I prodigi delle scienze ottiche

Uno… sguardo alla storia

Il fascino dell’ottica, lo “studio di ciò che si percepisce con gli occhi”, è antico quanto il mondo: già gli antichi egizi e babilonesi si ponevano domande sulla natura della vista e sugli effetti della luce. La creazione delle prime lenti in quarzo trasparente risale a 4000 anni fa, ma è stato con lo sviluppo della matematica nel mondo greco che si sono iniziate a scoprire le prime leggi geometriche che governano questa disciplina.

Questi studi furono stati portati avanti poi dagli studiosi medioevali, sia europei che arabi, diventando uno dei pilastri di quella che veniva chiamata “filosofia naturale”, ossia l’insieme delle conoscenze sul mondo materiale (contrapposto a quello religioso o spirituale).

Con il progresso degli studi della natura della luce da parte dei primi scienziati, l’ottica geometrica degli antichi iniziò ad integrare all’interno della disciplina conoscenze di tipo fisico, dando origine a quella che chiamiamo oggi ottica fisica. Grazio allo studio della luce come onda elettromagnetica (e ancora più recentemente, come fenomeno quantistico), l’ottica fisica costituisce ancora oggi la cornice scientifica attraverso la quale spieghiamo gli effetti a volte sorprendenti che coinvolgono il senso della vista.

Giochi di luce e illusioni ottiche hanno infatti da sempre affascinato gli esseri umani, ed è possibile trovarne una grande quantità, online oppure su libri e riviste specializzate. Alcuni di questi riguardano la percezione visiva, legata al funzionamento del nostro cervello o dell’occhio umano, mentre altre si basano invece su fenomeni fisici.

Qualche esempio da provare

Uno degli esperimenti più semplici, e più affascinanti, è la scomposizione della luce nei suoi colori fondamentali, così come avviene naturalmente nel fenomeno dell’arcobaleno. Per farlo si può utilizzare un prisma, ossia una oggetto di vetro a base triangolare: la luce entra da una faccia, ed esce dall’altra separata nei diversi colori. Pur essendo un fenomeno noto fin dall’antichità, fu lo scienziato inglese Isaac Newton tra i primi a sperimentare in maniera sistema sistematica con questo effetto, così come fu lui a scegliere quelli che ancora oggi chiamiamo “i sette colori dell’arcobaleno”: rosso, arancio, giallo, verde, blu, indaco, violetto.

Diciamo proprio scegliere, perché quella di Newton fu proprio una scelta, fatta sostanzialmente per motivi legati alla numerologia e alla filosofia: quando invece svolgiamo noi stessi l’esperimenti di scomposizione della luce, ci accorgiamo che i colori sono una striscia continua che va dal rosso al viola, passando per tutte le sfumature intermedie. Se non si ha a disposizione un prisma, si può osservare lo stesso fenomeno anche sulla superficie di un CD o di un DVD: pur trattandosi di fenomeni fisicamente diversi (rifrazione il primo, diffrazione il secondo), il risultato di scomposizione della luce è lo stesso.

Nell’arcobaleno, invece, il fenomeno non avviene attraverso un prisma di vetro o sulla superficie di un dispositivo digitale, ma per la presenza di goccioline di pioggia sospese nell’atmosfera. Lo studio di questo fenomeno ci rivela alcune informazioni interessanti: ad esempio, a causa degli angoli di riflessione interna alle goccioline d’acqua, l’arcobaleno può formarsi solo in direzione opposta al Sole.

Questo significa quindi che l’arcobaleno può manifestarsi solo quando il Sole è sufficientemente basso sull’orizzonte, e solo in alcune direzioni particolari: al mattino, l’arcobaleno può apparire solo verso occidente, mentre al pomeriggio può apparire solo verso oriente, in direzione opposta al Sole che si alza oppure si abbassa sull’orizzonte; l’unica eccezione è nelle regioni polari, sulle quali il Sole rimane basso sull’orizzonte anche durante le ore centrali della giornata.

Oltre al ben noto arcobaleno, un gran numero di prodigi ottici sono dovuti alla presenza in atmosfera di minuscole goccioline di acqua o a piccolissimi cristalli di ghiaccio, che danno origine a fenomeni come aloni, corone, archi, pareli, raggi crepuscolari e anticrepuscolari, nubi nottilucenti, nubi madreperlacee, e molti altri. Infine, altri effetti sono dovuti alla differente temperatura di diversi strati dell’atmosfera, come miraggi, fate morgane, raggi verdi, e altri casi particolari.

Questi e tanti altri esperimenti sono facilmente realizzabili grazie al nostro nuovo laboratorio scientifico I’m a Genius Laboratorio di ottica, con all’interno tutto l’occorrente per scoprire i prodigi dell’ottica con un manuale dove approfondire l’argomento

Oltre agli effetti di scomposizione della luce, altri prodigi dell’ottica si possono realizzare grazie ai fenomeni della rifrazione e della riflessione. Grazie all’utilizzo di lenti, o anche di semplici contenitori pieni d’acqua, è possibile ottenere effetti strani e divertenti. Immergendo una matita o un altro oggetto lungo e sottile in un bicchiere d’acqua, ad esempio, ed osservandolo lateralmente, si vede bene che la metà immersa nel liquido sembra seguire una inclinazione diversa dalla parte emersa: questo effetto è dovuta al diverso indice di rifrazione delle due sostanze, aria e acqua, attraversate dalla luce. Allo stesso modo, utilizzando un grande bicchiere, o una boccia di vetro piena d’acqua, è possibile utilizzarla come una lente deformante, creando effetti buffi e divertenti.

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