Breve storia dell’ottica (astronomica) antica, ma non solo

Giorgio Abetti nella sua Storia dell’Astronomia del 1949 scrive:

“La storia dell’Astronomia si può ordinare in grandi periodi legati alla storia e alla civiltà dei diversi popoli della terra, essi possono prendere il nome di astronomia antica, medioevale e moderna, intendendo che fra le ultime due ha avuto luogo una fondamentale riforma dopo la quale l’astronomia moderna in circa quattro secoli ha fatto, fino al giorno d’oggi, enormi progressi quali, nei precedenti periodi, non si sarebbero mai potuti immaginare.”

L’astronomia antica può farsi risalire probabilmente a circa 4000 anni prima di Cristo, ad opera di popolazioni dell’Asia centrale, dalle quali si sarebbe poi diffusa, nel giro di un migliaio di anni, agli Egiziani e agli Indiani, per passare poi ai Babilonesi e agli Ebrei fino ad Alessandro Magno.

Solo con i Greci, però, si può dire che l’Astronomia acquisti le caratteristiche di una disciplina scientifica, grazie a personaggi come Talete, Anassimandro, Pitagora, Platone e Aristotele, per raggiungere il maggior fulgore nella Magna Grecia con Archimede e alla Scuola di Alessandria con Aristarco da Samo, Eratostene ed Ipparco, che può essere considerato il più grande astronomo dell’antichità, i cui lavori sono stati tramandati e completati da Tolomeo, tre secoli dopo. L’Almagesto, la famosa opera in tredici libri di Tolomeo, contiene praticamente tutte le conoscenze astronomiche sviluppatesi da Ipparco in poi arricchite soprattutto dai metodi matematici e geometrici usati da Tolomeo.

La Scuola di Atene di Raffaello Sanzio. L’uomo di spalle, con la corona, che regge un globo terracqueo in mano è Claudio Tolomeo

Secondo Schiaparelli il periodo dell’Astronomia antica si può considerare concluso intorno al 650 dopo Cristo.

L’Astronomia medievale copre il periodo che va dal 500 al 1500 dopo Cristo, con un praticamente nullo contributo dei romani e con un fondamentale apporto degli Arabi, ma fino a Copernico il contributo di tutti è sostanzialmente una ripetizione dell’Almagesto di Tolomeo.

Aspetti particolari della storia dell’Astronomia sono costituiti dalle ricche tradizioni assiro-babilonesi ed egiziane, da quelle di scarso livello, per motivi religiosi, degli Ebrei e dei Fenici, da quelle essenzialmente leggendarie di Indù e Cinesi e da quelle sorprendenti dei Maya e di altre popolazioni dell’America Centrale.

Con Copernico, considerato il continuatore della scuola greca, Tycho Brahe, Keplero, Galileo e Newton comincia la nuova era che può essere ritenuta a buon diritto quella della riforma dell’Astronomia.

Fino all’invenzione del cannocchiale di Galileo gli strumenti utilizzati per l’Astronomia furono essenzialmente le sfere armillari, l’astrolabio e il quadrante. Con questi strumenti, noti già ai Greci e perfezionati nel Medioevo soprattutto dagli Arabi, si misuravano la posizione delle stelle, le ore del levare e del tramontare del sole e delle stelle ed altre grandezze legate alla struttura del cielo, alcune determinanti per le osservazioni astrologiche.

Dopo Newton si può fissare l’inizio dell’era moderna, in cui, grazie agli sviluppi delle tecnologie osservative (cannocchiale, telescopio) e delle idee fondamentali della Fisica (legge di gravitazione universale) l’Astronomia muoverà passi da gigante nella conoscenza dell’Universo, che conosceranno un ulteriore fondamentale incremento con la scoperta dell’analisi spettrale (Kirchhoff, 1859), che ha permesso di avviare lo studio della costituzione chimica dei corpi celesti.

Il 24 agosto del 1609 Galileo scrisse una lettera al Doge Leonardo Donato presentando il cannocchiale che aveva realizzato perfezionando un “occhiale” realizzato in Olanda, che permetteva di vedere ingrandite le cose lontane come se fossero vicine. Si trattò dell’evento che diede il via al meraviglioso sviluppo dell’Astronomia, ma fu anche l’inizio del miglioramento tecnologico delle lenti, che avrebbe portato alla costruzione di strumenti ottici sempre più perfezionati, consentendo lo sviluppo altrettanto meraviglioso delle altre scienze, e al miglioramento degli occhiali, tanto importanti per risolvere i problemi della visione.

Fin dall’antichità filosofi e scienziati hanno cercato di rispondere alle domande: perché vediamo? come avviene il processo che ci mette in relazione con il mondo esterno attraverso i nostri occhi?

Nell’antica Grecia e negli ambienti culturali che gravitavano attorno ai suoi uomini di pensiero vennero elaborate alcune teorie, che oggi ci fanno sorridere ma che furono in auge, anche se con qualche aggiustamento, fino a quando, solo pochi secoli fa, non cominciarono a migliorare le conoscenze sulla natura della luce, sul suo modo di propagarsi nello spazio e nei mezzi materiali e sul funzionamento fisico-fisio-psicologico del sistema occhio-cervello. Le teorie principali furono tre, legate alle grandi scuole di pensiero dell’epoca: la teoria delle eidole, la teoria dei raggi visuali, la teoria platonica.

Teoria delle eidole – Dall’oggetto osservato si staccano delle immagini (eidole) che vanno verso l’occhio, rimpicciolendosi man mano in modo da poter entrare nella pupilla, portando alla psiche le informazioni sulla forma e i colori degli oggetti. Questa teoria nacque nell’ambito della scuola atomistica fondata da Leucippo (V secolo a.C.), che ebbe Democrito tra i suoi seguaci più illustri.

Teoria delle eidole

Teoria dei raggi visuali  – Dall’occhio partono dei raggi che vanno ad analizzare l’oggetto osservato e ritornano nell’occhio portando le informazioni raccolte. Questa teoria nacque nell’ambito della scuola fondata da Pitagora (V secolo a. C.).

Teoria dei raggi visuali

Teoria platonica – Dall’occhio e dall’oggetto partono due fluidi che incontrandosi danno luogo alla visione. Secondo Platone (427 a. C. – ca. 347 a. C.) dagli oggetti parte un fluido speciale, che egli chiama “fuoco”, che si incontra con la “mite luce del giorno” che parte dai nostri occhi. Solo se i due fluidi, incontrandosi, si “uniscono strettamente” si ha la sensazione visiva.

Teoria platonica

Contemporaneamente a quello della conoscenza dei meccanismi della visione altri problemi, senz’altro più gravi per la gente comune, richiedevano delle soluzioni: quelli posti dai difetti visivi, che si potevano acquisire dalla nascita o per l’avanzare dell’età, escludendo naturalmente la cecità.

Per la soluzione di questi problemi si sarebbe dovuto attendere quando negli ultimi secoli del primo millennio dopo Cristo, forse casualmente, qualcuno alle prese con la fabbricazione dei dischi di vetro che, collegati tra loro con un nastro di piombo, erano utilizzati nelle finestre, si accorse che attraverso alcuni di essi, abbastanza trasparenti, si potevano vedere ingranditi gli oggetti retrostanti. I dischi di vetro venivano prodotti prelevando con il cannello da soffiatore una massa di vetro fuso che veniva trasformata in disco ruotando energicamente il cannello. Lo spessore del disco era massimo al centro, per la connessione con il cannello, e diminuiva verso il bordo.

Era nata la lente!

Pare che la denominazione di lente derivi dal popolare lentecchia, che sta per lenticchia, legume che è proprio “a forma di lente”.

In realtà c’è da chiedersi come mai si sia atteso tanto per intravedere la soluzione, dal momento che già da tempo si conosceva la proprietà di ingrandimento dell’acqua e di sostanze trasparenti come il cristallo di rocca o varie pietre preziose. Basti pensare che nel I secolo dopo Cristo il filosofo Lucio Anneo Seneca scriveva:

“…le lettere, anche piccole e confuse, appaiono ingrandite e chiare attraverso un globo pieno di acqua.”

Comunque siano andate le cose si pensa che solo intorno al 1286 siano stati inventati gli occhiali per correggere con lenti convesse la presbiopia, che affligge le persone anziane, mentre si dovette aspettare ancora per quasi due secoli per poter correggere con lenti concave la miopia, che affligge anche i giovani.

Anche se qualcuno attribuisce erroneamente al fiorentino Salvino degli Armati l’invenzione degli occhiali, fino ad oggi è stato possibile solo definire che la data dell’invenzione deve essere posta intorno al 1286, non si può però non tener conto che il filosofo e scienziato inglese Ruggero Bacone (1214-1292) debba essere considerato quasi certamente come il primo ad aver scritto della possibilità di correggere con le lenti i difetti della visione:

“Se un uomo guarda le lettere o altre cose minute per mezzo di un cristallo o di un vetro o di altro perspicuo sovrapposto alle lettere, e sia minore della sfera la parte la cui convessità è rivolta verso l’occhio, e l’occhio sia in aria, vedrà le lettere molto meglio e gli appariranno maggiori … E perciò questo strumento è utile ai vecchi e a quelli che hanno la vista debole, perché essi possono vedere la lettera, per quanto piccola, di sufficiente grandezza.”

La storia degli occhiali è una storia molto tormentata, perché tormentata è la storia delle lenti, la cui fabbricazione avveniva levigando a mano dei pezzi di vetro di qualità molto scadente, per cui il loro uso, pur risolvendo in parte i problemi posti dai difetti visivi, era reso difficoltoso dalle aberrazioni, che distorcevano le immagini colorandone inoltre i bordi con tutti i colori dell’arcobaleno.

I primi occhiali erano costituiti da due lenti unite da una montatura inizialmente snodata e poi “a stringinaso”, di metallo, di cuoio o di osso. Gli occhiali, le cui due lenti difficilmente potevano avere esattamente le stesse caratteristiche, non erano prescritti da un medico dopo l’analisi della vista e non erano venduti da negozi specializzati, tutte cose di là da venire, ma venivano acquistati al mercato, scegliendo sulla bancarella del venditore di occhiali quelli che meglio si adattavano alla vista dell’acquirente.

Fino all’avvento del Rinascimento le lenti, per il fatto di fornire una visione distorta degli oggetti, furono per così dire “snobbate” dagli scienziati, che le consideravano “ingannevoli e fallaci”, anche se alcuni di essi dovettero adattarsi all’uso degli occhiali. Ecco cosa scrissero di esse due studiosi molto famosi:

Girolamo Fracastoro (1478-1553) “Le lenti per gli occhi sono fabbricate, alcune in modo da far apparire volti deformi, altri ironici, altri di aspetto più turpe; ce ne sono alcune che fanno apparire ogni cosa colorata, altre di un anello posto nel mezzo di un banco mostrano una dozzina di cerchi, così uguali che, se uno vuole individuare quello vero, si inganna, con grande divertimento dei presenti.”

Girolamo Cardano (1501-1576) “… gli specchi piani, concavi e convessi e le lenti rimandano immagini false.”

Ma era tanto l’entusiasmo dei “non scienziati” per uno strumento che, nonostante i suoi difetti, attenuava i problemi di una vista difettosa, che spesso gli artisti lo inserirono in situazioni storicamente o fisicamente impossibili. In un quadro del 1472 di M. Schongauer rappresentante la morte della Madonna uno dei discepoli usa un paio di occhiali, in un ritratto, dipinto nel 1518 da L. van Leyden, S. Girolamo porta gli occhiali pur essendo morto otto secoli prima della loro invenzione e in un quadro rinascimentale raffigurante la pesca dei coralli i pescatori si immergono portando sul naso gli occhiali a stringinaso, che sarebbero stati di nessun giovamento sott’acqua.

Death of the Virgin, M. Schongauer

Ci furono però anche studiosi che indagarono a fondo sul comportamento della luce attraverso le lenti, riconoscendone l’utilità per la correzione dei difetti visivi, gettando le basi per lo studio scientifico del loro funzionamento.

Di particolare importanza sono i contributi dati da Leonardo da Vinci, Francesco Maurolico, Giovan Battista Della Porta, Giovanni Kepler. Leonardo da Vinci (1452-1519) diede fondamentali contributi allo sviluppo dell’ottica e pare abbia fabbricato personalmente delle lenti, con l’intenzione di costruire degli occhiali “da vedere la luna grande”. Il benedettino Francesco Maurolico (1494-1575) si interessò in maniera molto approfondita delle lenti, sottolineandone l’importanza per correggere i difetti della vista. I suoi scritti sono forse i primi in cui vengano trattate le lenti divergenti:

“… i raggi visivi fatti passare attraverso un corpo trasparente convesso da ambedue le parti convergono presto in un piccolo spazio; così passando attraverso un corpo trasparente concavo da ambedue le parti divergono …”

Giovan Battista Della Porta (1535-1615), dalla personalità fantasiosa e sempre preoccupato di mettersi in mostra, fu il primo a tentare di costruire una teoria organica sulle lenti:

“La trattazione delle lenti è cosa difficile, meravigliosa, utile, piacevole, mai da alcuno finora tentata: è immenso il beneficio di coloro che sono quasi privi della vista e che, per mezzo delle lenti, allungano la vista a distanza grandissima, di tutto ciò non conoscendo la causa. Noi, essendoci procurata questa conoscenza, abbiamo raggiunto effetti così meravigliosi da poter distinguere anche cose minutissime portate a notevole distanza.”

Quando Galileo rese pubblica la descrizione del suo cannocchiale, Della Porta, in una lettera al presidente dell’Accademia dei Lincei Federico Cesi, lo accusò immediatamente di avergli rubato l’idea, prendendola da uno dei suoi libri.

La storia del cannocchiale è piuttosto tormentata, la sua invenzione non può essere attribuita interamente a Galileo, dal momento che le idee di uno strumento per vedere gli oggetti lontani sono databili fin dal XIII secolo (Ruggero Bacone) e alcuni suggerimenti per realizzarlo si trovano già a metà del Cinquecento in scritti di studiosi italiani (Giovan Battista Della Porta, fra Paolo Sarpi, Ettore Ausonio) e inglesi (John Dee, Thomas Digges, William Bourne).

Il primo cannocchiale presentato da Galileo al Senato Veneto nell’estate del 1609, con un potere di ingrandimento di 9 volte, era il miglioramento di un “occhiale” olandese, con solo tre ingrandimenti, che era pervenuto a Galileo l’anno precedente.

Galileo presenta al Doge e al Senato Veneto il suo cannocchiale. Affresco di Luigi Sabatelli.

D’altro canto pare che lo strumento olandese fosse in realtà una copia di uno inventato in Italia nel 1590 e poi arrivato in Francia. Contemporaneamente in Inghilterra Thomas Harriott utilizzava un cannocchiale da sei ingrandimenti.

Ma qual è allora l’importanza del ruolo svolto in tutta la storia da Galileo, che oltretutto non era neanche, per fortuna, uno studioso di ottica? Il “per fortuna” si deve agli storici della Scienza (per es. Vasco Ronchi), per i quali Galileo poté costruire e utilizzare il suo cannocchiale senza essere impedito dai preconcetti e dalle prevenzioni che erano propri di tutti gli studiosi di ottica del tempo. Preconcetti e prevenzioni che non avrebbero mai portato alla realizzazione dello strumento e, soprattutto, non avrebbero mai consentito di dare valore scientifico alle osservazioni fatte con esso.

Galileo affrontò quelli che erano i problemi centrali della costruzione dello strumento: la qualità del vetro e la fabbricazione di lenti con ridotte aberrazioni e sufficiente potere di ingrandimento. Galileo stimolò le vetrerie di Venezia e di Firenze a realizzare vetri migliori e curò personalmente la fabbricazione delle lenti, con l’aiuto anche del suo grande allievo Evangelista Torricelli. Alla fine del 1609 Galileo realizzò un cannocchiale con un potere di ingrandimento di 20 volte, che gli consentì di “allungare lo sguardo” ben al di là della Luna.

Era iniziata un’era di spettacolari progressi non solo nell’Astronomia ma in tutte le scienze.

Nel marzo 1610 Galileo pubblicò il Sidereus nuncius, che può essere considerato lo scritto fondante dell’Astronomia moderna. L’opera si apre con la descrizione dell’invenzione del cannocchiale, cui fanno seguito le prime scoperte meravigliose effettuate mediante il suo uso.

All’osservazione della superficie lunare e a quelle della costellazione di Orione e delle Pleiadi, fanno seguito quelle della Via Lattea e delle nebulose. Ma la più meravigliosa delle scoperte, fatta con l’ausilio dell’affascinante strumento, è quella dei quattro satelliti di Giove, quattro punti luminosi che Galileo chiamò “Pianeti Medicei”, in onore della famiglia di Cosimo II.

M24, la grande nube stellare immersa nella Via Lattea col suo contorno di nebulose ed ammassi stellari

La Luna attorno al primo quarto

La pubblicazione del Sidereus nuncius ebbe l’effetto di un grosso sasso lanciato in uno stagno (quello dell’Ottica) in quiete da 20 secoli. Nel giro di poche settimane circolarono tra le Corti, le Ambasciate e gli ambienti universitari di tutta Europa decine e decine di lettere, poche a favore di quanto scriveva Galileo e molte, anche con toni violenti e decisamente offensivi, contro le meraviglie che egli descriveva di aver visto attraverso il suo cannocchiale, qualificate come illusioni e inganni visivi causati da uno strumento che, molti dicevano, era stato da lui copiato da altri costruiti in precedenza. Un fatto sorprendente considerando il tempo che occorreva all’epoca perché quelle lettere, spesso addirittura stampate in più esemplari, viaggiassero non solo tra Venezia, Firenze, Roma, Padova, Perugia, Pisa e Napoli, ma anche tra Italia, Francia, Germania, Polonia, Paesi Bassi e Inghilterra.

Questo esemplare è uno degli unici due cannocchiali esistenti certamente di Galileo. Rivestito in pelle con dorature impresse a caldo, lo strumento fu donato a Cosimo II subito dopo la pubblicazione del Sidereus Nuncius (19 marzo 1610). Vetro, legno, pelle; lunghezza 92 cm, diametro 6 cm
Firenze, Istituto e Museo di Storia della Scienza

Per conoscere in maniera avvincente e dettagliata il “polverone” suscitato da Galileo negli ambienti scientifici e filosofici dell’epoca si può leggere il bel libro di Vasco Ronchi “Galileo e il suo cannocchiale” (Einaudi, 1964).

Il vero contributo allo sviluppo dell’ottica moderna dato da Galileo con il suo cannocchiale è stato l’aver affermato e provato che quanto si vedeva attraverso di esso era reale, spazzando così via tutti i preconcetti e le prevenzioni sull’uso delle lenti, che costituivano la caratteristica saliente dell’ottica che si era consolidata fino ad allora.

Con il cannocchiale di Galileo si apre l’era dell’uso delle tecnologie ottiche per la costruzione di strumenti per uso scientifico.

L’Astronomia compie un balzo in avanti, che verrà potenziato ulteriormente dal telescopio di Newton, ma sono anche le Scienze Naturali e le Scienze Mediche ad imboccare, con la costruzione del microscopio, una strada che le porterà nel giro di due secoli agli sviluppi che conosciamo.

Giovanni Keplero (1571-1630), oltre che astronomo, fu uno studioso profondo di ottica, i cui contributi allo sviluppo di questa scienza sono ancora validi oggi. Partecipò in modo determinante al dibattito sulle scoperte di Galileo e sull’uso del suo cannocchiale, in modo critico all’inizio ma sviluppando la teoria scientifica dello strumento decretando alla fine la piena vittoria del Fiorentino sulle idee del passato. A lui si deve la denominazione di “fuoco”, per il punto in cui converge un fascio di raggi paralleli che attraversi una sfera di vetro, e lo studio della combinazione di più lenti, che lo portò a ideare un cannocchiale che, a differenza di quello di Galileo, fornisce immagini rovesciate.

Il cannocchiale di Keplero pare sia stato costruito da Christoph Scheiner nel 1630, ma la priorità della sua costruzione fu rivendicata dal napoletano Francesco Fontana (1580 ca.-1656), che affermò di esser giunto alla sua realizzazione nel 1608. Ma le sue considerazioni sono contenute in uno scritto apparso solo nel 1645, un po’ tardi per avvalorare il diritto di priorità!

I cannocchiali costruiti da Galileo rimasero i migliori per i venti anni successivi alla pubblicazione del Sidereus Nuncius. La qualità venne rapidamente migliorando raggiungendo livelli molto elevati ad opera del già citato Francesco Fontana, i cui cannocchiali pare suscitassero la gelosia di Torricelli, che aveva ricevuto direttamente dal suo maestro i consigli per la lavorazione delle lenti, che gli avevano consentito di costruire ottimi strumenti. Iniziarono rapidamente a migliorare le tecniche di fabbricazione delle lenti, utilizzando macchine sempre più raffinate e vetro sempre più omogeneo ed esente da bolle d’aria.

Gli occhiali furono senz’altro i primi strumenti a beneficiare di questa rivoluzione tecnologica, che già nella seconda metà del Settecento vedrà l’invenzione degli occhiali bifocali ad opera di Beniamino Franklin (1706 – 1790), uomo politico e scienziato di grande fama. Si dovrà aspettare, però, fino alla metà dell’Ottocento perché la medicina oculistica diventi pienamente l’unico mezzo per determinarne l’uso scientificamente corretto. L’ultimo “grido” in fatto di lenti saranno le lenti a contatto, realizzate nel Novecento.

Ai cannocchiali di Galileo e di Keplero, utilizzati in una grande varietà di strumenti ottici, si aggiunse un secolo dopo il telescopio di Newton, spalancando all’Uomo una finestra sull’Universo che si sarebbe rapidamente ampliata, arrivando in 300 anni a portare il punto di osservazione fuori dalla Terra con i telescopi spaziali.

Telescopio in configurazione Newton utilizzato principalmente per ricerche fotometriche

Il telescopio spaziale Hubble

Insieme alla possibilità di lanciare lo sguardo molto lontano cominciò a svilupparsi contemporaneamente anche quella di dirigerlo verso oggetti tanto piccoli da dover essere avvicinati a distanze “impossibili” per l’occhio. Si deve forse allo stesso Galileo la costruzione di un “occhialino” per vedere ingrandite le cose piccole, ma si ritiene che i primi efficaci “microscopi semplici”, costituiti cioè da una sola lente, siano stati costruiti da Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723).

A differenza di cannocchiali e telescopi, che ebbero un perfezionamento a partire dal Settecento, il microscopio dovette attendere fino all’inizio dell’Ottocento per veder migliorate le sue prestazioni, ma da quel momento il miglioramento fu vertiginoso, fino ad arrivare, nel secolo successivo all’invenzione del microscopio elettronico, che invece della luce utilizza fasci di elettroni, e del microscopio a forza atomica che permette di localizzare le molecole e gli atomi.

Sezione longitudinale di un apice vegetativo in falsi colori ripresa al microscopio ottico. L’apice appuntito mostra numerose cellule in attiva divisione. Le strutture a mezzaluna sono abbozzi fogliari. I due nuclei tondi ai lati al centro sono primordi di gemme ascellari.

Non si può parlare di sviluppo tecnologico dell’ottica senza considerare un altro strumento di fondamentale importanza anche dal punto di vista sociale: la macchina fotografica.

La si può considerare la pronipote della camera oscura, una stanza buia con un piccolo foro in una parete attraverso il quale la luce va a formare, sulla parete opposta, un’immagine capovolta del paesaggio esterno, che può essere trasferita col disegno su un foglio di carta. Il fenomeno pare fosse noto fin dai tempi di Aristotele, che doveva aver capito che le macchie luminose che si vedono a terra sotto un albero sono le immagini del sole, formate dalla luce che filtra attraverso gli interstizi tra le foglie.

Lo studio della camera oscura da parte di scienziati arabi ed europei condusse alla realizzazione anche di strumenti portatili, il cui funzionamento fu migliorato inserendo nel foro una lente convessa. Nella prima metà dell’Ottocento l’immagine fu fissata su un supporto mediante un processo chimico (dagherrotipia) e nella seconda metà vennero costruiti i primi apparecchi con pellicola, che diventarono rapidamente le macchine fotografiche che conosciamo. La sostituzione della pellicola con supporti informatici per la registrazione dell’immagine ha aperto la recentissima era della fotografia digitale.

Livio Ruggiero – 2014

Per saperne di più:

• G. Abetti, Storia dell’Astronomia, Vallecchi 1949
• V. Ronchi, Galileo e il suo cannocchiale, Boringhieri 1964
• V. Ronchi, Storia della Luce. Da Euclide a Einstein, Laterza 1983
• C. Abati, E. Borchi, A. de Cola, Storia dell’Ottica per immagini, Fabiano Editore 1997