Etere 3: in Hollandia Christianus Hugenius natus est

di Antonio Sparzani

Le prime due puntate dell’eterea vicenda le trovate qui e qui.
Dopo i diafani sogni degli antichi e le speculazioni del Medioevo e del Rinascimento, ecco le riflessioni e le fantasie del secolo dei lumi, che tutto illuminava con nuovi punti di vista e con nuove prospettive.
I lumi però vanno preparati e nel Seicento, l’epoca del vituperato e splendido barocco, molte acque si mossero.

Un po’ più seriamente che con le battute di Galileo, la questione dell’etere venne affrontata e trattata da due dei maggiori scienziati dell’era moderna, Huygens e Newton.

Era olandese Christiaan Huygens (talvolta Huyghens, l’Aia, 1629 – 1695), crebbe in una terra che stava diventando nazione tra mille turbolenze, tra alleanze variabili e tentativi di autonomia, il che non gli impedì di dedicarsi a studi e faccende scientifiche, scoprendo e inventando numerose interessanti applicazioni, come potete leggere ad esempio qui. Divenne amico e corrispondente di Descartes, Pascal, Leibniz e Newton, ed elaborò complessivamente una propria posizione scientifica originale, più vicina al continentale cartesianesimo che alle idee che venivano d’oltre Manica.

Un grande mistero per gli uomini, e una grande fonte di vita e di gioia è sempre stata la luce.
Quella realtà dalla quale tutti gli esseri viventi (tranne forse misteriose creature che soggiornano negli abissi oceanici) traggono la possibilità di essere vivi, di evolvere, di avere un importantissimo canale (anche se non l’unico, abbiamo almeno cinque sensi) di comunicazione con il proprio ambiente nonché di dare e ricevere informazioni, nel senso più generale del termine. Noi umani non crediamo, ma in verità non sappiamo, se le querce o le antilopi si siano mai interrogate sulla natura della luce, ovvero se abbiano mai cercato di connettere il fenomeno luce con altri fenomeni naturali, perché riteniamo di essere gli unici depositari di una facoltà che chiamiamo ‘razionalità’ e che risponde al bisogno, che con l’evoluzione si è formato nella nostra mente, di incasellare in un qualche modo, che chiamiamo ordinato, tutto quanto avviene attorno a noi.

Insomma la luce è stata oggetto d’indagine, oltre che di meraviglia e di gioia, da tempo immemorabile. Se poi ci sono qui dei figli delle tenebre, non vadano avanti a leggere, che a loro non interessa.

Huygens è soprattutto noto per essere stato il primo, e sfortunato, assertore di una teoria ondulatoria della luce; teoria a quel tempo avversata e quindi offuscata sia dall’autorità teorica di Newton (che proponeva una propagazione corpuscolare: la luce consiste di piccole particelle) sia dalla sua nota e arrogante intolleranza. Teoria però che doveva poi esser riscoperta e rivalutata nei primi decenni dell’Ottocento.

Nel suo Traité de la lumière, pubblicato in francese a Leida nel 1690, ma scritto fin dal 1678 a Parigi e ivi comunicato all’Accademia delle Scienze (la data è importante perché nel 1687 esce la prima edizione dei Principia di Newton), Huygens si propone di spiegare la natura e la propagazione della luce a partire da cause di tipo meccanico.

Questa idea che quel che può essere spiegato, può esserlo a partire da un qualche modello meccanico, è un’ipotesi molto forte che sta alla base della filosofia scientifica di Huygens e di molti ancora dopo di lui. È il cuore del meccanicismo, quell’atteggiamento, che si può dire vada oltre la scienza e diventi una filosofia, che è sempre consistito, e consiste, nel ritenere che tutto quanto avviene è riconducibile a movimenti di cose, eventualmente piccole piccole o grandi grandi, che si muovono sotto l’azione delle varie reciproche forze. È un atteggiamento che corre spesso parallelo al determinismo e ad altri più o meno simpatici compagni di viaggio.

Huygens è di formazione cartesiana, come la maggioranza degli scienziati continentali dell’epoca (Cartesio, René Descartes, era morto cinquantaquattrenne a Stoccolma nel 1650, a causa della polmonite che l’esigente regina Cristina di Svezia, gli aveva causato facendolo sistematicamente uscire di casa nelle gelide albe svedesi per andare a darle lezione), anche se modifica in più occasioni le teorie di Cartesio per adattarle alle proprie necessità e sostiene proprio, in un famoso passo dell’opera citata, che chi non voglia rinunciare ad ogni speranza di capire qualcosa in fisica deve concepire la causa di tutti gli effetti naturali mediante ragionamenti di meccanica (par des raisons de mechanique). Nel primo capitolo del Traité Huygens discute a lungo della velocità della luce, supera l’ipotesi cartesiana della propagazione istantanea, da pochi anni smentita dalla misurazione di Rømer[1] e passa a discutere del meccanismo della propagazione.

Caratteristica della sua discussione è la continua analogia che mantiene tra la propagazione della luce e quella del suono nell’aria: questa analogia porta buoni frutti in quanto, ad esempio, convince Huygens che la propagazione della luce non può avvenire per spostamento di materia, ma per onde causate da una perturbazione che si sposta, nel tempo, da strato a strato della materia eterea, ma lo conduce anche all’errore, che impedirà una pronta accettazione della teoria, di concludere che anche le onde della luce, così come quelle del suono nell’aria, sono longitudinali, mentre, come poi si scoprì nella prima metà dell’Ottocento, alcune caratteristiche della propagazione della luce sono tipiche di una propagazione ondulatoria trasversale.[2]

Venendo ora alla materia che sostiene queste onde, Huygens scrive:
“Se ora si esamina quale può essere questa materia nella quale si estende il movimento che viene dai corpi luminosi, materia che chiamo eterea [etherée], si vedrà che non è la stessa che serve alla propagazione del suono. Poiché si trova che quest’ultima è propriamente l’aria che sentiamo e che respiriamo: e se anche la si toglie da un recipiente, non se ne toglie l’altra materia che serve alla luce. Il che può provarsi racchiudendo un corpo che suona in un recipiente di vetro, dal quale si elimina l’aria mediante la macchina che il signor Boyle ci ha fornito, e con la quale ha fatto così tante belle esperienze.”

E, potremmo aggiungere noi, se al centro di un recipiente chiuso e trasparente poniamo una lampadina accesa, non c’è nessun procedimento che, togliendo qualcosa dal recipiente, permetta di eliminare la visione della lampadina dall’esterno. La lampadina rimane visibile: non si riesce a togliere un ‘fluido’ che ‘trasporti’ le onde luminose che la lampadina emana e che colpiscono la nostra retina.
La proposta di Huygens procede ora con i seguenti passi:
i. lo spazio è pieno di particelle di etere che sono molto più piccole di quelle dell’aria;
ii. queste particelle sono estremamente dure ed elastiche; (“nulla impedisce che noi valutiamo che le particelle di etere siano di un materiale tanto vicino alla durezza perfetta e di una elasticità tanto pronta quanto vogliamo ”);
iii. se si mettono in fila tante biglie dure, a contatto tra loro, un urto sulla prima delle biglie si manifesterà alla fine in uno spostamento in avanti dell’ultima (come ben sa chiunque abbia giochettato con l’attrezzo qui mostrato), restando sostanzialmente ferme tutte le altre, e questo processo non è istantaneo perché ogni biglia intermedia deve avere il tempo, piccolo quanto si vuole ma non nullo, di comprimersi e ri-espandersi elasticamente trasmettendo così la sollecitazione alla successiva;

iv. la luce si propaga per l’appunto così, con urti iniziali, prodotti dai materiali emittenti sulle piccole biglie che compongono l’etere, e questi urti si trasmettono ad una velocità tanto più alta quanto più valutiamo alta la durezza e la risposta elastica di queste biglie.

Il tocco finale che Huygens aggiunge sulla costituzione dell’etere suona così:
“Dirò tuttavia, di passaggio, che si può pensare che queste particelle di etere, nonostante la loro piccolezza, siano a loro volte composte di altre parti e che la loro elasticità consista nel movimento molto rapido di una materia molto sottile che le attraversa da tutti i lati, e che costringa il loro tessuto a disporsi in maniera tale da lasciare un passaggio a questa materia fluida il più aperto e il più facile che si possa. […] E non bisogna immaginarsi che vi sia alcunché di assurdo né di impossibile in ciò: essendo anzi del tutto credibile che proprio di questa progressione infinita di corpuscoli di differente grandezza, e con differenti gradi di velocità, la natura si serva per produrre sì tanti meravigliosi effetti.”È un quadro complesso e originale quello che Huygens offre della costituzione della misteriosa “materia del cielo”. Anche sulle cause della gravità il nostro autore si spende in un tentativo di spiegazione che, invece di ricorrere ai grandi vortici cartesiani, fa uso di un numero molto grande di piccoli vortici, sempre della ‘materia celeste’, aria più etere, che circondano la Terra. Ma di questo vi parlerò quando parlerò di Newton e del codazzo di suoi seguaci fin nella medicina del Settecento.

[1] Ole Rømer (Arhus, 1644 – Copenhagen, 1710) fu il geniale astronomo danese che, dopo quattro anni di lavoro all’Osservatorio Reale di Parigi, peraltro proseguendo osservazioni suggerite dall’astronomo italiano Giovanni Domenico Cassini, dal 1671 direttore dell’Osservatorio di Parigi, annunciò di aver potuto spiegare gli osservati ritardi nelle occultazioni dei satelliti di Giove (i famosi ‘medicei’, scoperti da Galileo) dietro l’ombra di Giove stesso mediante l’ipotesi che la luce si propagasse nello spazio tra la Terra e Giove ad una velocità assai elevata, ma finita, che egli stimò in circa 225.000 Km/s; stima ottima, tenuto conto che fu la prima e che, rispetto al valore oggi considerato corretto di circa 300.000 Km/s, comporta un errore per difetto di appena il 25%.
[2] longitudinale significa che l’oscillazione dell’onda avviene lungo la stessa direzione della propagazione (es.: le onde del suono nell’aria), mentre trasversale significa che l’oscillazione ha luogo in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione (es.: le onde alla superficie del mare).