La duplice natura della luce: onde e corpuscoli... ed una nota aggiunta sul vaccino anti vaioloso

L’ipotesi sulla natura ondulatoria delle radiazioni luminose, già avanzata da Huyghens e Hooke nel ‘600 in alternativa alla teoria corpuscolare di Newton (vedi N. 47), fu confermata all’inizio dell’800 dall’esperienza della doppia fenditura, condotta dal medico e fisico inglese Thomas Young (1733-1829).

Young fu uno scienziato ecclettico: esercitò la medicina a Londra ed ad Edimburgo tra il 1792 ed il 1794; fu insegnante di fisica nell’Università tedesca di Gottinga nel 1796; fu membro della Royal Society e poi anche dell’Accademia di Francia; si interessò della luce e della meccanica dei solidi, ma anche di egittologia, polemizzando anche con il celebre ricercatore francese Champollion sull’interpretazione dei geroglifici; lasciò infine l’insegnamento per dedicarsi definitivamente alla medicina come medico negli ospedali.

Nel 1801  Young realizzò il noto esperimento consistente nel far passare un fascio di luce attraverso due strette fenditure parallele realizzate in uno schermo. Su un secondo schermo successivo privo di fenditure non si notavano due linee luminose nette corrispondenti alle due fenditure, ma una serie di linee luminose inframmezzate da zone in ombra costituenti una classica “figura di interferenza”. La presenza di questa figura poteva solo spiegarsi ipotizzando che dalle due fenditure emergessero due onde luminose distinte che poi interferivano tra di loro. Ciò dimostrava la natura ondulatoria della luce. All’inizio del ‘900 l’esperienza è stata ripetuta nell’ambito della fisica quantistica con un fascio di elettroni, dimostrando  che le particelle subatomiche si comportano anche come onde (ipotesi di De Broglie).

Young è noto in fisica per aver determinato il “Modulo di Young” , ben noto a tutti gli studenti di fisica ed ingegneria, che identifica le capacità elastiche di ogni singolo materiale. Il fisico inglese studiò anche i fenomeni connessi con la tensione superficiale dei fluidi, che tende ad attirare le molecole superficiali verso l’interno del fluido, ed i fenomeni di adesione alle pareti dei contenitori che fanno sì che la superficie di ogni fluido formi sempre uno stesso angolo con la parete del contenitore secondo l’equazione nota come equazione di Young-Laplace, dal nome dei due scienziati che l’hanno studiata.

In campo medico Young si interessò della fisiologia dell’occhio, dell’astigmatismo, e del tricromatismo (rosso-verde-violetto) tipico dei nervi sensori.

La teoria ondulatoria della luce trovò una rigorosa sistemazione matematica grazie all’opera del fisico-matematico francese Augustin-Jean Fresnel (1788-1827 ), un altro rappresentante di quella brillante generazione di fisici francesi dell’inizio ‘800 che ebbe in Laplace il più noto rappresentante. Fresnel fu ingegnere presso l’Ecole Polytechnique e dimostrò con rigorosi calcoli matematici (cui fu dato il nome di “integrali di Fresnel”) tutti i fenomeni tipici dell’ottica geometrica.

Durante la presentazione delle sue equazioni presso l’Ecole Polytechnique (1819), le tesi di Fresnel furono contestate da uno dei professori del Politecnico, Poisson, sostenitore della teoria corpuscolare di Newton, che osservò che, sulla base delle equazioni di Fresnel, se si fosse interposto un disco su un fascio di luce, su uno schermo successivo si sarebbe dovuto (paradossalmente) vedere – in corrispondenza del disco - un cerchio illuminato. Fu quindi organizzato un esperimento “ad hoc” che dimostrò la validità delle equazioni di Fresnel e quindi la validità della tesi sulla natura ondulatoria della luce.

Simeon-Denis Poisson (1781-1840) era un altro dei valenti fisico-matematici della generazione di Laplace. Si interessò di statistica; ed infatti in questo campo è famosa la “distribuzione di Poisson”che è una distribuzione limite della distribuzione già studiata da Pascal e della distribuzione binomiale. In matematica operò un’estensione dell’equazione a derivate parziali già studiata da Laplace ed adoperata in elettrostatica, termotecnica e meccanica. Scoprì la costanza del potenziale elettrico sulla superfice dei conduttori e fu anche astronomo valente.

Come già sottolineato in un precedente articolo  dedicato al grande dibattito sulla natura della luce, la conclusione che la luce aveva una natura ondulatoria non pose fine al dibattito, in quanto l’ipotesi sulla natura corpuscolare della luce e delle altre radiazioni elettromagnetiche tornerà in auge con gli studi sull’effetto fotoelettrico di Einstein all’inizio del ‘900 e con l’ipotesi di De Broglie che tutta la materia abbia una doppia natura corpuscolare e radiativa-ondulatoria.

Infine, per concludere il discorso sulla grande stagione della scienza francese, inglese, ed italiana, tra la fine del ‘700 e l’inizio dell’800, ricordiamo la figura del medico inglese Edward Jenner (1749-1823), inventore del vaccino antivaioloso. Questa tecnica (peraltro parzialmente nota già nell’antichità ed in Cina) consiste nell’inoculare siero proveniente da vacche ammalate di vaiolo “vaccino” per sviluppare difese organiche contro il molto più pericoloso vaiolo umano.

Dopo che Jenner ebbe pubblicato nel 1798 la sua “Inchiesta sulle cause ed effetti del vaiolo vaccino”, la tecnica di inoculazione fu diffusa rapidamente in Inghilterra ed Europa. Napoleone la rese obbligatoria per i soldati delle sue armate. I risultati furono stupefacenti. In pochi anni nella sola Inghilterra, dove in precedenza i casi segnalati erano circa 200.000 in 10 anni (con indici di mortalità superiori al 30%) , i casi si ridussero a 180 in un anno.

Oggi il vaiolo, malattia che ha tormentato per secoli l’umanità, è completamente debellato, ed altri “vaccini”, di cui parleremo nei prossimi numeri, sono serviti a debellare altre malattie endemiche come poliomelite e difterite. Viste le recenti polemiche sui vaccini, sarà necessaria su questo argomento una discussione approfondita.

Vincenzo Brandi