L'etere
Vorrei capire a che cosa ci si riferisce quando si parla di moto rispetto all'etere.
Come viene trattato l'etere nell'ambito dell'ottica ondulatoria? E perché è stato superato dalla relatività di Einstein?
Come viene trattato l'etere nell'ambito dell'ottica ondulatoria? E perché è stato superato dalla relatività di Einstein?
14 maggio 2001
La prima elaborazione sistematica del modello ondulatorio della luce è oggi attribuita a Christiaan Huygens, il quale, alla fine del XVII secolo, rifiutò l'ipotesi newtoniana che la luce fosse di natura corpuscolare e suggerì di indagare la natura della luce in stretta analogia con quella del suono. L'idea di base era: così come il suono è un'onda che si propaga nell'aria, anche la luce può essere pensata e modellizzata come un'onda che si propaga attraverso un mezzo chiamato etere.
Pertanto l'elaborazione del modello ondulatorio per la luce è storicamente collegata all'elaborazione di un modello meccanico per l'etere, mediante il quale si voleva analizzare e spiegare il meccanismo di propagazione delle onde luminose.
Il primo modello meccanico dell'etere, dovuto anch'esso a Huygens, fu formulato tenendo conto che la luce si propaga anche in assenza di aria (la luce proviene anche dal sole e dalle stelle), in modo rettilineo, con velocità finita ma molto superiore a quella del suono (l'esperimento di Ole Christensen Römer è del 1675) e nell'ipotesi, ora considerata scorretta, che la luce, come il suono, sia un'onda longitudinale (onda di compressione e rarefazione). Queste proprietà ottiche portavano a ipotizzare l'etere come una sostanza invisibile e non osservabile che permea tutto l'universo, costituita da piccolissime particelle e molto rigida, dal momento che dalla durezza del materiale dipende la velocità di propagazione di un impulso.
Il modello ondulatorio per la luce non ebbe un grande successo e rimase un'ipotesi minoritaria per tutto il XVIII secolo rispetto all'interpretazione corpuscolare di Isaac Newton. Fu nella prima metà del XIX secolo in seguito ai lavori di Thoemas Young sull'interferenza e ai lavori di Augustin Jean Fresnel sulla diffrazione che il modello ondulatorio e, di conseguenza, gli studi sull'etere tornarono alla ribalta. In questo periodo la teoria ondulatoria fu in grado di affermarsi perché Young fondò il suo modello sull'ipotesi che la luce fosse un'onda trasversale e, grazie a questa, tutti i fenomeni noti potevano essere spiegati, comprese birifrangenza, interferenza, diffrazione e polarizzazione non spiegabili in modo soddisfacente con la teoria corpuscolare.
L'ipotesi che la luce fosse un'onda trasversale ebbe forti ripercussioni sul modello meccanico dell'etere e portò Young e Fresnel a fare ipotesi e congetture alquanto azzardate che fecero discutere per tutto il secolo. In particolare l'etere, in quanto mezzo che doveva supportare onde trasversali, ovvero oscillazioni ortogonali alla direzione di propagazione, non poteva avere le proprietà di un fluido dal momento che in un fluido si possono trasmettere solo onde longitudinali. L'idea di Young a Fresnel fu che l'etere si comportasse più come un solido elastico che permeava tutto l'universo ma che, tuttavia, non opponeva resistenza al moto dei corpi celesti!
Il dibattito sull'etere si intensificò e cambiò in parte i suoi termini in seguito ai lavori di Maxwell che portarono a riconoscere la natura elettromagnetica della luce. Per James Clerk Maxwell l'etere luminifero, considerato una necessità nell'ambito dell'ottica ondulatoria, divenne anche il mezzo attraverso cui potevano propagarsi le perturbazioni elettromagnetiche. Grazie a questo mezzo elastico, per l'interazione elettromagnetica non si poneva il problema che pesava sull'interazione gravitazionale fin dalla sua prima formulazione: l'azione a distanza. Per Maxwell, l'etere assumeva quel ruolo di mediatore dell'interazione che oggi è attribuito al campo elettromagnetico, considerato un ente fisico che non ha bisogno di alcun supporto materiale per propagarsi.
Con la teoria di Maxwell l'etere acquistò anche un altro significato: il significato di sistema di riferimento assoluto. Infatti, le equazioni di Maxwell contenevano l'informazione che la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche, e dunque anche della luce, avesse un valore ben definito e pari a c=300.000 km/s. Ma c rispetto a che cosa? L'idea formalizzata da Hendrik Antoon Lorentz fu che c fosse la velocità misurata da un osservatore in quiete rispetto all'etere, a questo solido elastico che permeava l'universo e che non veniva trascinato dal moto di alcun corpo materiale. Per un qualsiasi altro osservatore in moto rettilineo uniforme rispetto all'etere, la velocità della luce sarebbe stata diversa da c in conformità alla legge galileiana di composizione delle velocità. Sulla base di queste osservazioni Albert Abraham Michelson e Edward Williams Morley progettarono il loro celebre esperimento mirato a rivelare deviazioni da c della velocità della luce e a suffragare la convinzione che il valore previsto dalle equazioni di Maxwell valesse solo nel sistema di riferimento dell'etere.
Il fallimento dell'esperimento e la formulazione della relatività ristretta portarono al superamento di questa accezione assunta dall'etere. In altre parole divenne principio della fisica il fatto che la luce abbia velocità c in ogni sistema di riferimento inerziale.
Al giorno d'oggi, dunque, si ritiene che l'etere abbia perso sia il suo significato originario di mezzo materiale di supporto per la propagazione della luce poiché si ritiene che la luce, così come ogni onda elettromagnetica, si propaghi nel vuoto; sia il significato di quiete assoluta, ovvero di sistema di riferimento assoluto rilevabile attraverso esperimenti ottici sulla velocità della luce, perché questa è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
Per completezza occorre dire che la ricerca del sistema di riferimento assoluto non è finita. Tuttavia al giorno d'oggi questa ricerca non passa attraverso misure della velocità della luce bensì attraverso lo studio della radiazione di fondo: quest'ultima potrebbe diventare l'etere del XXI secolo.
Pertanto l'elaborazione del modello ondulatorio per la luce è storicamente collegata all'elaborazione di un modello meccanico per l'etere, mediante il quale si voleva analizzare e spiegare il meccanismo di propagazione delle onde luminose.
Il primo modello meccanico dell'etere, dovuto anch'esso a Huygens, fu formulato tenendo conto che la luce si propaga anche in assenza di aria (la luce proviene anche dal sole e dalle stelle), in modo rettilineo, con velocità finita ma molto superiore a quella del suono (l'esperimento di Ole Christensen Römer è del 1675) e nell'ipotesi, ora considerata scorretta, che la luce, come il suono, sia un'onda longitudinale (onda di compressione e rarefazione). Queste proprietà ottiche portavano a ipotizzare l'etere come una sostanza invisibile e non osservabile che permea tutto l'universo, costituita da piccolissime particelle e molto rigida, dal momento che dalla durezza del materiale dipende la velocità di propagazione di un impulso.
Il modello ondulatorio per la luce non ebbe un grande successo e rimase un'ipotesi minoritaria per tutto il XVIII secolo rispetto all'interpretazione corpuscolare di Isaac Newton. Fu nella prima metà del XIX secolo in seguito ai lavori di Thoemas Young sull'interferenza e ai lavori di Augustin Jean Fresnel sulla diffrazione che il modello ondulatorio e, di conseguenza, gli studi sull'etere tornarono alla ribalta. In questo periodo la teoria ondulatoria fu in grado di affermarsi perché Young fondò il suo modello sull'ipotesi che la luce fosse un'onda trasversale e, grazie a questa, tutti i fenomeni noti potevano essere spiegati, comprese birifrangenza, interferenza, diffrazione e polarizzazione non spiegabili in modo soddisfacente con la teoria corpuscolare.
L'ipotesi che la luce fosse un'onda trasversale ebbe forti ripercussioni sul modello meccanico dell'etere e portò Young e Fresnel a fare ipotesi e congetture alquanto azzardate che fecero discutere per tutto il secolo. In particolare l'etere, in quanto mezzo che doveva supportare onde trasversali, ovvero oscillazioni ortogonali alla direzione di propagazione, non poteva avere le proprietà di un fluido dal momento che in un fluido si possono trasmettere solo onde longitudinali. L'idea di Young a Fresnel fu che l'etere si comportasse più come un solido elastico che permeava tutto l'universo ma che, tuttavia, non opponeva resistenza al moto dei corpi celesti!
Il dibattito sull'etere si intensificò e cambiò in parte i suoi termini in seguito ai lavori di Maxwell che portarono a riconoscere la natura elettromagnetica della luce. Per James Clerk Maxwell l'etere luminifero, considerato una necessità nell'ambito dell'ottica ondulatoria, divenne anche il mezzo attraverso cui potevano propagarsi le perturbazioni elettromagnetiche. Grazie a questo mezzo elastico, per l'interazione elettromagnetica non si poneva il problema che pesava sull'interazione gravitazionale fin dalla sua prima formulazione: l'azione a distanza. Per Maxwell, l'etere assumeva quel ruolo di mediatore dell'interazione che oggi è attribuito al campo elettromagnetico, considerato un ente fisico che non ha bisogno di alcun supporto materiale per propagarsi.
Con la teoria di Maxwell l'etere acquistò anche un altro significato: il significato di sistema di riferimento assoluto. Infatti, le equazioni di Maxwell contenevano l'informazione che la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche, e dunque anche della luce, avesse un valore ben definito e pari a c=300.000 km/s. Ma c rispetto a che cosa? L'idea formalizzata da Hendrik Antoon Lorentz fu che c fosse la velocità misurata da un osservatore in quiete rispetto all'etere, a questo solido elastico che permeava l'universo e che non veniva trascinato dal moto di alcun corpo materiale. Per un qualsiasi altro osservatore in moto rettilineo uniforme rispetto all'etere, la velocità della luce sarebbe stata diversa da c in conformità alla legge galileiana di composizione delle velocità. Sulla base di queste osservazioni Albert Abraham Michelson e Edward Williams Morley progettarono il loro celebre esperimento mirato a rivelare deviazioni da c della velocità della luce e a suffragare la convinzione che il valore previsto dalle equazioni di Maxwell valesse solo nel sistema di riferimento dell'etere.
Il fallimento dell'esperimento e la formulazione della relatività ristretta portarono al superamento di questa accezione assunta dall'etere. In altre parole divenne principio della fisica il fatto che la luce abbia velocità c in ogni sistema di riferimento inerziale.
Al giorno d'oggi, dunque, si ritiene che l'etere abbia perso sia il suo significato originario di mezzo materiale di supporto per la propagazione della luce poiché si ritiene che la luce, così come ogni onda elettromagnetica, si propaghi nel vuoto; sia il significato di quiete assoluta, ovvero di sistema di riferimento assoluto rilevabile attraverso esperimenti ottici sulla velocità della luce, perché questa è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
Per completezza occorre dire che la ricerca del sistema di riferimento assoluto non è finita. Tuttavia al giorno d'oggi questa ricerca non passa attraverso misure della velocità della luce bensì attraverso lo studio della radiazione di fondo: quest'ultima potrebbe diventare l'etere del XXI secolo.
Per approfondimenti si consiglia di consultare:
- Bergia S., Valleriani M. (1998), Relatività ristretta: convenzione o nuova concezione del mondo?, Giornale di fisica, XXXIX, 4, 199- 221
- Resnick R. (1968), Introduction to Special Relativity, John Wiley & Sons, Inc., New York, London (Introduzione alla Relatività Ristretta, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 1979).
Olivia Levrini
Dipartimento di Fisica, Università di Bologna
