Summary:
+ Introduction + +
Reflection Refraction Diffraction
+ +
spherical aberration and Telescope
- Dispersion and Newtonian
Isaac Newton
The prism
chromatic aberration
; The Newtonian
scientific controversy
liquid mirror
+ ether luminiferous
+ Birefringence and Polarization Interference
+ + The rainbow
Isaac Newton
As I said at the end of the previous chapter, "fortunately" ... broke out in 1665 in London fever, spreading quickly up to Cambridge: the local university (the famous Trinity College ) was evacuated, and Isaac Newton had to return to his hometown, in almost complete solitude.
Born already lost his father on January 4 of 1643 (according to our "new" Gregorian calendar, or December 25, 1642 under the old Julian calendar then in force in England: in fact, many biographers prefer the second of these two dates, in order to emphasize the connection for which Newton was born the same year that Galileo died!), his mother remarried three years later with a man who hated Isaac cordially. His childhood was very unhappy, and he is marked for life: a shady character and cranky, it seems that he laughed only once in his life, when a student asked him if it was worth study " Elements "of Euclid!
Newton attended Trinity College from 1661 with the title of subsizar (servant) was the status of poor students who earn the line serving at the table and doing the cleaning. In 1669 it will become "Lucasian Professor" (ie, professor of mathematics founded a few years earlier by the Henry Lucas) in the same college. But back to the year 1665
and the exile of Newton. In that year, expressed his genius in the highest degree, initiating the development of mathematical analysis, studying the mechanics and the three famous laws of motion, and realizing the law of universal gravitation. In the same year, purchase an item that currently has no practical use, but you need to surprise people in the fairs: a glass prism . ▲
The prism
Newton had already read all the previous studies on optics, written by such figures as Descartes, Fermat, Galileo, Copernicus, Kepler ... so he knew what should expect. He practiced a hole in the shutter, and he passed a narrow beam of sunlight through the prism. What got this picture looks like (this is a very accurate simulation done on the computer, which shows the light beam in its path, even if in reality it would be visible only in the presence of steam or smoke or dust).
The white beam coming from the left is refracted twice, and is white except for two light stripes, blue at the top and red at the bottom of the beam on the right. The projection of the beam onto a white screen placed near the prism results in something like this:
Here we see the two stripes, blue and red. The phenomenon of color change in light was known from ancient times: in fact the light that is reflected on a colored body turns too. The idea was that the light "pure" was only the white (as we see it coming from the Sun and Stars), and that the material with which it interacted in some way the "dirty" word to the studies of Newton There was the belief that the weathering of the colors by prisms and lenses were due to matter "impure" in which they were made. But Newton does
new experiments in which leaves sempre più lo schermo dal prisma:
Ecco che il fascio di luce bianca via via sparisce, per far posto a bande dai colori ben definiti. Ma questo è un fenomeno molto più graduale di quanto si pensi normalmente: tutto il contrario di quanto rappresentato nella copertina di questo celeberrimo disco ( The dark side of the Moon , dei Pink Floyd):
Newton ripete i propri esperimenti in mille modi diversi, ottenendo risultati sempre analoghi: la macchia di luce bianca si allunga senza mai allargarsi, e la sequenza dei colori è sempre la stessa, con il colore viola-blu sempre dal lato della rifrazione più angolata. Comincia to think that there is only a game "pollution" more or less random light, which reflects only the material that passes through, but rather concludes that
White light is composed of colors. The prism does not change the white light, but divides it into its components.To test this theory makes two crucial experiments. The first:
Newton mask the beam refracted by the prism with a screen in which he drilled a small hole, so as to "select" a monochromatic beam, which is composed of light of one color . Well, for those experiments do su questo raggio di luce, non riuscirà più a fargli cambiare colore. Ovvero confuta la tesi secondo cui è il vetro a colorare la luce: se i raggi di luce di ogni singolo colore possono attraversare il secondo prisma senza che il colore ne risulti alterato, vuol dire che la luce "pura" è quella dei singoli colori mentre la luce bianca è un miscuglio degli stessi colori.
Il secondo esperimento dovrebbe secondo Newton tagliare la testa al toro: usando una lente e un secondo prisma riesce a ricombinare la luce uscente dal primo prisma un un nuovo raggio di luce bianca.
Quest'immagine ha proporzioni falsate: abbiamo già visto che i raggi differ very little colored edge of the prism. To accomplish this experiment Newton needs a lab several meters ... In short, much bigger than that screen!
Light is emitted from the first prism in the form of colored rays that diverge, the lens makes them riconvergere behind the second prism: if that was not present, the rays would continue in a straight line to reopen the order of the range colors reversed (red above).
The prism instead brings together all the colored rays in a single beam of white light. For Newton, the result of the experiment is clear: the old speculation that the colors of light as a pollution della luce bianca sono false; infatti come si sarebbe potuta ottenere una "pura" luce bianca, dopo un processo che la dovrebbe avere così tanto sporcata? ▲
L'aberrazione cromatica
Questi esperimenti di Newton portano alla definizione di un nuovo tipo di aberrazione: dopo l'aberrazione sferica di cui abbiamo parlato nella puntata precedente, adesso siamo in presenza dell' aberrazione cromatica , cioè della non omogenea rifrazione di tutti i colori della luce bianca.
Newton si convince che, se anche si potessero realizzare lenti perfette in grado di annullare completamente l'aberrazione sferica, non sarà mai possibile annullare l'aberrazione cromatica: ecco la spiegazione di quegli immancabili aloni colorati che continuano a disturbare lo studio del cielo anche usando i migliori telescopi! In realtà il problema dell'aberrazione cromatica sarà risolto verso la metà del XVIII secolo grazie all'uso di coppie di lenti costruite con vetri caratterizzati da indici di rifrazione diversi. ▲
Il telescopio di Newton
Nel 1663 James Gregory aveva ipotizzato la costruzione a reflecting telescope, with just mirrors. Newton, who had encountered such as reflection, refraction on the contrary, did not give any problems of chromatic aberration, dusts off this idea, perfection and creates a first reflecting telescope: it has a main mirror of parabolic shape, a flat mirror and an eyepiece .
The light coming from the left (blue rays) is reflected by the main mirror. The reflected rays (red) converge to the point F. .. but the interposition of the secondary mirror 2 refers rays (green) on the outside of the telescope, at the point O. With the appropriate choice of a primary mirror (dish, I talk about below), you get to a magic tool which is not affected either of spherical or the blue color!
Among other things, Newton is also a skilful craftsman built several telescopes of this new type grinding the mirrors himself, and he has one at the Royal Society of London in 1668. The tool is amazing: although a very simple and small, provides better images of any telescope had been built before! ▲
scientific controversy
In January of 1672 Newton was elected Fellow of the Royal Society (will become president in 1703). The success encouraged him to dare : a week after his election to the Secretary of that English Academy of Sciences, Henry Oldenburg, a letter announces that it has made a
philosophical discovery, which I Feedback is the strangest if not the most significant, that has been done before in the operations of nature.We can imagine the hassle of Oldenburg in receiving such a letter from this arrogant young (thirty), so terribly ambitious!
few weeks later, Newton sent for publication in the Transactions of the Royal Society un articolo in cui espone la sua rivoluzionaria teoria dei colori. Sostiene che con un solo esperimento pratico si può fornire la prova decisiva a favore della sua nuova teoria dei colori, a scapito delle ormai consolidate teorie modificazioniste: proprio l'esperimento dei due prismi, con cui si scompone e ricompone la luce bianca. Infine spiega i suoi risultati con una teoria di tipo corpuscolare: la luce bianca sarebbe una miscela di corpuscoli differenti che si propagano nello spazio come proiettili che si muovono a velocità diverse...
Con grande disappunto di Newton, l'articolo non viene accettato. Sottoposto ad altri scienziati dell'epoca, riceve tre ordini di critiche: alcuni non riescono a replicare l'esperimento; altri non negano il risultato dell'esperimento, ma l'interpretazione data da Newton; altri ancora (in particolare Huygens) sostengono che la scoperta di Newton sia di poca importanza: sarebbe solo la scoperta di una diversa frangibilità della luce in base ai colori, non certamente la prova definitiva a sostegno di una qualsiasi teoria sulla natura della luce.
La difficile replicabilità dell'esperimento di Newton è giustificata dal fatto che nell'articolo inviato alla Royal Society la sua descrizione è molto sommaria, e non pone sufficientemente l'accento sulla precisione con la quale devono essere realizzati i prismi. Inoltre c'era diffidenza verso un personaggio semisconosciuto che sosteneva che una sola esperienza could refute the many "studies" done before: in Europe are in fact made several attempts to replicate the experiment, but without reaching a consensus or the results nor their interpretation. In March of 1675 is scheduled to run their own experiment at the Royal Society but, precisely, that day the sun does not exist: it rains! Finally, the experiment will be done successfully on 27 April 1676; the scientific world will be convinced of the validity of the results ...
... but interpretations of the nature of light, or mechanisms that would justify his behavior. In the previous episode we saw that was spreading the wave theory: just ask questions Huygens to Newton on what he thought the weight of its achievements in supporting the corpuscular theory than the wave.
The dispute between the supporters of the particle and wave theories continue for long, because they are always observed new phenomena. In particular, Robert Hooke (1635-1703), was continuing to develop the wave theory of light, dealing with new phenomena such as interference. In the exchange of letters between Hooke and Newton, at one point it says:
If I have seen further, it is by standing on the shoulders of giants. Although thisphrase appears as a sign of modesty (against Descartes, Galileo, etc..), some believe that it was a pricking it: in fact, Hooke was a man of particularly low in stature! In the long run
Newton, offended by the continuing lack of recognition of his theories (modesty was not just part of his character), he retreats from the dispute in his heart, vowing not to publish any scientific achievement ever. Already in 1675 he wrote to Oldenburg:
wish to avoid being involved in these disputes annoying meaningless ...
Fortunately things do not go very well: in 1687 the famous and important issue "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica". ▲
Specchi... liquidi
La parabola è una curva nota dall'antichità, grazie ai primi studi di Apollonio da Perga che scrisse un trattato sulle "Coniche", la famiglia di curve di cui la parabola fa parte.
Durante le sue lunghissime ricerche sul moto dei pianeti, Keplero studiò queste curve, arrivando a un risultato di notevole interesse per l'astronomia: raggi di luce che arrivino su una superficie parabolica, in direzione parallela all'asse della parabola stessa, vengono riflessi to converge exactly at a point, said fire (the name "fire" of this point has been assigned its own by Kepler):
This area lends itself perfectly to the construction of telescopes, it is not has no spherical aberration (due to the shape of the lens) or color (the mirror does not disperse the white light).
is the paraboloid, which is the surface obtained by rotating a parabola around its axis of symmetry, it is the ideal form for constructing the primary mirrors of reflecting telescopes all: it does not have either spherical aberration (due to shape of the lenses) or cromatica (lo specchio non disperde la luce bianca). Questa forma è la stessa delle antenne satellitari: infatti anche in questo caso le onde elettromagnetiche, che provengono da oltre 30000 km di distanza, sono sostanzialmente parallele fra loro. La parabola le riflette concentrandole nel punto in cui è montato il cosiddetto "illuminatore", ovvero l'elemento sensibile dell'antenna.
Con questo tipo di specchio sono stati costruiti i più grandi telescopi al mondo: il record spetta al Gran Telescopio Canarias (GTC), con uno specchio primario di 10,4 metri. Il famoso Telescopio Spaziale Hubble ha uno specchio primario di "soli" 2,4 metri... ma ha il non trascurabile advantage of being in orbit, thus not affected by the disturbances caused by Earth's atmosphere.
Now a question: But how the hell do you grind a mirror 10 meters in order to obtain the shape of a paraboloid? Here we are again in aid (as it happens!) Just Newton. Who discovered that by taking a bucket full of water, and turning around its vertical axis, the surface of the water you have just shaped paraboloid. Here is a practical example, I realized that by attaching a plastic container to the chuck of a drill with three wires (the water is slightly stained with India ink to make the effect more visible) and you can see a short video of this experience se cliccate sulla foto qui sotto:
In estrema sintesi, il procedimento per fabbricare uno di questi enormi specchi è il seguente:
— All'interno di una camera a vuoto di opportune dimensioni si installa uno "stampo" (come quello delle torte), che girerà su se stesso a velocità costante, nell'ordine di pochi giri al minuto;
— facendo il vuoto (in modo da evitare il formarsi di bolle d'aria) viene versata un'opportuna quantità di vetro ottico fuso;
— inizia una fase molto graduale di raffreddamento: ci può volere più di un anno per portare il vetro at room temperature (the only way to avoid tension caused by uneven contraction of the glass during cooling);
- at which point the glass is almost perfect: just a polishing (extremely accurate);
- again applying a vacuum, we proceed to metallization of the surface of the mirror, and you're done!
The "trick" to rotate the mold to obtain a parabolic surface also lends itself to another use: to create "liquid mirrors." There are many in the world, up to 6 meters in diameter and over: it is sufficient to maintain a rotation forma e versarci del mercurio.
Naturalmente questo tipo di specchio può essere disposto solo con l'asse di rotazione verticale; inoltre i problemi di sospensione e di attivazione della rotazione sono tutt'altro che semplici da risolvere: non ci devono essere vibrazioni né le minime variazioni di velocità, pena veder comparire delle onde o increspature sulla superficie. Cionondimeno, i costi di realizzazione di uno specchio liquido sono circa un decimo rispetto al costo di uno specchio solido, a parità di diametro. ▲
Prossimo capitolo: Etere Luminifero
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