Augustin Fresnel e Poisson

Fresnel ‹frenèl›, Augustin-Jean. - Fisico (Broglie 1788 - Ville d'Avray, Parigi, 1827). Fino al 1815 fu impiegato come ingegnere nel Servizio delle strade. Realista fervente, durante i Cento giorni fu collocato a disposizione; dedicatosi agli studî sulla fisica della luce, scrisse due memorie sulla polarizzazione della luce che nel 1815 vinsero il premio indetto dall'Accademia per i migliori lavori sulla propagazione luminosa. Reintegrato in servizio, nel 1823 fu nominato membro dell'Académie des sciences. Dal 1815 al 1824 elaborò una serie di fondamentali ricerche di ottica fisica. L'ipotesi ondulatoria sulla natura della luce, suggerita un secolo prima da Huygens, era sostenuta in quel tempo da Th. Young e da J.-F.-D. Arago contro la dominante concezione corpuscolare che risaliva a I. Newton: per opera di F. si sviluppò da essa una complessa ed evoluta teoria matematica che trovò nelle esperienze dello stesso F. e di Arago le conferme più brillanti. La propagazione della luce è dovuta secondo F. a vibrazioni trasversali meccanico-elastiche dell'etere. Accertata, con Maxwell, la natura elettromagnetica delle vibrazioni luminose, le equazioni di F. restano purtuttavia formalmente valide, così come resta valido il principio di Huygens-Fresnel sulla propagazione delle onde mediante il quale è possibile studiare fenomeni di diffrazione. Le teorie matematiche dell'interferenza e della diffrazione che F. costruì e le esperienze che le confermarono furono ulteriori prove decisive a favore dell'ipotesi ondulatoria. Fra i dispositivi escogitati da F. per dare la dimostrazione sperimentale dei fenomeni di interferenza si ricordano il biprisma e gli specchi di F. I fenomeni di diffrazione studiati da F. sono quelli provocati da sorgenti poste a distanza finita e che si osservano pure in piani posti a distanza finita dall'ostacolo diffrangente (diffrazione alla F. in contrapposto a diffrazione alla Fraunhofer); nella teoria di tali fenomeni intervengono in maniera essenziale le forme integrali dette integrali di Fresnel. Nella teoria della birifrangenza, F. intuì la forma matematica molto complessa che deve avere la superficie d'onda luminosa nei cristalli birifrangenti biassici, superficie del 4º ordine, detta superficie di F.; nella stessa teoria va invece sotto il nome di ellissoide di F. (o ellissoide delle velocità radiali) un ellissoide che, come l'indicatrice ottica, è di rivoluzione per cristalli monoassici e a tre assi diversi per quelli biassici, ma, a differenza di questa, ha i semiassi proporzionali alle velocità principali (anziché ai corrispondenti indici di rifrazione); l'ellissoide di F., al pari dell'indicatrice ottica, disegnato con opportuna orientazione entro un cristallo, ne rappresenta in modo sintetico tutte le proprietà ottiche. Nell'ambito della teoria generale della propagazione della luce elaborata da F. trovano non meno esauriente spiegazione i fenomeni di polarizzazione; attraverso esperienze su tali fenomeni F. realizzò un polarizzatore circolare che va sotto il suo nome. Ricorderemo infine anche una semplice costruzione grafica dovuta a F. per effettuare a mezzo di vettori rotanti la composizione di moti armonici di uguale centro e frequenza.

La storia della scienza è ricca di discussioni e diatribe, sviluppatesi nel corso degli anni intorno agli argomenti piùdisparati e attraverso il coinvolgimento di menti più o meno brillanti.
Molte delle più grandi intuizioni dell’uomo sono state osteggiate al momento della loro presentazione alla comunità scientifica, come spesso accade quando un’idea può portare all’abbattimento di teorie ritenute valide per secoli.
E’ nota a tutti la storia del processo cui fu sottoposto Galileo Galilei; è meno nota invece l’accoglienza “fredda” riservata da parte della comunità scientifica alle teorie presentate da Bohr agli inizi del Novecento, riguardanti lo spettro dell’atomo di idrogeno.
Le tesi dello studioso danese, allora prive di una solida base fisica, furono pesantemente criticate, tanto che un collega di Bohr ebbe a dire “Se quel nonsenso che Bohr ha appena pubblicato è corretto, allora rinuncerò a fare il fisico”.
Eppure, proprio dalle quelle teorie tanto bistrattate, si sarebbe aperto un varco verso la fisica moderna.
E’ interessante notare che le idee più interessanti spesso vengono ritenute assurde perché la comunità rimane legata a ciò che sembra inconfutabilmente vero (chi di noi penserebbe che la Terra gira intorno al Sole attraverso la semplice osservazione dei cambiamenti di posizione dello stesso Sole nei nostri cieli?) o perché gli stessi uomini di scienza non sono pronti a rimuovere le convinzioni che hanno avuto per anni (come il fisico sopracitato).
Altre volte, però, le teorie avanzano anche attraverso un continuo confronto (a volte anche scontro, a dirla tutta) tra diverse correnti di pensiero.
E’ il caso, ad esempio, delle teorie di Augustin Fresnel, oggi poste alla base degli studi sulla diffrazione della luce.
A dirla tutta, Fresnel non nasce come uomo di scienza ma, portando avanti la professione di ingegnere, aveva sviluppato il suo interesse per l’ottica solo nel tempo libero, almeno inizialmente.
Dopo aver lasciato la sua occupazione, a partire dal 1815, aveva anche iniziato una relazione epistolare con Arago, personaggio di primo piano nell’ambiente scientifico parigino; lo stesso Arago aveva consigliato diversi testi a Fresnel per permettergli di ampliare le sue conoscenze.
L’ingegnere però potè usufruire solo di alcuni di questi testi, data la sua scarsa dimestichezza con la lingua latina; questo penalizzò inizialmente il lavoro di Fresnel, ma forse lo portò a dare maggiore importanza a esperimenti e misure.
Con un lavoro tanto duro quanto preciso, Fresnel mise le basi della sua teoria sui fenomeni diffrattivi, allora messi in secondo piano dai fisici; questi infatti, data la loro fede nelle parole di Newton che aveva descritto la luce come un elemento corpuscolare, davano scarsa importanza agli studi tesi a dimostrare la natura ondulatoria della luce, che pure si andavano moltiplicando in quel periodo.
Così, quando Fresnel partecipò ad un concorso sui fenomeni diffrattivi indetto dall’Accademia delle Scienze, nessun newtoniano si presentò e il premio nelle sue mani, sebbene la commissione giudicatrice, composta prevalentemente da newtoniani oltre che dal suo amico Arago, rimase sulle sue opinioni.
Tra i protagonisti di questa sconfitta dei newtoniani non si può non citare un dei membri della commissione, Siméon Poisson.
Poisson, convinto sostenitore della teoria corpuscolare, fu anche l’oppositore più convinto di Fresnel, specialmente nel periodo che va dall’Aprile 1818, quando Fresnel inviò all’Accademia il materiale per partecipare al Concorso, al 1819, quando si tenne la seduta pubblica che incoronò l’ingegnere.
Nello specifico, Poisson, studiando le carte di Fresnel, aveva notato che queste portavano ad un risultato piuttosto singolare.
Seguendo le formule di Fresnel, se un fascio di luce investe una figura circolare (un disco, ad esempio), su uno schermo posto alle spalle del disco dovrebbe comparire (come ovvio) una figura scura circolare, al centro della quale però, nel punto di congiunzione tra sorgente di luce e centro dello schermo, comparirebbe un punto di luce.
Convinto di aver trovato un appiglio tramite cui smontare le tesi di Fresnel, Poisson rese pubbliche le sue argomentazioni.
Queste però vennero smentite poco tempo dopo da Arago, che dimostrò sperimentalmente l’esistenza del punto di luce (riportato nell’immagine) di cui abbiamo appena parlato, dando ulteriore forza alla teoria ondulatoria.
Per ironia della sorte, al giorno d’oggi quel piccolo punto di luce, che segnò la vittoria di Fresnel su Poisson, è noto per l’appunto come “Punto di Poisson”.