Entità fittizie della fisica: l’etere luminifero

Rappresentazione dell'etere

Rappresentazione dell’etere

Entità fittizie della fisica: l’etere luminifero

In fisica l’etere luminifero era l’ipotetico mezzo attraverso il quale, fino al XIX secolo, si pensava si propagassero le onde elettromagnetiche.

Sebbene il termine e le prime ipotesi sulla sua esistenza e la sua natura risalgano già al XVIII secolo, quando l’ipotesi più accreditata sulla natura della luce era quella corpuscolare di Newton, è nel secolo successivo, con l’affermarsi della teoria ondulatoria della luce di Young e Fresnel, che l’esigenza di postulare un mezzo materiale per la loro propagazione si fa più stringente.

La natura di questo mezzo materiale fu sin dall’inizio fonte di numerosi problemi. Il fatto che le onde luminose fossero onde trasversali richiedeva un etere solido, invece che liquido o gassoso; l’elevatissima velocità di propagazione della luce richiedeva una rigidità corrispondentemente elevata per l’etere; il fenomeno astronomico dell’aberrazione della luce delle stelle indicava che l’etere dovesse restare immobile su distanze, appunto, astronomiche.
E tuttavia, in apparente contrasto con tutto ciò, non si poteva rivelare alcuna resistenza al moto dei corpi da poter attribuire all’etere.
La Terra — il sistema solare nel suo complesso — orbita attorno al centro della propria galassia a una velocità di 217 km/s. Un vento d’etere con quella velocità avrebbe dunque dovuto investire la Terra in direzione opposta al proprio moto di rivoluzione galattica. Il moto del sistema solare nella galassia non era ben noto nel XIX secolo, ma era noto il moto di rotazione intorno al proprio asse, dato che si conosceva con precisione il diametro terrestre: il suo effetto sarebbe stato un vento d’etere variabile con la latitudine, con un picco di 460 m/s all’equatore. Inoltre era noto il moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole, alla velocità di circa 30 km/s.

In seguito alle scoperte di J.C. Maxwell, che stabilirono la natura elettromagnetica e non elastica, delle vibrazioni luminose, fu abbandonata l’ipotesi dell’elasticità dell’etere, che conservava tuttavia il carattere di sostanza materiale immobile nello spazio assoluto. Ma le esperienze ottiche ed elettrodinamiche, tra cui celebre quella di A.A. Michelson, che avrebbero dovuto provare l’immobilità dell’e. mettendo in evidenza gli effetti del moto di un corpo rispetto a esso ( vento di etere), dettero tutte risultati completamente negativi; esclusa l’esistenza di un riferimento assoluto legato all’etere, l’ipotesi della sua esistenza venne abbandonata.

Nel 1887, Michelson e Morley, con il loro noto esperimento, hanno fornito quello che, a posteriori, viene dai più considerato come l’experimentum crucis sulla questione. In realtà non esistevano modelli alternativi capaci di inquadrare coerentemente i dati sperimentali e il risultato venne interpretato semplicemente come la prova dell’assenza di vento d’etere, da spiegare con eventuali altri meccanismi come ad esempio il trascinamento vicino alla superficie terrestre di un etere non più pensato fisso nello spazio.

L’esperimento di Michelson e Morely

Assunta l’esistenza dell’etere, cioè del riferimento privilegiato in cui valgono le equazioni di Maxwell e nel quale le onde si propagano con velocità c, si trattava di calcolare la velocità della terra rispetto a questo sistema: non era infatti pensabile che la terra fosse solidale all’etere, cioè fosse un riferimento assoluto.

moto del sole e della terra

Era già nota la velocità della terra rispetto al sole, vTS=30 km/s. Non erano invece note la velocità della terra rispetto all’etere (la velocità che l’esperimento di cui stiamo parlando cercava di determinare), vTE, né la velocità del sole rispetto all’etere, vSE. Nella figura qui sopra, per semplicità, abbiamo considerato solo il piano dell’eclittica (nel quale giace sicuramente vTS). Poiché vTE=vTS+vSE, esaminando la figura qui sotto si può dedurre che, qualunque sia la incognita velocità del sole rispetto all’etere, esistono dei periodi dell’anno in cui vTE≥vTS. Se poi vSE ha una componente perpendicolare al piano dell’eclittica, questo discorso è vero a maggior ragione. Devono dunque esistere dei periodi dell’anno in cui la velocità della terra rispetto all’etere è, almeno, di 30 km/s, una velocità non trascurabile. L’esperimento di M.M. aveva proprio lo scopo di misurare questa velocità. L’esperimento fu realizzato la prima volta nel 1887. Ci sono grosse difficoltà tecniche nella realizzazione di un apparato come quello usato da M.M., ma la sua descrizione teorica è concettualmente semplice.

interferometro di Michelson

S è una sorgente luminosa, M uno specchio semiargentato, M1 ed M2 due specchi, A uno schermo. Un raggio emesso da S viene diviso in due da M: il primo compie il percorso MM1MA, il secondo MM2MA. Entrambi vengono in parte ritrasmessi alla sorgente, ma in parte arrivano allo schermo A dove provocheranno delle frange di interferenza in quanto arrivano in A sfasati per la differenza di percorso. É chiaro che le frange saranno determinate dai diversi tempi impiegati dai due raggi a percorrere, rispettivamente, i cammini MM1M e MM2M. Chiamiamo t1 e t2 questi tempi. Con calcoli eseguiti (per motivi di semplicità) in parte nel sistema di riferimento della terra e in parte in quello dell’etere si trova che la differenza tra i due tempi è data da: img.

interferometro ruotato

Se ruotiamo l’interferometro come nella figura qui sopra i ruoli di t2 e t1 si invertono e si avrà: img, cioè un valore diverso dal precedente.

La teoria prevede dunque che si debba avere uno spostamento delle frange di interferenza, almeno in certi periodi dell’anno.

Osserviamo esplicitamente che le trasformazioni di Galileo sono state estesamente usate in questo calcolo, in particolare la legge di composizione delle velocità, applicata alla velocità della luce. Il risultato dell’ esperimento fu assolutamente negativo: la rotazione dell’apparato non provoca alcuno spostamento delle frange.

Occorre rilevare che la sensibilità dello strumento era sufficientemente elevata, tanto da garantire che lo spostamento sarebbe stato osservato, se ci fosse stato.

Bisognerà aspettare i primi anni del nuovo secolo quando Hendrik Lorentz e Henri Poincaré proporranno le famose trasformazioni e Albert Einstein pubblicherà la sua derivazione da principi primi, poi diventata famosa come teoria della relatività ristretta, in cui si fa completamente a meno di qualsiasi ipotesi sull’etere.

Il termine è utilizzato nel linguaggio comune per indicare in maniera generalista la trasmissione di dati senza cavo, emissioni radio televisive comprese.

Bibliografia

  • A. A. Michelson. American Journal of Science, 1881, 22, 20.
  • A. A. Michelson e E. W. Morley. Ivi, 1887, 34.
  • A. A. Michelson. Studies in Optics. Dover Publications, 1995.
  • R. Shankland et al. Reviews of Modern Physics, 1955, 27, 167.
  • Silvano Fuso, La falsa scienza, Carocci Editore, 2013, pp. 32-37.


Categorie:K03- I concetti della Fisica - The Concepts of Physics

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