Alchimisti, spettri e colori: la fisica dell’arcobaleno

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Alchimisti, spettri e colori: la fisica dell’arcobaleno

Il tipico scienziato del XVII secolo era molto diverso dall’idea che noi moderni abbiamo su come sia fatto il perfetto uomo di scienza. Complice il cinema di fantascienza, ormai ci siamo abituati ad immaginare gli scienziati come eccentriche figure in camice bianco che corrono qua e là premendo pulsanti su qualche strano dispositivo. In realtà, lo scienziato moderno medio indossa abiti comuni per la maggior parte del tempo: solo talvolta, per motivi di lavoro, può avere la necessità di indossare abiti o dispositivi di protezione particolari.

Ma torniamo agli scienziati del XVII secolo. Tanto per cominciare non si facevano chiamare scienziati, ma filosofi naturali. Si occupavano un po’ di tutto, meccanica, reazioni chimiche, minerali, piante e animali. Anche il confine di ciò che oggi consideriamo “scienza ufficiale” era piuttosto sfumato: tipica dell’epoca era la figura dell’alchimista.
Gli alchimisti erano studiosi che si dedicavano a materie come la chimica, la metallurgia e l’astrologia; tuttavia, il loro operato ruotava attorno ad un sistema filosofico dai connotati piuttosto esoterici. Infatti, coloro che praticavano la dottrina alchemica erano contraddistinti per l’uso di simbologie occulte e il costante riferimento al misticismo. Il fine ultimo dell’alchimia? Ottenere l’onniscienza, curare tutte le malattie del mondo, e creare la pietra filosofale per tramutare i metalli poveri in oro massiccio. Mica bruscolini.

In questo articolo parliamo proprio di uno di questi scienziati-alchimisti, un personaggio famoso tanto per la sua genialità quanto per il suo caratteraccio. Costui rivoluzionò diversi ambiti della conoscenza umana, fece fare brutte figure ad alcuni dei più importanti matematici dell’epoca e per dimostrare che l’occhio umano si comportava come una lente si infilò un grosso ago da cucito tra il bulbo oculare e la palpebra. Un pessimo elemento di quelli tosti insomma: stiamo parlando nientemeno che di sir Isaac Newton.

Lo conosciamo tutti per la mela caduta dall’albero, la Teoria della Gravitazione Universale e l’invenzione del calcolo differenziale, per gli addetti ai lavori. Newton dovette condividere la paternità di quest’ultima scoperta con il tedesco Leibniz: il matematico inglese aveva sviluppato l’analisi infinitesimale almeno 10 anni prima del collega tedesco, ma pubblicò solo più tardi i suoi risultati, forse per il suo maniacale timore di essere deriso dagli altri.
Per farvi intendere la portata della scoperta, il calcolo differenziale (anche detto infinitesimale) comprende lo studio di derivate e integrali, operatori matematici sui quali si reggono intere discipline come la fisica, l’ingegneria e… qualsiasi cosa possiate immaginare. Sul serio.

La contesa con Leibniz fu piuttosto aspra, e perdurò fino alla morte del tedesco. Fonti vicine al buon Isaac narrano come egli fosse piuttosto compiaciuto dal sapere che Leibniz visse amareggiato fino all’ultimo giorno a causa della disputa. Dobbiamo tuttavia riconoscere che la notazione sviluppata dal matematico tedesco per trattare derivate e integrali fosse ben più elegante e precisa rispetto a quella ideata da Newton.

La vicenda della mela dietro alla scoperta della legge di gravitazione poi, è coperta da un alone di leggenda alimentato quasi sicuramente dallo stesso Newton in un tentativo di fare sfoggio del suo intuito prodigioso. Ma a questo punto vi domanderete: perché accidenti nel mese dedicato al Pride stiamo parlando di un simile personaggio? Tra l’altro, forse per il suo carattere estremamente timido e schivo, i suoi conoscenti ritenevano – e probabilmente a ragione – che egli fosse asessuale. La scienza era la sua unica ragione di esistere, alla quale dedicò tutto sé stesso nel corso della sua vita – tranne quella volta in cui gli prese un terribile esaurimento nervoso e, rasentando la follia, mandò tutti quanti al diavolo arrivando a scrivere lettere minatorie ad amici e persone fidate.

Non temete, ormai saprete benissimo che qui a Pessimi Elementi nulla è lasciato al caso. Non stiamo divagando, convergiamo invece verso il tema scientifico di questa puntata, uno degli argomenti di studio affrontati da Newton meno noti al pubblico: l’ottica!

Lo studio del comportamento e delle caratteristiche della luce erano temi troppo scottanti e intriganti per non essere affrontati dal genio inglese. Come accennavamo prima, fece un rischioso esperimento utilizzando i suoi stessi bulbi oculari: con un grosso ago smussato faceva pressione su una certa zona dell’occhio dall’interno della palpebra. La cosa curiosa è che osservava la formazione nel suo campo visivo di una strana macchia colorata… dalla parte opposta al pungolamento. Esattamente come una lente convergente capovolge le immagini proiettate, egli concluse che l’occhio umano si dovesse comportare come una lente convessa, a forma di lenticchia insomma. Mi raccomando, non provate a rifarlo a casa. Effettivamente, gli studi medici hanno rivelato che è esattamente così: le immagini che noi vediamo vengono convogliate capovolte sulla retina passando attraverso la lente del cristallino, e solo in seguito ad una correzione operata dal cervello noi vediamo tutto dritto.

Ma i suoi esperimenti con le lenti si spinsero oltre. Facendo passare un fascio di luce attraverso una lente, e poi attraverso un prisma, egli osservò che il raggio incidente di luce bianca veniva scomposto in 7 diversi raggi di altrettanti colori.
Rosso. Arancione. Giallo. Verde. Blu. Indaco. Violetto.

Aveva scoperto il fenomeno della scomposizione dello spettro luminoso a seguito della dispersione ottica: la luce bianca che vediamo giungere dal sole è in realtà un miscuglio di raggi luminosi di diverso colore. Questo accade perché ad ogni colore corrisponde una frequenza leggermente diversa nell’oscillazione del campo elettrico dei fotoni, i quanti di luce (ma ricordate, la loro velocità nel vuoto è sempre la stessa).

Cos’è lo spettro luminoso? Tranquilli, non c’è bisogno di scomodare gli Acchiappafantasmi: non è altro che l’insieme dei “colori” esibiti dai fotoni che viaggiano in un raggio di luce. E ad ogni colore corrisponde un diverso angolo di rifrazione quando la luce attraversa il prisma: la luce tendente al rosso viene deviata poco, al contrario della luce tendente al violetto che viene maggiormente rifratta.

Avete capito dove stiamo andando a parare? Ebbene sì, Newton aveva gettato le basi per la comprensione di un fenomeno al quale possiamo assistere dopo i temporali, o vicino ad una cascata opportunamente illuminata dal sole: l’arcobaleno.

Alla fine di un nubifragio, l’aria è satura di minuscole goccioline d’acqua in sospensione: quando i raggi solari le colpiscono dalla giusta direzione, ognuna di esse si comporta come una sorta di prisma sferico. La luce rimbalza all’interno di ogni goccia e viene rifratta, con il risultato che le diverse lunghezze d’onda vengono scomposte e riemesse.

La cosa curiosa è che ognuna delle persone che osserva questo meraviglioso fenomeno ottico sta in realtà osservando un arcobaleno diverso. La posizione nel cielo dell’arco multicolore dipende dalla posizione relativa tra il sole e l’osservatore stesso: ogni gocciolina sospesa origina la stessa rifrazione, ma l’osservatore viene raggiunto dai fotoni riemessi solo da alcune di esse. Quindi egli vede soltanto quei fotoni che sono stati rifratti a circa 42 gradi rispetto all’asse passante tra la sua testa ed il centro virtuale dell’arcobaleno.

Niente pentole d’oro e folletti purtroppo, ma il meccanismo fisico che si cela dietro all’origine del Bifrost ci ricorda una cosa importantissima: ciascuno di noi vede il mondo da un diverso punto di vista e con i propri personalissimi colori, ma la scienza ci accomuna sempre nel momento in cui andiamo ad esplorare i segreti della natura. Newton sarà anche stato un tipaccio, ma è solo grazie a lui se nell’arco di un secolo la fisica e la matematica hanno fatto progressi enormi, dallo studio del moto dei pianeti al modo di calcolare entità matematiche un tempo impensabili.

E voi, di che colore vedete l’arcobaleno?

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