Una scoperta epocale in un libro di testo

Questo articolo accompagna il video “Colori e Spettri”, dedicato in particolare agli esperimenti con cui Thomas Young, all'inizio del 1800, riuscì a “misurare” il colore.

Un tentativo di “misurare” il colore fu compiuto da Isaac Newton. Newton infatti eseguì un esperimento davvero carino, che alcuni secoli dopo finì sulla copertina di un famoso disco dei Pink Floyd. Attraverso un buco nelle persiane, fece entrare un raggio di sole dentro una stanza buia. Inserendo un prisma di vetro nel fascio di luce, essa venne deviata e scomposta in un arcobaleno di colori, disegnando una macchia colorata sul muro.
La luce di colori diversi “devia” attraverso il prisma di angoli diversi, proprio a seconda del suo colore. Questo fu uno dei primi tentativi di “quantificare” il colore, in base all'angolo di rifrazione.

Un secolo dopo Newton, Thomas Young fece esperimenti simili, con un raggio di sole in una stanza buia, e diversi oggetti e piccoli schermi. Egli raccontò degli esperimenti in una sua Lezione Bakeriana, riportata in antologia (link).

Gli esperimenti di Young riguardavano il fenomeno della “diffrazione” della luce. Quando incontra i bordi degli oggetti o strutture piccole come capelli o tessuti con trame di fili, la luce si “sfrangia” in tante strisce alternate.
Il fenomeno della diffrazione è schematizzato in figura, a fianco della nota “rifrazione” dal prisma (detta anche “dispersione”). Si noti l'inversione dei colori rosso e blu.



 

Studiando il fenomeno della diffrazione Young era guidato, oltre che dai suoi esperimenti accurati e teorie generali, anche dalla storia della scienza. Il termine stesso “diffrazione” veniva dal latino di Grimaldi, uno studioso gesuita del 600, che ci si era dedicato. I suoi studi, come quelli dell'olandese Huygens, un altro antico paladino dell'ottica ondulatoria, non avevano però trovato grande seguito.

E così, Thomas Young cominciò a ispezionare le “frange di diffrazione” in molti esperimenti, e ne parlò alla Royal Society. Poi, mentre lavorava al suo monumentale libro di testo, il “Lezioni per un Corso di Filosofia Naturale e Arti Meccaniche”, escogitò un esperimento semplice e geniale, studiando la figura di diffrazione della luce attraverso una doppia fenditura. Conosceva molto bene il fenomeno, l'aveva già spiegato per le onde sulla superficie dei liquidi e per le onde acustiche.

Nel caso di due sassi che cadono nell'acqua contemporaneamente, o di due sorgenti sonore, le onde che si propagano interferiscono come indicato nella figura, che dovrebbe essere riprodotta su tutti i libri di testo per la sua geometrica bellezza.



Young escogitò dunque un esperimento di questo tipo con la luce. Il fascio di luce incontrava uno schermo con due forellini. Grimaldi aveva fatto un esperimento del genere, dove le due sorgenti di luce erano ottenute dividendo il fascio con un capello. Young reinventò l'esperimento di Grimaldi, e noi possiamo reinventare l'esperimento di Young due secoli dopo, usando i led come sorgenti di luce colorata.
 

Due secoli fa, Young affidò il resoconto delle sue scoperte al libro di testo che andava scrivendo, di cui riportiamo un brano in antologia (link).

Le scoperte importanti nel libro di testo (un'altra è il “modulo di Young” nella teoria dell'elasticità) sono una testimonianza toccante della cura che mise dentro il suo lavoro. Certo fu ripagato dalla stima dei suoi lettori. Il suo biografo annotava con un tocco di mistero che “Uno degli scienziati più importanti d'Europa diceva spesso che, se la sua libreria avesse preso fuoco, ed egli avesse potuto salvare un solo libro dall'incendio, sarebbero state le Lezioni del Dr. Young”. È questo un destino opposto a quello che a parole molti studenti minacciano ai propri libri...

Oggi possiamo integrare il suo libro di testo anche con applet e simulazioni. La bella illustrazione dell'interferenza da due sorgenti diventa animata, interattiva, si può cambiare la lunghezza d'onda e vedere come cambiano le frange. Esempi sono “Onde Sonore” (link) e “Interferenza di Onde” (link) su PhET dell'Università del Colorado a Boulder, e “Ripple Tank” (link) su Falstad.com.

È con questo tipo di pensiero che Young, una volta riconosciuta la natura ondulatoria della luce, riuscì a preparare un esperimento per misurare una sua caratteristica, la lunghezza d'onda, cominciando così anche a “misurare” il colore.

Oggi possiamo integrare il suo libro di testo anche con esperimenti poveri come con esperimenti che al suo tempo non erano ancora immaginati (indicati nella scheda allegata). È il caso della costruzione di uno spettroscopio a reticolo di diffrazione, inventato da Joseph Fraunhofer, e che si può costruire con un CD in riflessione o in trasmissione, o con un reticolo di diffrazione. L'esperimento è raccontato in un articolo di Spazzascienza (link) e in un video per la brochure del Laboratorio Semplice Bovolenta Reinventore, disponibile su YouTube (link).