Ondulatoria o corpuscolare: qual è la natura della luce? E quali le sue caratteristiche principali?

Prendendo spunto dal famoso experimentum crucis di Isaac Newton (1642-1727), cercheremo di capire le differenza tra natura ondulatoria e natura corpuscolare della luce. E daremo risalto allo scetticismo sotteso a questi due approcci, che, due secoli più tardi, troverà giustificazione nel dualismo onda-particella, alla base della meccanica quantistica. 

– “La luce è bianca.”
– “Ebbecerto, ci vuole un genio per dirlo?”
– “Eh sì e quel genio si chiamava Isaac Newton… E invece no, la luce non è bianca. Lo sapeva Cartesio. Lo mostrò Newton.”
– “Mi prendi in giro?”
– “La luce è bianca. Lo ri-mostrò Newton.”
– “+_+ ehi, non scherzare dai…”
– “Ed è fatta di corpuscoli. Lo diceva Newton.”
– “O_o”
– “Ed è fatta di onde. Lo diceva Huygens, non lo negava Newton.”
– “:-O :-(”

La luce è bianca…

Tutti sappiamo che la luce è bianca.
Lo sperimentiamo di giorno, tutti i giorni, soprattutto nelle belle giornate di sole in cui la luce è così bianca da abbagliarci.
E di notte, quando accendiamo la luce (!) di una lampadina.

Ma la luce è davvero bianca?

Sì e no. I nostri sensi ci dicono di sì. La scienza, invece, dice che le cose sono un po’ più complesse.

Newton fu fisico, matematico, filosofo, inventore… fu, insomma, un famoso scienziato inglese che visse a cavallo tra il 1600 e il 1700.
Con un esperimento, nel 1665 provò che la luce è, in realtà, costituita di tanti colori. Come mai?

Già Cartesio aveva sapeva che la riflessione della luce sulla superficie delle gocce d’acqua genera un arcobaleno.

“[Nelle Meteore] mi soffermo specialmente sulla natura del sale, le cause dei venti e del tuono, le forme della neve, i colori dell’arcobaleno – a questo proposito cerco pure di mostrare in generale quale sia la natura di ogni colore … “

Cartesio, Le Meteore, in “Discorso sul Metodo“, 1637

Due piramidi, un raggio di sole e… l’experimentum crucis di Newton

Fu Newton ad osservare che un raggio di sole, attraversando un prisma e cioè una piramide di cristallo, veniva scomposto in tante particelle colorate e che quindi erano i colori ad esser “dentro il bianco” della luce.

Newton ripetè l’esperimento congetturando, a conferma della sua ipotesi, di riuscire a ricomporre la luce in luce bianca.

experimentum crucis: esperimento il cui risultato permette di decidere tra due ipotesi o teorie opposte. Tradotto con ‘esperimento cruciale’, l’espressione è nata tra le altre, proprio in seguito all’esperimento del prisma di Newton, decisivo per provare un’ipotesi tra diverse possibilità, come ad un crocevia.

Tra il raggio di luce scomposta in tanti colori dalla prima piramide, pose un’altra piramide, questa volta rovesciata, davanti alla prima e vide che i colori, passando attraverso quest’ultima, si ricomponevano in un raggio di luce bianca.

L’experimentum crucis di Newton – Gif animata di ©SilviaPittarello-copycolpallino

Natura corpuscolare della luce

Cosa poteva giustificare questo comportamento?
L’ipotesi che la luce avesse una natura corpuscolare.

Una teoria corpuscolare della luce, secondo Newtonriusciva a spiegare bene questo comportamento, dovuto all’azione di due caratteristiche tipiche della materia costituita da corpuscoli e cioè da piccolissime parti: riflessionerifrazione.

La riflessione, già indicata da Cartesio come causa della formazione degli arcobaleni da parte della luce che attraversa gocce d’acqua, è quel fenomeno che avviene quando un raggio rimbalza su una superficie come fosse uno specchio.

La rifrazione è, invece, la deviazione che subisce un raggio di luce quando passa da un mezzo ad un altro, come accade ad esempio ad un remo immerso nell’acqua, che sembra esser stato piegato o spezzato.

Natura ondulatoria della luce

Christiaan Huygens, a cui si deve la teoria della natura ondulatoria della luce, 1678

La teoria corpuscolare non riusciva, tuttavia, a spiegare il fenomeno della diffrazione della luce (e non avrebbe saputo giustificare quello dell’interferenza, mostrata da Thomas Young in un famoso esperimento del 1801).

La diffrazione è un comportamento tipico di entità che hanno proprietà ondulatorie e cioè che sono in grado di muoversi in modo continuo nello spazio, come il suono, ad esempio.
La diffrazione, definita via negationis, e cioè per esclusione, come qualsiasi deviazione non imputabile a riflessione o rifrazione, si manifesta come deviazione della traiettoria di propagazione dell’onda quando questa incontra ostacoli.

Anche Newton conosceva questo fenomeno ma ne aveva indicato la causa in un’incurvatura dei raggi luminosi.

La vera natura della luce sembrava un vero e proprio enigma.
Né i sostenitori della teoria ondulatoria della luce (fu Christiaan Huygens, – che si pronuncia “höyhens” – a formularne la teoria nel 1678), né quelli della teoria corpuscolare (che si deve proprio a Newton) riuscirono a spiegarne la natura.

Doppia natura della luce?

Fu Newton stesso, da genio qual era, a suggerire che la luce avesse una “doppia” naturasia ondulatoria sia corpuscolare.
Il tempo gli diede ragione.

Grazie a esperimenti compiuti all’inizio del ‘900, la doppia natura della luce ipotizzata da Newton venne chiamata dualismo onda-particellauno degli aspetti fondamentali della meccanica quantistica.

Ma com’è possibile una tale stramberia? E come si manifesta?

Lo vedremo in uno dei prossimi post, con un esperimento.