Se vogliamo parlare di luce, dobbiamo anche parlare di ombra. Esiste un vero confine?

Abbiamo iniziato a parlare di onde, sapendo già che prima o poi entreranno di prepotenza in campo le onde elettromagnetiche. Il che vuol dire parlare di "luce"... ma, come ciliegina da antipasto, dedichiamoci a ciò che sembra il suo esatto opposto: l'ombra.

L'episodio di cui voglio parlare si riferisce a una disputa scientifica avvenuta all'inizio del diciannovesimo secolo. Era un momento in cui lo studio della luce e delle sue proprietà era uno degli argomenti più dibattuti. A seguito dell'esperimento della doppia fenditura di Young stava formandosi l'idea che essa si trasmettesse attraverso onde, in contrapposizione con la teoria corpuscolare enunciata da Newton (ma formulata, anche se in maniera più elementare, ben 700 anni prima da Alhazen, un grandissimo scienziato arabo).

Tra i più accesi sostenitori di quest'ultima vi era Simeon Denis Poisson (1781-1840), il quale decise di indire una specie di competizione invitando altri scienziati a presentare possibili idee alternative: lui avrebbe sicuramente dimostrato la loro inconsistenza. Si presentò alla "gara"  Augustin-Jean Fresnel (1788-1827), con la sua teoria in cui venivano spiegati fenomeni come la riflessione, la rifrazione, l'interferenza e, soprattutto, la diffrazione attraverso la teoria ondulatoria. Poisson gli chiese una prova pratica e Fresnel propose la sua quasi paradossale "macchia" luminosa al centro di un'ombra.

Sospendiamo un attimo la storia e analizziamo l'...ombra. Essa è per definizione una zona completamente scura dato che la luce non può raggiungerla essendo bloccata completamente da un certo ostacolo. Questa affermazione, però, risponde alla visione corpuscolare di Newton e Poisson. Infatti, se la luce fosse trasmessa da particelle che si muovono in linea retta, esse dovrebbero essere fermate completamente. Guardiamo, allora, un'ombra e ragioniamo. Quale parte sembra meno scura? Beh... diremmo sicuramente i suoi bordi, in qualche modo sfumati. Questo è vero, ma la colpa non è dell'ombra, bensì del fatto che la sorgente luminosa non è normalmente puntiforme. Il caso più classico è proprio quello dovuto al Sole, sorgente molto lontana, ma con un diametro ancora sufficiente a creare una dispersione della luce ai bordi dell'ostacolo. Inoltre, la luce dovrebbe essere coerente, ossia tutta in fase, cosa che normalmente non è. Per ottenere quest'ultima prerogativa bisognerebbe usare un laser, strumento, però, che ai tempi di Poisson e di Fresnel non era stato ancora inventato.

Proprio questa mancanza di puntiformità e di coerenza maschera la vera struttura dell'ombra e non ci fa rispondere esattamente alla domanda riguardante la parte più luminosa di un'ombra. Si aggiunga inoltre il fatto che l'ostacolo dovrebbe anche avere una forma esattamente sferica e/o circolare e questo è un "ostacolo" ulteriore. Insomma, qual è veramente la parte più luminosa di un'ombra?

Torniamo alla storia e alle considerazioni portate avanti da Fresnel. Lui stabilì che secondo la teoria ondulatoria un'ombra circolare dovrebbe avere un piccolo disco luminoso proprio nel suo centro, ossia proprio dove una luce composta da tanti piccoli proiettili non potrebbe mai arrivare.

Ovviamente, Fresnel era sicurissimo di tutto ciò, basandosi sull'effetto di diffrazione luminosa, ossia quello che agisce ai bordi di un ostacolo, quando la luce viene trattata come un'onda. Per avere maggiori informazioni sulla diffrazione vi consiglio di rileggervi questo articolo. Aiutiamoci con la figura che segue, dove si vede bene l'onda piana che arriva sull'ostacolo e il fenomeno delle diffrazione che nasce ai suoi bordi. Le onde così create interferiscono e producono una zona più luminosa alla giusta distanza.

Una prova, quella di Fresnel, che Poisson poteva facilmente confutare, dato che i requisiti necessari a rendere "pratica" la teoria erano ben lontani dall'essere verificati in natura. Vittoria per Poisson, allora? No, dato che nella giuria della competizione, addirittura come presidente, vi era  Dominique-Francois-Jean Arago (1786-1853), il quale decise di eseguire un esperimento con le caratteristiche necessarie allo scopo, utilizzando una sfera di 2 millimetri di diametro. La macchia luminosa comparve come aveva previsto teoricamente Fresnel e la maggior parte degli scienziati dell'epoca si convertì alla natura ondulatoria della luce. Dicono che lo stesso Poisson contribuì alla riuscita dell'esperimento, mostrando una vera statura da scienziato.

Bisognava, però, aspettare circa un secolo prima che Einstein dimostrasse che entrambe le caratteristiche erano lecite (effetto fotoelettrico). Oggi è decisamente più facile ottenere il risultato voluto, utilizzando una luce laser. La figura che segue mostra tre casi, ottenuti  sempre con un dischetto circolare, posto a un metro dal piano dell'immagine, variando il suo diametro da 4 a 2 e, infine, a 1 millimetro (da sinistra a destra).

Resta il fatto, comunque, che la macchia luminosa centrale esiste e come! In poche parole, se vengono rispettate tutte le regole, al centro di un ombra circolare appare un dischetto luminoso. Qualcuno dirà: "Sì, tutto bello, ma in natura resta solo un caso irrealizzabile". Invece no, è possibile vederlo... Non voglio parlare da medico, ma penso che tutti  abbiano  avuto il disturbo delle mosche volanti, quelle piccole macchie scure che sembrano spostarsi velocemente quando guardiamo, ad esempio, un cielo molto limpido. Esse sono causate da piccoli frammenti di cellule, presenti all'interno del bulbo oculare. Spesso hanno forma allungata e/o irregolare, ma può capitare che il mini-ostacolo abbia una forma quasi perfettamente sferica ed ecco allora che la diffrazione gioca le sue carte e la retina è costretta a dar ragione a Fresnel, come mostra la figura che segue:

Insomma, la parte più luminosa di un'ombra è proprio nel suo centro! Questa macchia viene oggi chiamata con un nome variabile... sia macchia di Fresnel che, più sovente, macchia di Arago o addirittura di Poisson.