completamente al buio, che tenta di immaginare l’ambiente in cui si trova, andando a tentoni con un bastone:   

"...Quindi la luce non è altro, nei corpi che si chiamano luminosi, che un certo movimento o un'azione molto pronta e viva, che passa verso i nostri occhi per il tramite dell'aria e degli altri corpi trasparenti, allo stesso modo che il movimento o la resistenza dei corpi che incontra il cieco, passa verso la sua mano, per il tramite del suo bastone..." 

Il secondo  esempio, utilizzato da Cartesio a supporto della sua teoria, è quello del vino che tende a fuoriuscire in linea retta dai due piccoli fori praticati sul fondo di un tino, ricolmo di uva semipigiata: 

"...Ainsi toutes les parties de la matière subtile, que touche le côté du Soleil qui nous regarde, tendent en ligne droite vers nos yeux au même instant qu'il sont ouverts, sans s'empê¬cher les unes les autres, et même sans être empê-chées par les parties grossières des corps transparents, qui sont entre deux..."* 

"...Così tutte le parti della materia che tocca il lato del Sole volto verso di noi, tendono in linea retta verso i nostri occhi nel medesimo istante che sono aperti, senza impedirsi le une con le  altre e anche senza essere impedite dalle parti grossolane dei corpi trasparenti, che  sono tra i due ..."

Esempio del vino. Immagine tratta da La Dioptrique, versione digitale, pag. 11.
Vedere fonti, alla fine del post.

Gli acini dell'uva, nel suo modello, rappresentano le parti più grossolane dell'aria. 
La  riflessione e la rifrazione sono spiegate mediante il modello di una palla che, scagliata da una racchetta, colpisce un ostacolo e rimbalza; i colori vengono associati alle diverse velocità di rotazione e di traslazione delle particelle di etere. Secondo la sua teoria,  ci sono corpi 

"...che riflettono i raggi senza portare alcun mutamento alla loro azione, i bianchi, mentre altri vi apportano un mutamento simile a quello che subisce una palla quando viene frisata, quelli cioé che sono rossi o gialli o azzurri o di simili colori..."

I colori, pertanto, sono generati  dalla differente modalità con cui i corpi ricevono la luce e la riflettono agli occhi dell’osservatore. Le percezioni sono dovute a "corpuscoli" che colpiscono i sensi, i quali a loro volta inviano informazioni alla zona preposta del cervello. Tale teoria però non incontrò il favore della maggior parte dei suoi contemporanei (tra cui Newton), che la criticarono.

AB è il foro dal quale penetra la luce; EF è l'ostacolo opaco immesso nel cono di luce; MN è l'ombra proiettata, considerevolmente maggiore di quella prevista dalla legge della propagazione rettilinea; IG e HL sono le zone di penombra, GH la zona di piena ombra. (Con questa immagine, Grimaldi spiega la diffrazione nel suo De Lumine)
Fonte dell'immagine.

Tornando a Newton, egli  sosteneva che la diffrazione di Grimaldi era semplicemente un nuovo tipo di rifrazione, e che la natura geometrica delle leggi della riflessione e della rifrazione potevano essere spiegate soltanto se la luce è costituita da particelle, che descrisse come corpuscoli, poiché le onde non tendono a viaggiare in linea retta. Dopo l'adesione alla Royal Society di Londra, nel 1672, Newton dichiarò che, con gli  esperimenti da lui condotti precedentemente in quello stesso anno, aveva dimostrato che la luce è composta da particelle e non da onde. 

I sostenitori della teoria ondulatoria avevano  dichiarato in precedenza che le onde luminose sono composte da luce bianca. Lo spettro, che può essere osservato attraverso un prisma, si forma a causa del danneggiamento subito all'interno del vetro. Ciò significa che quanto più la luce viaggia attraverso il vetro tanto più essa si corromperà. Al fine di dimostrare che ciò era falso, Newton fece passare un fascio di luce bianca attraverso due prismi situati ad un angolo tale che essa rimaneva suddivisa  nel suo spettro passando attraverso il prisma, mentre si ricomponeva di  nuovo come luce bianca, passando attraverso il secondo.

Questo esperimento  dimostrava  che lo spettro non è causato dalla corruzione della luce quando attraversa un vetro. 
Newton sosteneva trattarsi di “un esperimento cruciale”. Un esperimento cruciale è qualsiasi esperimento ideato per decidere tra due teorie contraddittorie, per cui il fallimento della prima determina il successo della seconda. Siccome quasi tutti concordavano sul fatto che la luce dovesse essere composta o da particelle o da onde, Newton utilizzò il fallimento della teoria delle onde per dimostrare che la luce è costituita da particelle. 

Fonte  dell'immagine: qui

Su Molecular Expression potete guardare un interessante che simula l'esperimento di Newton con il prisma. (Cliccare e trascinare i due prismi)

Egli concluse che la luce è composta da particelle colorate, che si combinano apparendo bianche. Introdusse il termine spettro dei colori e, sebbene lo spettro appaia continuo, senza confini distinti tra i colori, decise di suddividerlo in sette colori: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. Newton scelse  il numero sette perché tale numero riflette  la convinzione greco antica che si tratti di un numero mistico, correlato con sette “stelle erranti”,  sette giorni della settimana, e un quarto del tempo che intercorre tra due lune piene.

Da Opticks di Newton.
Fonte immagine: qui

Newton dimostrò che ogni colore ha un unico angolo di rifrazione, che può essere calcolato utilizzando un prisma adatto. Osservò che tutti gli oggetti sembravano essere dello stesso colore del fascio di luce colorata che li illuminava, e che un raggio di luce colorata rimarrà dello stesso colore, indipendentemente da  quante volte è stato riflesso o rifratto. Ciò lo  indusse a concludere che il colore è una proprietà della luce, riflessa dagli oggetti, e non una proprietà degli oggetti stessi.
Nonostante Newton  fosse convinto della validità della sua teoria, questa non fu subito accettata e parecchi furono i problemi che dovette affrontare e risolvere. 

A distanza di un anno dal suo annuncio, Robert Hooke, anch’egli  membro della Royal Society, pubblicò risultati simili a quelli di Grimaldi. Egli sosteneva  che la diffrazione non era un nuovo tipo di rifrazione, come affermato da Newton, e che il fenomeno  poteva essere spiegato  soltanto assumendo come vera la natura ondulatoria della luce. Molti altri membri si unirono ad Hooke nel criticare la teoria corpuscolare di Newton. Alcuni negarono l’esistenza dello  spettro dei colori ed  altri negarono che i suoi esperimenti  avessero confutato la natura ondulatoria della luce. 

Segue l'incipit del documento* in cui Hooke critica la teoria della luce e dei colori di Newton:

"I have perused the discourse of Mr. NEWTON about colours and refractions, and I was not a little pleased with the niceness and curiosity of his observations. But, tho' I wholly agree with him as to the truth of those he hath alledged, <11> as having, by many hundreds of trials, found them so; yet as to his hypothesis of solving the phenomæna of colours thereby, I confess, I cannot see yet any undeniable argument to convince me of the certainty threof. For all the experiments and observations I have hitherto made, nay, and even those very experiments, which he alledgeth, do seem to me to prove, that white is nothing but a pulse or motion, propagated through an homogeneous, uniform and transparent medium: and that colour is nothing but the disturbance of that light, by the communication of that pulse to other transparent mediums, that is, by the refraction thereof: that whiteness and blackness are nothing but the plenty or scarcity of the undisturbed rays of light: and that the two colours (than the which there are not more uncompounded in nature) are nothing but the effects of a compounded pulse, or disturbed propagation of motion caused by refraction.
But, how certain soever I think myself of my hypothesis (which I did not take up without first trying some hundreds of experiments) yet I should be very glad to meet with one experimentum crucis from Mr. NEWTON, that should divorce me from it. But it is not that, which he so calls, will do the turn; for the same phænomenom will be solved by my hypothesis, as well as by his, without any manner of difficulty or straining: nay, I will undertake to shew another hypothesis, differing from both his and mine, that shall do the same thing."

Coloro che avevano tentato  di replicare l’esperimento di Newton, spesso fallirono. I prismi, all’epoca, non erano  stati ancora comunemente accettati come strumenti scientifici, essendo venduti come semplici  oggetti  di intrattenimento,  e c'era scarso lavoro tecnico sulla loro progettazione o il loro miglioramento. Il vetro veneziano era  considerato come lo standard rispetto al quale venivano  confrontati  altri vetri, ma anche esso era pieno di bolle d'aria e difetti. Newton non facilitava di certo le cose, tenendo celati i dettagli delle sue prove, non spiegando come produrre uno spettro dal primo prisma, e non  specificando il formato e  la  geometria del secondo.

Soltanto nel 1676, quattro anni dopo la sua prima pubblicazione, Newton  svolse numerose  prove e fornì informazioni sufficienti per consentire agli interessati di replicare i suoi esperimenti. Egli, inoltre, affermava  che i migliori prismi da utilizzare erano quelli londinesi, e non quelli italiani, perché più trasparenti. Sosteneva anche che l’insuccesso da parte di altri nel replicare i suoi esperimenti era dovuto alla scarsa qualità dei prismi utilizzati. Ma ciò fu considerato spesso come una scusa, e Newton alla fine si ritirò dal dibattito sul tema, offeso dalle critiche dei suoi denigratori.

Nel 1678, il matematico olandese Christiaan Huygens affermò  di aver confutato la teoria di Newton, dimostrando che le leggi della riflessione e della rifrazione potevano  essere derivate dalla sua teoria ondulatoria della luce. Huygens  sosteneva che la diffrazione si verifica a causa delle interferenze dei fronti d'onda. Quando la luce passa attraverso una piccola fessura, le onde sono tenute insieme da diverse angolazioni e ciò genera frange di luce ed ombre scure. E’ lo stesso modo  in cui si comportano le onde dell’acqua  quando passano attraverso una piccola apertura.

Huygens pensava che le onde luminose differissero dalle onde dell’acqua per un aspetto: le onde d'acqua sono trasversali, esse si muovono su e giù come una sinusoide, mentre l'acqua si muove in avanti. Le onde luminose, invece, erano considerate  longitudinali, e viaggiavano in avanti nella direzione del fascio. Il suono è un esempio di onda longitudinale perché le onde sonore avanzano periodicamente, spostando le molecole presenti nell’aria, ma le molecole stesse non si muovono in avanti, semplicemente vibrano. Affinché la luce si muova nello spazio in modo ondulatorio, deve avere un mezzo attraverso cui propagarsi.
Ciò significa che la teoria di Huygens, al pari di  tutte le teorie della luce precedenti, era legata all’idea che l'universo è pieno del quinto elemento di Aristotele, l'etere.

Fonte: Science Prep

(Qui è disponibile una interessante animazione sulle onde)

Rimaneva un problema che  la teoria della luce di Huygens non poteva risolvere.
Nel 1669, tre anni prima che Newton  rendesse pubblica la sua teoria corpuscolare della luce, il fisico danese Rasmus (o Erasmus) Bartholin aveva iniziato a sperimentare con i cristalli limpidi di calcite (spato di Islanda), che erano stati scoperti in Islanda.
Nei suoi esperimenti, osservò che, quando un'immagine è posta dietro un cristallo, essa viene duplicata, con una copia leggermente superiore all’altra. Quando Bartholin fece ruotare il cristallo, osservò che una sola immagine era scomparsa mentre l’altra ruotava con esso. Questo fatto lo indusse a concludere che qualcosa nel cristallo aveva diviso il fascio di luce in due raggi differenti.
Bartholin si riferì a tale fenomeno come a "one of the greatest wonders that nature has produced" ovvero "una delle più grandi meraviglie che la natura ha prodotto" e lo considerò  come qualcosa a supporto della teoria ondulatoria di Huygens.

Doppia rifrazione attraverso un cristallo di calcite. Fonte: Wikipedia

Huygens  da parte sua ipotizzò che i risultati di Bartolini  potessero  essere spiegati dalla presenza, nel cristallo, di due materiali diversi, uno dei quali aveva prodotto onde sferiche e il secondo onde ellissoidali. Huygens continuò gli esperimenti di Bartholin e trovò che, se i due cristalli erano posti l’uno accanto all’altro, allora il numero di immagini variava, a seconda che i cristalli fossero paralleli o perpendicolari tra loro. Questa evidenza era qualcosa che la sua teoria ondulatoria della luce non riusciva a spiegare.

Newton non contribuì al dibattito pubblico se non dopo la morte di Hooke (di cui era nemico a causa delle critiche avanzate da questi alla sua teoria della luce e di colori), 32 anni dopo la sua pubblicazione originale.
Nel 1704, fu eletto presidente della Royal Society e pubblicò Opticks (qui la versione free dal Progetto Gutemberg), la sua più completa teoria della luce. Nelle sezioni iniziali del libro, egli indicò nei dettagli come ricostruire i suoi esperimenti  con il prisma. Ciò consenti  di mettere a punto numerose ricostruzioni di maggior successo.

Schiera di prismi multipli descritta da Newton nel suo Opticks.
Fonte dell'immagine.

Newton interpretò i risultati di Huygens in termini della sua teoria corpuscolare della luce, e  sostenne che gli esperimenti con i cristalli di calcite avevano dimostrato che la luce ha “parti”, qualcosa che potrebbe  essere facilmente interpretato  in termini di particelle.

Newton utilizzò  anche la pubblicazione di Opticks per difendere la sua posizione circa la diffrazione. Per farlo, dovette appellarsi  a proprietà ondulatorie, sostenendo che le particelle di luce creano onde nell'etere.
Dopo la pubblicazione di Opticks, la teoria di Newton guadagnò una notevole popolarità, ma alcuni dei suoi critici rimasero scettici.

C'era un modo per determinare sperimentalmente quale era la teoria corretta: se la luce fosse composta da particelle allora dovrebbe viaggiare più velocemente in un mezzo più denso come l'acqua, ma se fosse composta diaonde, allora in un mezzo più denso dovrebbe rallentare.

Questo esperimento non sarebbe stato condotto per altri 150 anni, ma, entro la fine del 1800, entrambe le teorie sarebbero state smentite.

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Altre fonti:

* La Dioptrique, pag. 12: versione digitalizzata da Jean-Marie Tremblay, professeur de sociologie au Cégep de Chicoutimi

*Hooke, R., 1757, "Robert Hooke's Critique of Newton's Theory of Light and Colors", The History of the Royal Society, Vol.3