Il libro intitolato Physico-Mathesis de Lumine, Coloribus et Iride fu pubblicato due anni dopo la morte del suo autore, un gesuita di Bologna, Francisco Maria Grimaldo noto come Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) [1]. Egli descrisse degli esperimenti che aveva escogitato e realizzato per studiare la natura della luce. All’interno di un cono di luce, Grimaldi inserì ostacoli opachi (oggetti di forma rettangolare, fili sottili, pezzi di stoffa, ecc), oppure una lastra sottile su cui erano stati fatti due piccoli fori ed osservò gli effetti su uno schermo finale bianco.

Grimaldi era convinto che la luce consistesse di un fascio di particelle. Queste passando ai lati di un ostacolo opaco producevano, su uno schermo bianco, un sistema di linee chiare e scure. Grimaldi non sapendo come spiegare l’effetto osservato concluse: “Lumen propagatur seu deffunditur non solum Directe, Refracte, ac Reflexe, sed etiam alio quodam Quarto modo, DIFFRACTE” ([1], Propositio I), vale a dire, la luce non solo si propaga lungo linee rette, è riflessa, è rifratta, ma è anche diffratta. Secondo Grimaldi, il fascio compatto di particelle che costituisce la luce, passando vicino ad un ostacolo, subisce il “fenomeno di diffrazione”, vale a dire, il fasci luminoso si rompe e si propaga anche dietro l’ostacolo. Questi effetti, mai osservati in precedenza, furono giustificati paragonando il comportamento della luce con quello dell’acqua. Per questa ragione Grimaldi avanzò l’ipotesi in via cautelativa scrivendo che la luce almeno qualche volta si comporta come un onda,”..saltem aliquando etiam undulatim..” ([1], Propositio II).

Circa 150 dopo, Thomas Young adottò e migliorò gli stessi esperimenti escogitati da “..the ingenious and accurate Grimaldi…” [2]. In particolare, le frange chiare e scure, osservate dietro un ostacolo opaco (un sottilissimo cartoncino), furono interpretate da Young come il risultato della sovrapposizione delle due porzioni di onde luminose passanti vicino ai bordi dell’ostacolo stesso. Contrariamente a quanto si legge diffusamente, questo fu il primo esperimento che evidenziava il comportamento ondulatorio della luce. Ecco come Young commentava i suoi risiltati sperimentali:”…These fringes are also the joint effect of the light which is inflected directly toward the shadow, from each of the outlines of the object From the experimental results….we may be allowed to infer, that a homogeneous pencil of light is possessed of opposite qualities, capable of neutralizing or destroying each other, and of extinguishing light where they happen to be united…. The advocates of the projectile hypothesis of light must consider that...I have advanced in this Paper no general hypothesis whatever. But, since we know that sound diverges in concentric surfaces, and that musical sounds consist of opposite qualities, capable of neutralizing each other, and succeeding at certain equal intervals, which are different according to the difference of the note, we are fully authorized to conclude, that there must be some strong resemblance between the nature of sound and that of light” [2].

Successivamente, Young fece osservazioni sugli effetti prodotti dalla luce che aveva attraversato due fenditure circolari. Anche questo esperimento era stato ideato da Grimaldi. Sulla base del successo di Young circa l’interpretazione delle frange di interferenza, l’esperimento del doppio foro divenne l’archetipo degli interferometri e denominato interferometro di Young. Pochi anni dopo Augustine Fresnel, “il maggior architetto” della teoria ondulatoria della luce, descrisse teoricamente i fenomeni di diffrazione ed interferenza osservati nell’ombra geometrica di un sottile filo.

I sostenitori dell’interpretazione corpuscolare della luce ricevevano un duro colpo. Tuttavia, tale interpretazione riapparve sulla scena ad opera di Einstein con il concetto di fotone e da allora è diventato uno standard, benché discutibile, trattare il comportamento della luce in termini di dualismo onda-corpuscolo.

Un dibattito simile ma meno controverso si verificò a seguito della rivoluzionaria ipotesi di Louis de Broglie circa le onde materiali [1924]. L’idea essenziale fu quella di descrivere il moto di una particella materiale di momento lineare p con la propagazione di un’onda di lunghezza d’onda λ=h/p, dove h è la costante di Planck. Come è noto, gli esperimenti di Davisson e Germer e indipendentemente quelli di Thomson, dimostrarono la validità dell’intuizione di de Broglie circa il comportamento ondulatorio degli elettroni. Il dualismo onda-corpuscolo è stato ulteriormente verificato da esperimenti realizzati con protoni, neutroni. e molecole. L’invenzione del microscopio elettronico da parte di Ernst Ruska (Premio Nobel 1986) ha permesso di realizzare, con elettroni, gli esperimenti decisivi che concorsero all’affermazione della teoria ondulatoria della luce. Questi esperimenti fatti con microscopi elettronici commerciali, senza ricorrere a dispositivi interferometrici sofisticati, possono essere mostrati direttamente agli studenti.

[1] Grimaldo F M 1665 Physico-Mathesis De Lumine Coloribus Et Iride (Bononiae: Ex Typographia Haeredi Victorij Benatij)

[2] Young T 1804 The Bakerian lecture. Experiments and calculations relative to physical optics Philosophical Transactions of the Royal Society of London 94 1-16