La natura della luce è stata oggetto di numerose ipotesi, spesso
contrapposte, fin dall'antichità.
Il grande impulso che la fisica ha avuto nel XVI e XVII secolo, con personaggi
della levatura di Galileo Galilei e Isaac Newton, ha coinciso con la formulazione
di ipotesi basate piuttosto sull'osservazione scientifica dei fenomeni che
non su affermazioni preesistenti e indiscutibili o su dogmi di tipo teologico.
Per tutto il XVIII secolo ha prevalso un descrizione "corpuscolare" della
luce, basata su teorie sviluppate da Newton, il quale trovava nella propagazione
rettilinea il supporto principale alle proprie idee: la luce doveva essere
composta di particelle minute e leggerissime che si spostavano a velocità
elevatissima.
Un altro grande scienziato, Huygens, quasi contemporaneamente a Newton aveva
proposto un modello complementare, nel quale alla luce veniva attribuita
una natura "ondosa", seguendo uno schema che cercava di individuare
affinità fra la propagazione della luce e quella dei suoni o delle
onde sulla superficie di un liquido.
Il grande successo della dinamica Newtoniana fece prevalere per gran parte
del secolo "dei Lumi" il modello corpuscolare. Si tenga conto che l'ambiente
scientifico pur ormai in piena evoluzione, non poteva non risentire in qualche
modo di effetti del "principio d'autorità" cui era rimasto legato
per secoli di sottomissione alla filosofia aristotelica.
Il modello ondulatorio di Huygens trovava forti difficoltà a spiegare
un particolare fenomeno, oggi noto come bi-rifrangenza, che si ha quando
si fa passare la luce attraverso particolari cristalli, come lo spato d'Islanda.
In realtà, sul modello delle onde sonore, Huygens pensava alla luce
come a un fenomeno ondoso associato a un moto longitudinale di un mezzo di
trasmissione. Cioè associava la luce ad una deformazione del mezzo
di propagazione, lungo la stessa direzione in cui la luce si propagava.
La teoria ondulatoria fu ripresa, sviluppata e portata al successo nel corso
del secolo XIX (per poco, possiamo ancora dire nel secolo scorso), grazie
al contributo di personaggi quali Poisson, Young, Fresnel, Fizeau, Michelson
i quali riuscirono fra l'altro ad inquadrare nel modello ondulatorio i fenomeni
di interferenza e di diffrazione, taluni già osservati da Newton ,
altri messi in evidenza successivamente, con accurate tecniche sperimentali.
Diversamente dall'idea di Huygens, le onde luminose sono trasversali: i fenomeni
elettromagnetici sono associati ad onde che si propagano con entità
che oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione. In ciò
esiste una forte analogia con ciò che accade a una corda di chitarra:
quando essa viene pizzicata, la perturbazione si propaga avanti e indietro
LUNGO la corda, ma consiste di spostamenti in direzioni PERPENDICOLARI alla
corda medesima.
Nella fisica classica, la propagazione di onde trasversali presupponeva
l'esistenza di un mezzo elastico (l'equivalente della corda di chitarra)
che avrebbe dovuto avere proprietà eccezionali (leggerezza,
elasticità, penetrabilità) tale mezzo, di cui fu postulata
l'esistenza fu chiamato etere, solo con l'introduzione del concetto
di campo e lo sviluppo della relatività fu possibile riconoscere
superflua la sua "incredibile" esistenza.
Poiché data una direzione dello spazio, esiste un piano, cioè
una varietà bidimensionale perpendicolare alla direzione data, le
onde trasversali possono esistere con due diverse direzioni di oscillazione.
Assegnati due assi X e Y perpendicolari all'asse di propagazione Z, la
polarizzazione cioè la direzione di oscillazione di un'onda trasversale
può essere lungo X o lungo Y. Nel caso piùgenerale in
cui l'onda oscilli in una direzione intermedia, il suo vettore di polarizzazione
può essere scomposto nelle componenti X e Y.
La realtà è ancora leggermente più complicata, infatti
le componenti X e Y delle oscillazioni possono essere sfasate. Può
succedere cioè che l'oscillazione lungo X e quella lungo Y raggiumgano
la massima elongazione in istanti diversi.
Un semplice programma per piattaforme DOS (ma anche Windows XX) può
essere utilizzato per visualizzare il problema. Esso è disponibile
come eseguibile (43Kb da scaricare) e come
sorgente in QuickBasic.
Il programma rappresenta il vettore campo elettrico associato ad un campo
elettromagnetico, l'operatore può "giocare" sull'ampiezza e sulla
fase relativa delle componenti X e Y della polarizzazione e verificarne gli
effetti sulla polarizzazione risultante.
I campi elettromagnetici sono dati dalla sovrapposizione di campi elettrici
e magnetici variabili nel tempo e nello spazio, i quali nel vuoto presentano
le seguenti caratteristiche (nel caso di propagazione in mezzi materiali,
alcune delle seguenti affermazioni andrebbero modificate):
I campi si propagano alla velocità c=3x108m/s, a grandi
distanze dalla sorgente che li ha prodotti.
In ciascun punto dello spazio il campo magnetico e il campo elettrico sono
fra loro perpendicolari.
Il piano su cui giacciono i vettori campo elettrico e campo magnetico è
a sua volta perpendicolare alla direzione di propagazione.
In ogni punto dello spazio, i campi elettrico e magnetico oscillano
sinusoidalmente con uguale frequenza ed uguale fase, e le loro ampiezze sono
correlate:
E=E0 sin(wt + delta),
B=B0 sin(wt + delta)
E0=cB0
Ad un istante fissato, i campi dipendono sinusoidalmente dalla posizione,
con identica frequenza spaziale:
E=E0 sin(kx + fi),
B=B0 sin(kx + fi)
La frequenza temporale w e quella spaziale k sono legate da una semplice
relazione: w=kc.
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