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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Interferenza. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti Anticamente, osservando il comportamento della luce, pensavano che due fasci di luce, intersecandosi, continuassero ad andare per la loro strada come se nulla fosse. Tali osservazioni hanno rafforzato la credenza nell'incorporeità, l'immaterialità della luce. Ma è davvero questo che succede? Newton fu il primo a mettere a punto un esperimento sull'osservazione dell'interazione, o, come dicono gli ottici, dell'interferenza dei raggi luminosi tra loro. Ha creato un'intercapedine d'aria a forma di cuneo posizionando una lente sottile (superficie convessa rivolta verso il basso) su una lastra di vetro piatta. Quindi lo scienziato ha illuminato il vuoto, prima con la luce bianca e poi, a sua volta, con altri raggi colorati principali. Newton ha notato che i raggi, riflessi dai bordi di vetro del cuneo d'aria, ovviamente interagiscono tra loro. Quando è illuminato con luce bianca, nello spazio sono apparsi colori alternati e anelli iridescenti. Quando i raggi colorati sono stati fatti passare attraverso lo spazio, precedentemente ottenuto con l'aiuto di un prisma, sono apparsi anelli chiari e scuri. Newton lasciò questi esperimenti senza le sue consuete conclusioni dettagliate. Apparentemente, lo scienziato ha deciso che ci sono fenomeni nascosti che richiedono ulteriori ricerche che non poteva svolgere. Solo nel XNUMX° secolo due eminenti ricercatori, Jung e Fresnel, si avvicinarono alla scienza e "completarono" la costruzione dell'ottica classica prevista da Newton. Thomas Young (1773–1829), uno scienziato versatile, medico di professione, un uomo dagli interessi molto diversi: ginnasta e musicista, noto anche come egittologo. Raccontano una storia interessante legata a lui. All'età di quattordici anni, a Thomas fu chiesto di riprodurre diverse frasi in inglese per verificare se sapeva scrivere bene. Il giovane ha trascorso più tempo del solito nella sala prove. Il nuovo insegnante di Thomas Jung era pronto a ridere dell'incompetenza. Tuttavia, quando lo studente gli ha consegnato un pezzo di carta, le frasi indicate non solo sono state riscritte, ma anche tradotte in nove (!) lingue diverse. Nel suo primo lavoro sull'ottica, Jung ha mostrato che la lente dell'occhio umano è una lente con curvatura variabile. Muscoli speciali allungano e comprimono la lente, permettendoti di ottenere un'immagine nitida di oggetti sia distanti che vicini sulla retina. Jung aveva solo vent'anni quando eseguì questa visita opto-medica. La Royal Society lo elesse immediatamente membro. Alla mente critica di Jung, la teoria di Newton sembrava del tutto insoddisfacente. Particolarmente inaccettabile, considerava la costanza della velocità delle particelle di luce, indipendentemente dal fatto che fossero emesse da una sorgente così minuscola come una brace ardente o da una sorgente così grande come il Sole. E soprattutto, la teoria newtoniana degli "attacchi" gli sembrava poco chiara e insufficiente, con l'aiuto della quale Newton cercò di spiegare la colorazione delle lastre sottili. Dopo aver riprodotto questo fenomeno e aver riflettuto su di esso, Jung ha avuto una brillante idea sulla possibilità di interpretare questo fenomeno come una sovrapposizione di luce riflessa dalla prima superficie di una lastra sottile e luce trasmessa nella lastra, riflessa dalla sua seconda superficie e poi uscito attraverso il primo. Tale sovrapposizione potrebbe portare ad un indebolimento o rafforzamento della luce monocromatica incidente. Non si sa esattamente come Jung abbia avuto la sua idea di sovrapposizione. È probabile che ciò sia avvenuto a causa dello studio dei battiti sonori, in cui si verifica un aumento e una diminuzione periodici del suono percepito dall'orecchio. Comunque sia, in quattro documenti presentati alla Royal Society dal 1801 al 1803, riuniti pochi anni dopo nell'opera riepilogativa "Course of lectures on natural filosofia and mechanical art", pubblicata a Londra nel 1807, Jung fornisce i risultati dei suoi studi teorici e sperimentali. Cita più volte la frase XXIV del terzo libro dei Principia di Newton, in cui le maree anomale osservate da Halley nell'arcipelago filippino sono spiegate da Newton come risultato della sovrapposizione delle onde. Da questo particolare esempio, Jung introduce il principio generale dell'interferenza. "Immaginate una serie di onde identiche che corrono sulla superficie di un lago a una certa velocità costante ed entrano in uno stretto canale che porta allo sbocco del lago. Immaginate inoltre che, per qualche altra ragione simile, un'altra serie di onde della stessa magnitudine è eccitato, arrivando a quello stesso canale alla stessa velocità contemporaneamente al primo sistema di onde. Nessuno di questi due sistemi disturberà l'altro, ma le loro azioni si sommeranno: se si avvicinano al canale in modo tale che i vertici di un sistema di onde coincide con i vertici dell'altro sistema, quindi insieme formano una raccolta di onde di magnitudine maggiore, ma se le cime di un sistema di onde si trovano nei punti di guasto di un altro sistema, allora riempiranno esattamente questi fallimenti e la superficie dell'acqua nel canale rimarranno luce uniforme, e questa sovrapposizione io chiamo la legge generale dell'interferenza della luce. Per ottenere l'interferenza, entrambi i fasci di luce devono provenire dalla stessa sorgente (in modo che abbiano esattamente lo stesso periodo), dopo aver percorso un percorso diverso, devono cadere nello stesso punto e anche lì andare quasi paralleli. Quindi, prosegue Jung, quando due parti di luce di origine comune entrano nell'occhio lungo percorsi diversi, andando quasi nella stessa direzione, il raggio acquista una intensità massima, purché la differenza nei percorsi dei raggi sia uguale a un multiplo di una certa lunghezza, e ha un'intensità minima nel caso intermedio. Questa lunghezza caratteristica è diversa per la luce di diversi colori. Nel 1802 Jung rafforzò il suo principio di interferenza con il classico esperimento "con due fori", forse influenzato da un simile esperimento di Grimaldi, che però non portò alla scoperta di interferenze dovute alle particolarità dell'impianto utilizzato. L'esperienza di Young è nota: in uno schermo trasparente, due fori ravvicinati vengono praticati con la punta di uno spillo, che vengono illuminati dalla luce solare che passa attraverso un piccolo foro nella finestra. Due coni di luce formati dietro uno schermo opaco, espandendosi per diffrazione, si sovrappongono parzialmente e nella parte sovrapposta, invece di dare un aumento uniforme dell'illuminazione, formano una serie di bande scure e chiare alternate. Se un foro è chiuso, le frange scompaiono e compaiono solo gli anelli di diffrazione dall'altro foro. Queste fasce scompaiono anche quando entrambi i fori vengono illuminati (come nell'esperimento di Grimaldi) direttamente dalla luce solare o da una fonte di luce artificiale. Invocando la teoria delle onde, Jung spiega molto semplicemente questo fenomeno. Lì si ottengono bande scure, dice lo scienziato, dove gli avvallamenti delle onde che sono passate per un foro si sovrappongono alle creste delle onde che sono passate per l'altro foro, in modo che i loro effetti si annullino a vicenda; i bordi leggeri si ottengono dove si sommano due creste o due avvallamenti di onde che sono passate attraverso entrambi i fori. Questa esperienza ha permesso a Jung di misurare la lunghezza d'onda per vari colori: ha ottenuto una lunghezza d'onda di 0,7 micron per la luce rossa e 0,42 micron per il viola estremo. Queste sono le prime misurazioni della lunghezza d'onda della luce nella storia della fisica e va notata la loro incredibile accuratezza. Dal suo principio di interferenza, Jung ha dedotto una serie di conseguenze diverse. Ha considerato i fenomeni di colorazione di strati sottili. Lo scienziato li ha spiegati nei minimi dettagli. Jung derivò le leggi empiriche trovate da Newton e, considerando costante la frequenza della luce di un dato colore, spiegò la compattazione degli anelli nell'esperimento di Newton quando si sostituì il traferro tra le lenti con acqua mediante una diminuzione della velocità di luce in un mezzo più rifrangente. È interessante notare che Jung possiede il termine "ottica fisica", che viene utilizzato per riferirsi a studi di "... sorgenti luminose, la velocità della sua propagazione, la sua interruzione e attenuazione, la sua scissione in diversi colori, l'influenza di diverse densità atmosferiche su di esso, fenomeni meteorologici legati alla luce, proprietà speciali di alcune sostanze in relazione alla luce. Il lavoro di Young, che rappresentò il contributo più significativo alla teoria dei fenomeni ottici dai tempi di Newton, fu accolto con diffidenza dai fisici dell'epoca, e in Inghilterra furono persino oggetto di un rozzo ridicolo. Ciò era dovuto in parte al fatto che Jung ha cercato di applicare il principio di interferenza a fenomeni chiaramente non interferenti, e in parte a qualche ambiguità di presentazione, che si avverte ancora oggi e che doveva essere ancora più sentita a quei tempi, e in parte , come più tardi rimproverò Jung Laplace, il fatto che Jung a volte si accontentasse di esperimenti insufficientemente rigorosi, a volte superficiali. Anche Augustin Fresnel (1788–1827), un ingegnere stradale, che iniziò a interessarsi alla scienza relativamente tardi, partì anche dall'idea della luce come moto ondoso dell'etere. Il "buon genio" di Fresnel, l'accademico Francois Arago, che ha notato nel tempo l'eccezionale talento dello scienziato e lo ha aiutato per tutta la vita, ha comunque scritto nelle sue memorie: "Augustin Fresnel studiò così lentamente che per otto anni a malapena riuscì a leggere ... Non ha mai provato un debole per l'apprendimento delle lingue, non gli è piaciuta la conoscenza basata sulla mera memoria e ha memorizzato ciò che è stato dimostrato in modo chiaro e convincente. All'inizio, Fresnel ha lavorato nelle zone selvagge rurali. Non aveva idea degli esperimenti di Jung, quindi li ripeté. E Fresnel ha dato una spiegazione della luce che si piega attorno agli ostacoli simile a quella di Jung. In seguito, già lavorando a Parigi, Fresnel ricevette equazioni matematiche che descrivono accuratamente i processi ottici che si verificano al confine di due diversi mezzi ottici. Varie formule di Fresnel sono così spesso utilizzate nel lavoro ottico che occupano senza dubbio il primo posto in questo indicatore. Per creare uno schema di interferenza, Fresnel ha proposto di dirigere la luce solare su uno schermo utilizzando due specchi leggermente angolati l'uno rispetto all'altro. Un noto scienziato, autore di molti libri di testo universitari di fisica, Robert Pohl ha proposto a un vasto pubblico di creare interferenze dirigendo la luce su una sottile lastra di mica. La luce riflessa dalla lastra colpisce un grande schermo, sul quale sono ben visibili le frange di interferenza. Il fenomeno dell'interferenza è ampiamente utilizzato nei dispositivi chiamati interferometri. Gli interferometri possono servire a una varietà di scopi, ad esempio per controllare la pulizia delle superfici metalliche. Autore: Samin D.K.
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