Maggio 1801: Young e la natura della luce

Il dibattito se la luce sia un'onda o una particella risale a molti secoli. Nel 17° secolo, Isaac Newton credeva che la luce fosse composta da un flusso di corpuscoli. A quel tempo, pochi scienziati, fra i quali il fisico e astronomo olandese Christiaan Huygens, pensavano che la luce fosse un'onda di vibrazione in una sorta di etere.

Non c'era prova per nessuna delle due ipotesi. Per esempio, il suono, riconosciuto in seguito come un'onda, può viaggiare attraverso i tubi storti e dietro gli angoli, mentre la luce non può, e questo fatto era considerato come una prova a favore della teoria corpuscolare della luce.

Ma fenomeni come la rifrazione erano difficili da spiegare con la teoria corpuscolare. Newton ha dovuto invocare una forza inspiegabile che cambiava la velocità della luce nell'acqua. Newton fu anche incuriosito e perplesso dalle frange colorate nelle bolle di sapone, ma rimase convinto della teoria corpuscolare nonostante le sue difficoltà a spiegare alcuni fenomeni.

Newton fu così grandemente venerato come scienziato che era quasi impossibile per chiunque contestare la sua teoria. Nel 1801 Thomas Young presentò un'importante sfida per le idee di Newton sulla natura della luce.

Young era un vero erudito, con interessi che spaziavano dalla fisica alla egittologia. Nacque nel 1773 a Milverton, nel sud-ovest dell'Inghilterra, in una grande famiglia quacchera. Era un bambino prodigio, impararò a leggere a due anni, e imparò da autodidatta il latino all'età di sei anni.

Iniziò a studiare medicina nel 1792, ed fu eletto alla Royal Society nel 1794. Nel 1801 Young fu nominato per una docenza presso il Royal Institution di recente formazione a Londra, dove tenne una serie di lezioni su una varietà di argomenti.

Come parte dei suoi studi di medicina, Young aveva sezionato un occhio di bue, al fine di capire come l'occhio si concentra su oggetti a distanze diverse. Propose anche una teoria sulla visione dei colori. Inoltre, era affascinato dalle lingue, e completò una tesi sulla voce umana in cui formulò un alfabeto con 47 lettere che coprivano tutti i suoni umani. I suoi studi sull'occhio e sull'orecchio lo portarono naturalmente a interessarsi al suono e alla luce.

Young aveva letto l'Opticks di Newton nel 1790 all'età di 17 anni, e aveva ammirato il lavoro di Newton. Nel 1800 Young  notò alcuni problemi con la teoria corpuscolare di Newton. Per esempio, nelle interfacce come quella tra l'aria e l'acqua, un po' di luce viene riflessa e parte si rifrange, ma la teoria corpuscolare non permette di spiegare perché ciò accade. La teoria corpuscolare inoltre ha difficoltà a spiegare perché diversi colori della luce si rifrangono in misura diversa, osservò Young.

Era noto che il suono fosse un'onda di compressione nell'aria; Young pensò che per la luce potesse valere una cosa simile. Notò che quando due onde di suono trasversale, interferiscono una con l'altra, producono battimenti. Young pensò che anche per la luce potessero esservi fenomeni di interferenza.

Nel maggio del 1801, meditando su alcuni esperimenti di Newton, Young si avvicinò all'idea di base per l'ormai famoso esperimento della doppia fenditura per dimostrare l'interferenza delle onde luminose. La manifestazione avrebbe fornito prove concrete che la luce fosse un'onda, non una particella.

Nella prima versione dell'esperimento, Young in realtà non ha utilizzato due fessure, ma piuttosto una singola carta sottile. Coprì una finestra con un pezzo di carta con un piccolo buco. Un sottile fascio di luce passava attraverso il foro. Tenne la carta nel fascio di luce, dividendo il fascio in due. La luce che passa da un lato della carta interferiva con luce dall'altro lato della carta creando figure di interferenza, che Young osservava sulla parete opposta.

Young usò i suoi dati per calcolare le lunghezze d'onda della luce di colori differenti, sfiorando i valori attuali.

Nel novembre 1801 presentò il suo articolo, dal titolo "Sulla teoria della luce e del colore" alla Royal Society. In quella conferenza, descrisse l'interferenza delle onde luminose. Presentò una analogia con le onde sonore e le onde di acqua, e  mostrò modelli di interferenza in acqua.

Nonostante il convincente esperimento di Young, la gente non voleva credere che Newton si fosse sbagliato. "Per quanto io veneri il nome di Newton, non sono pertanto obbligato a credere che fosse infallibile," scrisse Young in risposta ad un critico. Deluso per la risposta alla sua ricerca sulla luce, Young decise di concentrarsi sulla medicina, anche se non fu mai un grande successo come medico. Fece qualche ulteriore lavoro in fisica, e nel 1807, pubblicò alcune delle sue conferenze, tra cui la versione con la doppia fenditura dell'esperimento di interferenza.

Prima di morire nel maggio del 1829, contribui a decifrare la stele di Rosetta, e scrisse molti articoli per l'Enciclopedia Britannica su un'incredibile gamma di argomenti.

La configurazione di base dell'esperimento della doppia fenditura di Young è stato utilizzato non solo per dimostrare che la luce si comporta come un'onda, ma anche per dimostrare che gli elettroni possono comportarsi come onde e creare schemi di interferenza. Con lo sviluppo della meccanica quantistica, i fisici sanno che la luce è sia una particella che un'onda, non semplicemente l'una o l'altra.