Usare la luce per ‘misurare’ la materia
Rifrattometria e goniometria; strumenti di precisione tra mineralogia, miniere e industria nell’Ottocento
1. Lo strumento: un particolare goniometro a riflessione Lingke/Hildebrand
Figura 1: Goniometro a riflessione per analisi spettrali (spettrogoniometro). Hildebrand früher August Lingke & Co. Freiberg in Sachsony 1892. Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale, Università di Pisa.
Le collezioni di strumenti scientifici dell’Università di Pisa sono molto estese e contano all’interno del Sistema Museale d’Ateneo diverse centinaia di oggetti. Il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale aggiunge a questo patrimonio circa un centinaio di strumenti che coprono un periodo di tempo che va dal 1890 al passato più recente. Abbiamo visto come il Rifrattometro Universale di Carl Pulfrich si inserisca nella collezione del dipartimento e quali innovazioni abbia portato al momento della sua invenzione [1]. In questa occasione vogliamo dedicare la nostra attenzione ad un altro strumento: si tratta di uno tipo particolare di goniometro a riflessione (Figura 1): uno spettrogoniometro, ossia uno spettroscopio montato su un apparato che permette di effettuare spostamenti angolari noti, e quindi di andare a misurare angoli di interesse con estrema precisione. Questo strumento in particolare si basa sul modello (Figura 2) che Eilhard Mitscherlich (1794-1863) aveva elaborato per i suoi studi che portarono alla scoperta del fenomeno dell’isomorfismo cristallografico nel 1819 [2].
Figura 2: Esempio di un goniometro a riflessione del modello Mitscherlich prodotto dalla ditta Fuess di Berlino, (Räcknitz, Dresden, Germania).
Eilhard aveva apportato delle modifiche, in particolare l’aggiunta di una scala a nonio circolare, al goniometro a riflessione inventato dal chimico inglese William Hyde Wollaston (1766-1828) nel 1809 (Figura 3) [3].
Figura 3: Il goniometro a riflessione come pensato da Wollaston. Thomas, D.
An Elementary Course of Geology, Mineralogy, and Physical Geography,
John Van Voorst, 1856, London. p. 160. British Library HMNTS 7107.b.4.
Sullo strumento in Figura 1 è possibile vedere la firma della ditta costruttrice che riporta: “Hildebrand früher August Lingke & Co. Freiberg in Sachsony 1892”. La famiglia Lingke, famiglia patrizia presente a Freiberg dal XVI secolo, aveva iniziato a dedicarsi alla costruzione di strumenti matematici e di misura con Wilhelm Friedrich Lingke (1784-1867), il quale diventò poi il proprietario della ditta che prenderà il suo nome, fondata nel 1791 dal suo maestro Studer [4]. Il figlio di Wilhelm Friedrich Lingke fece pratica nelle officine del padre, studiando contemporaneamente mineralogia presso l’Università di Freiberg e fu lui a guidare la ditta tra il 1859 e il 1873, anno in cui fu ceduta a Max Hildebrand (1839-1910) [5], genio della meccanica, ideatore di vari strumenti per il rilievo topografico, ed esploratore [6]. Il nome della ditta come riportato sullo strumento presente nella collezione del Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa (Figura 4) è stato adottato nel 1889.
Figura 4: Spettrogoniometro Hildebrand früher August Lingke & Co. Freiberg 1892.
Fase di raccolta fotografica dello strumento, con e senza teca, e verifica dello stato di conservazione.
Lo spettroscopio è uno strumento che consente la semplice osservazione dello spettro della radiazione incidente, con le relative rilevazioni metriche delle lunghezze d'onda. Questo tipo di strumento veniva usato spesso in mineralogia e in ottica per la misura degli angoli dei cristalli. Lo strumento infatti permette di misurare l'angolo diedro tra le pareti di un cristallo.
Usando il metodo dell'angolo di minima deviazione lo strumento permette anche la misura dell'indice di rifrazione del vetro di cui è fatto il prisma, e nonché misure di tipo spettroscopico. Lo spettrometro è di ottone laccato (lacca storica a base di resine terpeniche, coloranti naturali disciolti in alcool etilico) ad eccezione del pesante treppiede che è di ghisa verniciata in nero. Lo strumento è costituito da diversi elementi (Figura 5): A) un collimatore fissato al treppiede; B) un disco circolare sul cui bordo argentato è incisa una scala divisa in gradi e quarti di grado, girevole intorno ad un asse verticale, passante per il suo centro, al quale il cristallo può venire fissato; C) una piattaforma porta prismi girevole attorno all'asse dello strumento indipendentemente o solidalmente col disco circolare graduato; D) un cannocchiale, girevole intorno all'asse, al quale può venire bloccato; E) una doppia alidada, solidale col supporto del cannocchiale, costituita da due indici con nonio e oculare per la lettura, i cui lembi scorrono, da parti diametralmente opposte, sul bordo del disco graduato.
Figura 5: Rappresentazione schematica dello spettrogoniometro.
Una volta che il cannocchiale (o il disco graduato) è stato bloccato all'asse dello strumento, prima di effettuare la lettura sui due noni, per migliorare la precisione delle misure, è necessario aggiustare il puntamento mediante un'apposita vite micrometrica. La combinazione delle letture fatte sui due noni (F), essendo questi diametralmente opposti, elimina l'eventuale errore di eccentricità dell'alidada. Il collimatore è costituito da una fenditura verticale, munita di vite di regolazione, posta nel piano focale anteriore di una lente convergente collimatrice. Illuminando la fenditura con una sorgente posta lungo l'asse del collimatore, la lente collimatrice genera un fascio di luce parallelo che l'obiettivo del cannocchiale fa convergere nel proprio piano focale posteriore producendo un'immagine della fenditura che l'oculare, accomodato su quel piano, consente di osservare. La piattaforma è costituita da due dischi sovrapposti e può essere fissata all'asse dello strumento: uno dei due dischi poggia sull'altro mediante due viti salienti e un perno con molla, fra loro equidistanti, che consentono di disporlo perpendicolare all'asse dello strumento.
Ad un primo impatto, dopo aver preso nota delle qualità tecniche di uno strumento scientifico storico come può essere il nostro goniometro a riflessione, può sembrare che questo oggetto non abbia molto altro da raccontare: una struttura di metallo, lenti, viti micrometriche, scale graduate, snodi e superfici lucidate. L’apparecchio sembra appartenere a un mondo tecnico distante, fatto di manipolazioni spesso complesse per ottenere dati non sempre affidabili, letture lente e regolazioni minute. Eppure, proprio in questa sua complessità materiale, lo strumento conserva una storia molto più ampia: quella di un’epoca in cui osservare non bastava più, e la conoscenza scientifica richiedeva di misurare, confrontare, classificare.
Negli ultimi decenni la storia della scienza ha imparato a guardare agli strumenti non come semplici accessori delle scoperte, ma come vere e proprie fonti storiche [7]. Un apparecchio scientifico non documenta soltanto una tecnica di misura: racconta chi lo ha costruito, per quali utenti, con quali materiali, per quali esigenze scientifiche, didattiche, industriali o commerciali [8]. Le guide alla ricerca sugli strumenti scientifici insistono proprio su questo punto: un oggetto di laboratorio può essere studiato come fonte primaria, al pari di un manoscritto, di un catalogo o di una pubblicazione scientifica. Questo approccio è particolarmente utile per gli strumenti ottici dell’Ottocento. In quel secolo, infatti, la cultura materiale della scienza subisce una trasformazione profonda. La produzione di apparecchi di precisione si specializza, si articola in officine, cataloghi, reti commerciali e rapporti sempre più stretti tra costruttori, laboratori e industrie [9]. Una sintesi recente sulla nascita dell’industria della precisione sottolinea come nel XIX secolo gli strumenti scientifici diventino protagonisti di un nuovo equilibrio tra saperi artigianali, esigenze sperimentali e produzione seriale o semi-seriale.
In questo contesto, le potenzialità della luce assumono un ruolo nuovo. Non è più soltanto ciò che rende visibile un oggetto lontano, come nel telescopio, o minuscolo, come nel microscopio. Diventa essa stessa un mezzo di indagine. Attraverso fenomeni come riflessione, rifrazione e polarizzazione, la luce permette di tradurre alcune proprietà della materia in dati leggibili: un angolo, un indice, una posizione su una scala graduata. Lo strumento ottico non amplia soltanto la vista: disciplina lo sguardo, lo rende ripetibile, lo trasforma in misura. Il goniometro a riflessione, sintesi tra la goniometria e la rifrazione, si colloca esattamente in questo passaggio. Da un lato misura angoli, richiamando la tradizione cristallografica e la necessità di riconoscere nei cristalli una geometria regolare. Dall’altro osserva il comportamento della luce quando attraversa o incontra una sostanza, aprendo la strada a una lettura ottica della materia. È dunque un oggetto di confine: tra meccanica e ottica, tra laboratorio e miniera, tra ricerca scientifica e controllo merceologico, di quelle grandi ricchezze che non erano ancora del tutto comprese nei bacini minerari. Anche la storiografia più recente sulla “precisione” invita però a non considerare questi strumenti come semplici macchine perfette, capaci di produrre automaticamente dati oggettivi. La precisione non è tanto una proprietà quantificabile, è una pratica: dipende dalla qualità della costruzione, dalla taratura, dall’abilità dell’operatore, dall’ambiente in cui lo strumento viene usato e dalle convenzioni condivise da una comunità scientifica o tecnica [10]. Un articolo del 2024 sulla storia della precisione sottolinea proprio la necessità di interrogare criticamente l’idea stessa di “misura precisa”, mostrando come essa sia sempre il risultato di strumenti, pratiche, promesse tecniche e contesti d’uso.
Per questo, partire da uno strumento come quello di Lingke e Hildebrand/Hildebrandt significa aprire molte storie contemporaneamente. C’è la storia dell’ottica, che tra Settecento e Ottocento si allontana progressivamente dalla sola osservazione visuale per diventare tecnologia quantitativa. C’è la storia della mineralogia, che cerca nei cristalli forme regolari e proprietà misurabili. C’è la storia delle miniere e dei distretti industriali, dove riconoscere materiali e misurare con accuratezza poteva avere conseguenze economiche concrete. E c’è infine la storia dei costruttori di strumenti, figure spesso meno note degli scienziati, ma indispensabili perché le idee potessero trasformarsi in pratiche operative. Lo strumento, quindi, non è soltanto il punto di partenza dell’articolo: è il suo protagonista materiale. Nelle sue lenti e nei suoi cerchi graduati si incontrano luce e materia, scienza e industria, università e officina. È un oggetto che permette di raccontare un momento decisivo della modernità scientifica: quello in cui la luce non serve più soltanto a vedere il mondo, ma diventa uno dei modi più efficaci per misurarlo.
2. L’Ottocento e la cultura della precisione
Nel corso dell’Ottocento la scienza europea attraversa una trasformazione profonda: l’osservazione, pur rimanendo fondamentale, viene sempre più affiancata da pratiche di misura, standardizzazione e confronto numerico. Possiamo dire che la trasformazione che era iniziata nella seconda metà del XVII secolo arriva a compimento. Un colore, una forma, una lucentezza o una direzione apparente non bastano più se non possono essere tradotti in dati: un angolo, una lunghezza, un indice, una temperatura, una deviazione, una posizione su una scala graduata. Questa trasformazione non riguarda soltanto la fisica sperimentale, ma si estende a tutte le branche della filosofia naturale che sono andate a guadagnare una dignità propria: astronomia, geodesia, topografia, chimica, mineralogia, cristallografia, metrologia, ingegneria e industria. M. Norton Wise ha parlato, a questo proposito, di “valori della precisione”, sottolineando come l’esattezza non sia soltanto una virtù tecnica, ma anche un valore culturale e sociale, connesso alla costruzione di fiducia nei dati, alla standardizzazione delle procedure e alla possibilità di far circolare risultati tra comunità diverse [11]. La precisione, tuttavia, non è una qualità astratta che appartiene automaticamente allo strumento. Essa nasce da una combinazione di elementi: la qualità costruttiva dell’apparecchio, la sensibilità delle scale graduate, la stabilità meccanica, la taratura, l’abilità dell’operatore, le condizioni ambientali e le convenzioni condivise da una comunità scientifica o tecnica. In questo senso, uno strumento “preciso” non produce da solo una misura affidabile: la rende possibile all’interno di una pratica. Studi recenti sulla storia degli strumenti scientifici hanno insistito proprio su questo punto, invitando a considerare la precisione come una promessa, una prestazione e un risultato situato, non come una proprietà ovvia dell’oggetto [12].
L’ottica ebbe un ruolo decisivo in questo processo. Lenti, prismi, specchi, cannocchiali, collimatori e cerchi graduati permisero di trasformare fenomeni visivi in misure. Un raggio riflesso da una superficie, una linea collimata in un cannocchiale, una deviazione prodotta dal passaggio della luce in un mezzo trasparente potevano essere letti, confrontati e registrati. È questo il punto fondamentale: l’occhio continua a essere coinvolto, ma non è più solo. Viene disciplinato dallo strumento, guidato da reticoli, scale e procedure, inserito in una catena di operazioni che riduce l’arbitrarietà dell’impressione individuale. Questo passaggio è ben visibile anche in ambiti apparentemente lontani dalla mineralogia. Nell’astronomia ottocentesca, per esempio, la misura del tempo, delle posizioni e degli errori dell’osservatore divenne un problema centrale. Simon Schaffer ha mostrato come pratiche di disciplina dell’osservazione, standardizzazione e controllo dell’errore personale fossero parte integrante della costruzione dell’attendibilità scientifica. Il dato non era semplicemente “visto”: doveva essere prodotto attraverso regole, strumenti, correzioni e istituzioni capaci di renderlo affidabile. Uno strumento interessante che entrerà nei laboratori di chimica per poter leggere dati senza perturbare le misurazioni era il catetometro, che avremo modo di approfondire in un prossimo contributo.
Lo stesso principio può essere trasferito alla mineralogia e alla cristallografia. Per il naturalista il cristallo diventa un oggetto di studio, e quindi ha bisogno di misurarlo. Le sue facce riflettono la luce, i suoi angoli possono essere determinati, le sue proprietà ottiche possono essere confrontate con quelle di altri campioni. Il passaggio dall’occhio al numero non elimina l’osservazione: la riorganizza. Misure più affidabili erano necessarie nei laboratori universitari, nelle scuole tecniche, negli osservatori, nei cantieri, nelle miniere e negli apparati statali che dovevano amministrare territori, risorse e infrastrutture. L’Ottocento vide così crescere non soltanto nuovi strumenti, ma anche nuovi luoghi e nuove professionalità della misura: tecnici, costruttori, topografi, ingegneri, chimici analitici, mineralogisti. Lo strumento scientifico divenne parte di una rete che univa sapere teorico, produzione artigianale specializzata, mercato e applicazioni industriali. In questo scenario, la luce occupa una posizione privilegiata. Essa permette di collegare scale diverse: il cielo dell’astronomo, il vetrino del microscopista, il cristallo del mineralogista, il territorio del topografo. Volendo potremmo anche associare a ciascuno la sua lunghezza d’onda caratterizzante. Ogni volta, l’ottica non si limita ad ampliare le capacità dell’occhio, ma costruisce un nuovo modo di produrre conoscenza. Vedere significa misurare; misurare significa rendere il mondo comparabile.
3. Non solo cielo e cellule: l’ottica entra nei minerali
Per comprendere l’importanza di strumenti come goniometri e rifrattometri è necessario tornare alla lunga trasformazione della mineralogia tra Seicento e Ottocento. Prima di diventare una scienza strutturale, capace di interrogare l’ordine interno della materia, la mineralogia era soprattutto una disciplina descrittiva. I minerali venivano riconosciuti in base al colore, alla lucentezza, alla durezza, al peso specifico, alla frattura, alla provenienza geografica o all’uso pratico. Come per altri ambiti di indagine ci si scontra con i limiti dell’operatore: alcuni caratteri utilizzati storicamente non erano applicabili a tutti i minerali e moto dipendeva dall’esperienza dell’osservatore. La cristallografia nasce quando alcuni naturalisti iniziano a riconoscere che, al di là dell’aspetto esterno, i cristalli obbediscono a regolarità geometriche costanti. Il primo snodo fondamentale è legato a Niccolò Stenone (Copenhagen 1638, Schwerin 1686), o Niels Stensen, che nel De solido intra solidum naturaliter contento del 1669 osservò nei cristalli di quarzo un fatto decisivo: pur variando per dimensioni e abito cristallino, essi conservano costanti gli angoli tra facce corrispondenti. Questa osservazione è alla base di quella che sarà poi chiamata legge della costanza degli angoli interfacciali [13]. Il contributo fondamentale della Legge di Stenone è l’idea che le facce di un cristallo possono svilupparsi in modo diverso, alcune possono essere più estese o più ridotte, ma gli angoli tra piani equivalenti restano invariati per una stessa sostanza. In altre parole, la forma esterna può cambiare, ma la geometria profonda resta riconoscibile [14]. Nel Settecento questa intuizione viene resa più sistematica da Jean-Baptiste Louis Romé de l’Isle (Gray 1736, Paris 1790). La sua importanza non sta soltanto nell’aver ripreso la legge della costanza degli angoli, ma nell’averla trasformata in uno strumento di classificazione mineralogica. Romé de l’Isle comprese che gli angoli tra facce cristalline potevano funzionare come caratteri diagnostici, cioè come dati utili per distinguere una specie minerale da un’altra. Questa operazione fu resa possibile anche dall’uso del goniometro a contatto, attribuito ad Arnould Carangeot (1742, 1806), che permetteva di misurare direttamente gli angoli tra le facce di un cristallo. La cristallografia, quindi, nasce già come scienza strumentale, fin da subito non si limita a contemplare forme regolari, ma le misura [15].
Figura 6: Goniometro a contatto secondo il modello di Carangeot. Tutton, A. E. H. Crystallography and Practical Crystal Measurement; Macmillan and Co. Limited: London, 1911. p. 19.
Il salto teorico più importante è legato a René-Just Haüy (Saint-Just-en-Chaussée 1743, Parigi 1822). Oltre a riconoere la regolarità delle forme cristalline cerca di darvi una spiegazione creando un modello della struttura interna.A partire dallo studio della sfaldatura, in particolare della calcite, Haüy elaborò l’idea che i cristalli fossero costituiti dalla ripetizione ordinata di unità elementari, le molécules intégrantes. Le forme esteriori dei cristalli derivavano, secondo lui, dall’accrescimento geometrico di queste unità e da regolari processi di “decremento”, cioè dalla sottrazione progressiva di file o strati di particelle ideali durante la formazione del cristallo. La teoria era ancora lontana dalla cristallografia atomica moderna, ma introduceva un principio decisivo: la morfologia visibile del cristallo doveva essere interpretata come effetto di un ordine interno. Prima della scoperta dei raggi X e del loro uso per determinare la struttura a livello atomico-molecolare, questa era una via potente per pensare la struttura della materia a partire dalla misura delle forme. Questa teoria era ancora lontana dalla cristallografia moderna: Haüy non poteva vedere gli atomi né conoscere la disposizione reale delle particelle nella materia. Tuttavia, il suo modello introduceva un’idea decisiva: la morfologia esterna del cristallo doveva essere la manifestazione di un ordine interno [16]. Il cristallo non era più soltanto una forma naturale bella o regolare; diventava il risultato visibile di una struttura invisibile. La cristallografia si collocava così a metà strada tra geometria, mineralogia e teoria della materia.
Figura 7: Ritratto di René-Just Haüy realizzato da Nicolas Gosse, olio su tela. Musée de Minéralogie MINES, Parigi.
Durante l’Ottocento questa impostazione venne ulteriormente matematizzata. Gli studi sulle simmetrie cristalline, sui sistemi cristallografici e sui reticoli portarono progressivamente a descrivere i cristalli non più soltanto attraverso le facce visibili, ma attraverso relazioni geometriche astratte. Auguste Bravais (Annonay 1811, Le Chesnay 1863), nel 1848, formulò la teoria dei reticoli spaziali, individuando i quattordici reticoli che ancora oggi portano il suo nome. Da un’interpretazione che vede il cristallo come una ripetizione di forme solide elementari si passa all’idea di una disposizione periodica di punti nello spazio.
Un aspetto davvero interessante di questa fase della storia della scienza è come questi contributi, apparentemente legati soltanto alla mineralogia e a quella che diventerà in seguito la cristallografia, siano stati molto importanti anche per lo sviluppo delle rappresentazioni molecolari, soprattutto per i composti organici. Nel corso dell’Ottocento, i chimici cercarono di rappresentare le molecole delle sostanze organiche, come l’alcol etilico o gli zuccheri, e i primi disegni delle molecole, dei puntini disposti nello spazio con particolari simmetrie, furono fatti intorno al 1835 da André-Marie Ampere, e in seguito da Auguste Bravais. Entrambi introdussero l’idea delle molecole come oggetti poliedrici [17]. Parallelamente, anche altri scienziati, come i famosi chimici Jons Jacob Berzelius e Charles Frédéric Gerhardt, cercarono di immaginare come gli atomi di carbonio, di ossigeno e di idrogeno fossero legati tra loro in composti chimici ‘analoghi’ come i sali di ammonio, o i composti contenenti la funzione alcolica. Alla storia della nascita della chimica organica e allo sviluppo delle rappresentazioni molecolari che portarono alle formule di struttura, con i contributi di Louis Pasteur, Archibald Scott Couper, Friedrich August Kekulé, Jacob Hendrik van’t Hoff e Joseph-Achille Le Bel, dedicheremo un altro contributo legato ad uno strumento fondamentale per lo studio dei composti organici chirali: il polarimetro.
Riprendendo i lavori di Bravais e le sue considerazioni sulla simmetria dalla scala macroscopica a quella sub-microscopica, la misura degli angoli non era un dettaglio tecnico, ma il fondamento empirico della disciplina. Prima che fosse possibile “vedere” l’interno dei cristalli con i raggi X, i cristallografi potevano inferire l’ordine interno della materia osservando e misurando la geometria esterna: facce, spigoli, simmetrie, piani di sfaldatura. La goniometria era dunque uno strumento epistemologico. Misurare un angolo significava trasformare un cristallo in un oggetto matematico. È qui che l’ottica entra pienamente nella mineralogia. Nei goniometri più semplici il contatto diretto con il cristallo permetteva una misura approssimata degli angoli interfacciali. Nei goniometri ottici, invece, la riflessione della luce sulle facce cristalline consentiva letture più raffinate: la faccia del cristallo diventava uno specchio naturale, il cannocchiale permetteva l’allineamento, il cerchio graduato restituiva il valore numerico. La luce, quindi, non serviva soltanto a illuminare il campione, ma a renderlo misurabile. Da questo punto di vista, la cristallografia ottocentesca rappresenta un caso esemplare di passaggio dall’osservazione naturalistica alla scienza quantitativa. Come abbiamo visto, utilizzando il goniometro a contatto o il goniometro a riflessione, il mineralogista diviene un misuratore di quantità, mentre il cristallo acquisisce una struttura geometrica da interrogare
Strumenti come il goniometro e, più tardi, il rifrattometro consentono di collegare la forma visibile del minerale alle sue proprietà fisiche, aprendo la strada a una mineralogia sempre più strumentale, quantitativa e connessa alla fisica della materia.
4. Miniere, merci, industria: perché servivano strumenti così precisi
La diffusione di strumenti come goniometri, rifrattometri, teodoliti e apparecchi ottici di precisione non può essere spiegata soltanto con il progresso interno della scienza. Certo, mineralogia e cristallografia avevano bisogno di misure più accurate per classificare i cristalli, confrontare campioni e collegare la forma esterna alla struttura interna. Ma nell’Ottocento queste esigenze scientifiche si intrecciarono sempre più strettamente con necessità economiche, produttive e amministrative. La misura dei minerali serviva a riconoscere risorse, valutarne la qualità, organizzarne lo sfruttamento e inserirle in circuiti commerciali sempre più estesi. Il punto è che un minerale non è mai soltanto un oggetto naturale. In un contesto industriale, esso diventa anche una risorsa, una merce, un materiale da trasformare. Perché questo passaggio avvenga, la materia deve essere resa identificabile e valutabile. Bisogna distinguere una specie minerale da un’altra, riconoscere impurità, associare un campione a un giacimento, stimare il valore di un lotto, controllare la qualità di una fornitura. La mineralogia, la chimica analitica e la geologia economica si sviluppano anche dentro questa domanda di affidabilità. Studi recenti sulla relazione tra scienze minerarie e produzione delle risorse hanno mostrato come la conoscenza mineralogica contribuisca a rendere il sottosuolo uno spazio “conoscibile” e quindi economicamente utilizzabile [18].
In questo senso, la precisione strumentale aveva conseguenze pratiche. Un angolo cristallografico misurato correttamente poteva aiutare a identificare una specie minerale; un indice di rifrazione poteva distinguere materiali visivamente simili. Un rilievo topografico accurato poteva orientare lo scavo, la progettazione di gallerie, la delimitazione di concessioni e la gestione del rischio. L’oggetto misurato cambiava scala, ma non cambiava il principio: dal cristallo alla miniera, dalla faccia lucente del campione al profilo del territorio, conoscere significava ridurre l’incertezza, e quindi ottenere un maggior guadagno economico. Questa riduzione dell’incertezza era particolarmente importante nei distretti minerari dell’Europa centrale. Freiberg, in Sassonia, è un caso esemplare. La sua importanza non dipendeva soltanto dalla presenza di miniere, ma dalla compresenza di attività estrattiva, formazione tecnica, amministrazione mineraria, collezioni mineralogiche e officine di strumenti. La Bergakademie di Freiberg [19], fondata nel 1765, divenne uno dei principali centri europei per l’istruzione mineraria e geologica. La letteratura storica ha sottolineato come le accademie minerarie europee, tra Settecento e Ottocento, rispondessero alla necessità di formare una nuova classe di tecnici, funzionari e ingegneri capaci di governare miniere, risorse e processi produttivi [20].
La specificità di questi luoghi stava proprio nell’intreccio tra sapere pratico e sapere teorico. Le miniere richiedevano conoscenze empiriche: riconoscere rocce, leggere vene metallifere, organizzare il lavoro sotterraneo, drenare l’acqua, ventilare le gallerie, stimare i rendimenti. Ma queste competenze venivano progressivamente riformulate attraverso linguaggi scientifici: mineralogia, geognosia, chimica, matematica, meccanica, topografia. La miniera divenne così uno spazio di produzione economica, ma anche un laboratorio allargato, in cui la conoscenza della Terra si costruiva attraverso il lavoro, l’amministrazione e la misura [21]. Il caso tedesco è particolarmente significativo perché in aree come la Sassonia e l’Erzgebirge la tradizione mineraria aveva un forte peso sociale e istituzionale. La produzione di metalli, la gestione delle concessioni, la formazione dei tecnici e la burocrazia mineraria contribuirono a creare un ambiente nel quale gli strumenti di precisione non erano un lusso, ma una necessità. La miniera, come evidenziato anche da alcuni studi recenti, costituisce un sistema complesso, sostenuto da un apparato amministrativo, competenze tecniche, istituzioni statali e coscienza di classe [22]. In questo ambiente, le officine di strumenti avevano un ruolo decisivo. Gli strumenti dovevano funzionare in laboratori, scuole tecniche, collezioni mineralogiche, ma anche in contesti più applicativi, dove la misura era legata a decisioni economiche. La storia della geologia moderna è infatti profondamente intrecciata con quella dell’attività mineraria: non solo perché le miniere offrivano campioni e sezioni del sottosuolo, ma perché la loro gestione richiedeva competenze sistematiche sulla Terra, sulle rocce e sui giacimenti [23]. Questo spiega perché l’ottica, in apparenza lontana dalla miniera, ne diventi invece una tecnologia essenziale. Lenti, prismi, cannocchiali e scale graduate non appartengono quindi solo alla storia dell’osservazione scientifica, ma anche alla storia della produzione industriale [24]. La domanda economica e merceologica di precisione contribuì così a orientare l’evoluzione degli strumenti. La misura diventava una forma di fiducia: permetteva a tecnici, commercianti, docenti, amministratori e industriali di parlare un linguaggio comune. In questo contesto si comprende meglio anche la vicenda di Lingke e Hildebrand. La loro non fu una produzione isolata, nata semplicemente per rifornire laboratori universitari, ma il risultato di un ambiente tecnico in cui le esigenze della miniera, della topografia e della meccanica di precisione si incontravano quotidianamente. August Friedrich Lingke (1811-1874), attivo a Freiberg, proveniva da una tradizione legata alla costruzione di strumenti matematici e minerari; la sua officina produsse, tra l’altro, strumenti per il rilevamento e la misura, compresi goniometri a contatto destinati all’uso mineralogico. Un esemplare firmato “Lingke in Freiberg” è documentato, per esempio, come goniometro a contatto della metà del XIX secolo [25].
Max Hildebrand (Heideblick 1839, Freiberg 1910), rappresenta il passaggio successivo, quello della piena meccanica di precisione industriale. Dopo una formazione come meccanico e un’esperienza presso Pistor & Martins a Berlino, ditta specializzata in strumenti di misura e rilevamento, lavorò anche in contesti internazionali prima di trasferirsi nel 1873 a Freiberg, dove divenne socio della August Lingke & Compagnie. Le fonti biografiche ricordano il suo interesse specifico per gli strumenti destinati al Markscheidewesen, cioè il rilevamento minerario sotterraneo, e per il miglioramento di teodoliti, bussole, livelli e dispositivi di centramento [26]. Questa traiettoria mostra bene perché uno strumento Lingke-Hildebrand debba essere letto dentro il mondo minerario sassone. Si tratta, infatti, di un prodotto nato in un ambiente in cui misurare cristalli, orientare gallerie, tracciare rilievi e costruire strumenti affidabili erano attività parte dello stesso sistema tecnico. La precisione, in questo caso, non era un ideale astratto: era una competenza professionale richiesta dalla miniera, dalla scuola tecnica, dall’amministrazione e dal mercato.
5. Lingke e Hildebrand: officine della precisione a Freiberg
La storia della meccanica di precisione friburghese risale almeno alla fine del Settecento e attraversa diverse figure di “Bergmechaniker”, artigiani specializzati nella costruzione di strumenti per miniere, rilievi e misure tecniche. La continuità locale è importante: non si tratta di un’officina isolata, ma di una filiera di competenze legate alle esigenze della miniera e dell’insegnamento tecnico. La stessa ‘TU Bergakademie Freiberg’ conserva oggi una raccolta di strumenti topografici e geodetici in cui sono particolarmente rappresentati gli apparecchi provenienti dalla produzione freibergese, comprese le ditte Lingke e Hildebrand.
La genealogia dell’officina mostra bene questo intreccio. Secondo la cronologia storica della Freiberger Präzisionsmechanik, nel 1771 Gottlieb Friedrich Schubert fu nominato Bergmechanikus e avviò un’attività per la produzione di strumenti destinati al mondo minerario e metallurgico. Nel 1791 Johann Gottfried Studer rilevò l’officina e produsse strumenti migliorati, tra cui teodoliti. Nel 1823 Wilhelm Friedrich Lingke divenne Bergmechanikus e ampliò l’attività; nel 1859 il figlio August Friedrich Lingke assunse la direzione dell’officina. Lingke è quindi il risultato di una tradizione locale che da tempo aveva applicato la meccanica e la topografia alla miniera. Il passaggio decisivo avviene nel 1873, quando Max Hildebrand entra come socio nella August Lingke & Co. a Freiberg. Hildebrand non era un semplice continuatore dell’officina: portava con sé una formazione tecnica più ampia e internazionale. La Deutsche Biographie ricorda che, dopo l’apprendistato e il lavoro come meccanico a Berlino, Hildebrand fu impiegato presso Pistor & Martins, una delle più importanti officine berlinesi di strumenti di misura e rilevamento; lavorò poi anche a Parigi, rappresentando la ditta all’Esposizione Universale del 1867, e fece esperienza in Inghilterra prima di rientrare in Germania [27]. Hildebrand univa la cultura artigianale della meccanica fine alla conoscenza dei grandi circuiti europei della strumentazione scientifica. Quando si trasferì a Freiberg nel 1873, portò dentro l’ambiente minerario sassone competenze maturate tra Berlino, Parigi e l’Inghilterra industriale. Per alcuni anni gli strumenti furono commercializzati con marchi che conservavano la memoria della continuità con Lingke, come “Hildebrand früher August Lingke”; intorno al 1880 la denominazione cambiò in Hildebrand & Schramm [28].
Sotto la direzione di Hildebrand, l’officina assunse un profilo più industriale. La cronologia della Freiberger Präzisionsmechanik segnala che nel 1873, con il passaggio da Lingke a Hildebrand, iniziò una produzione più industriale di strumenti, con circa 80 lavoratori, un aumento della qualità e dell’accuratezza e lo sviluppo di nuovi apparecchi. Questo passaggio è essenziale: lo strumento scientifico ottocentesco non è più solo il prodotto singolare di un artigiano, ma tende a diventare il risultato di un’organizzazione produttiva più complessa, capace di rispondere a una domanda crescente di precisione, affidabilità e standardizzazione.
La specializzazione di Hildebrand riguardò soprattutto gli strumenti geodetici, astronomici e minerari. La Deutsche Biographie sottolinea che migliorò numerosi strumenti geodetici e astronomici, ma soprattutto che dedicò particolare attenzione agli strumenti per il Markscheidewesen. Nel 1875 progettò un Patent-Markscheider-Repetitions-Theodolit; nel 1875-1876 introdusse la cosiddetta Freiberger Aufstellung, un dispositivo per l’installazione di teodoliti e segnali di mira nelle misurazioni sotterranee; negli anni successivi sviluppò o perfezionò bussole tubolari, strumenti di controllo per livelli, teodoliti e altri dispositivi per il rilievo minerario.
Anche se queste informazioni riguardano soprattutto strumenti topografici e geodetici, sono fondamentali per interpretare un rifrattometro-goniometro o uno strumento ottico-mineralogico firmato Lingke-Hildebrand. Mostrano infatti che la ditta operava in una cultura tecnica in cui la misura dei cristalli, la misura del territorio e la misura sotterranea appartenevano a un medesimo orizzonte. Si tratta quindi di osservazioni su campioni di scala diversa, dal cristallo alla galleria sino alle colline e l’ambiente esterno, che però mantengono gli elementi fondamentali delle ottiche che vengono messe appunto dalla ditta. Gli strumenti che vengono realizzati da Lingke e Hildebrand diventano una testimonianza di come si sia imposta la ricerca della precisione in questo ambito: Freiberg, le sue miniere, la sua accademia, le sue officine, i suoi tecnici. In questa prospettiva, lo strumento conservato a Pisa diventa un testimone materiale di una cultura europea della misura. Le sue lenti, i suoi cerchi graduati e le sue regolazioni micrometriche non raccontano soltanto la storia di un singolo apparecchio, ma quella di un sistema tecnico in cui la conoscenza della materia dipendeva dalla capacità di costruire strumenti affidabili. Lingke e Hildebrand furono precisamente questo: mediatori tra il sapere scientifico e la sua realizzazione meccanica.
6. Da Freiberg a Pisa: Nasini, Mond e la circolazione europea degli strumenti
La storia dello strumento non si esaurisce nel luogo in cui fu costruito. Come molti apparecchi scientifici dell’Ottocento, anche uno spettrogoniometro prodotto in un’officina tedesca poteva entrare in una rete di circolazione molto più ampia, fatta di università, laboratori, industrie, relazioni personali e scambi internazionali. È qui che la vicenda dello strumento conservato a Pisa incontra due figure centrali della chimica tra Otto e Novecento: Raffaello Nasini e Ludwig Mond.
Figura 8: Il chimico Raffaello Nasini, ante 1931.
Raffaello Nasini nacque a Siena nel 1854 e si formò all’Università di Pisa, dove studiò chimica con Paolo Tassinari. Dopo esperienze di ricerca e insegnamento in altre sedi, divenne professore a Padova e anche rettore, per poi tornare all’Università di Pisa, dove insegnò a partire dai primi anni del Novecento. Nasini è descritto come un chimico eclettico [29], attivo in un periodo in cui la chimica italiana stava ridefinendo i propri rapporti con la fisica, l’industria e la ricerca internazionale. Viene considerato uno dei primi chimici fisici italiani, anche se i suoi contributi ebbero risvolti importanti nella chimica analitica e nella chimica inorganica, tanto che un minerale, la nasinite, è stato nominato in suo onore [30]. Nasini fu un docente universitario con grandi legami con l’industria, come il sito geotermico di Larderello. La sua formazione e la sua attività lo collocano in una rete europea nella quale il laboratorio non era più uno spazio chiuso entro i confini nazionali. La chimica fisica, l’analisi delle sostanze, lo studio delle proprietà molecolari e l’attenzione per le applicazioni industriali richiedevano contatti, strumenti, metodi e confronti internazionali. In questo senso, il suo profilo si accorda bene con la storia materiale di uno strumento nato in area tedesca e poi approdato in un contesto universitario italiano. Il legame con Ludwig Mond rende questa rete ancora più significativa. Mond, chimico e industriale nato a Kassel nel 1839 e poi attivo in Gran Bretagna, fu una figura di primo piano della chimica industriale europea. Il suo nome è associato al processo Solvay per la soda e soprattutto alla chimica del nichel carbonile, campo nel quale lo studio delle proprietà fisiche e chimiche delle sostanze aveva ricadute direttamente industriali [31]. Una ricerca recente sul catione nichel tetracarbonile ricorda il ruolo di Mond nella scoperta del primo complesso carbonilico omolettico, Ni(CO)₄, avvenuta circa 130 anni prima dello studio pubblicato nel 2021 [32].
Il rapporto scientifico tra Nasini e Mond è documentato proprio attraverso il nichel tetracarbonile. Nasini pubblicò con Mond uno studio [33] sulle proprietà fisico-chimiche del nichel carbonile, un tema che univa chimica fisica, analisi delle proprietà della materia e applicazioni industriali. Questo dato è importante per il nostro contributo perché mostra che Nasini si muovesse dentro lo stesso orizzonte culturale dello strumento: un mondo in cui la materia veniva riconosciuta, classificata e controllata attraverso proprietà misurabili. Alcuni studiosi [31,34] riportano che Mond donò a Nasini due strumenti, tra cui proprio lo spettrogoniometro custodito nell’atrio del Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Pisa. Purtroppo, non siamo riusciti a reperire la documentazione inventariale associata a questa donazione. Tuttavia, come riportato da Mariani [31], sappiamo da varie fonti che Mond donò molti altri strumenti a vari scienziati italiani, anche per il suo grande amore per l’Italia e per le amicizie che con il tempo aveva costruito.
Figura 9: Il chimico ed industriale Ludwig Mond.
Nel ricercare qualche testimonianza di questa donazione, che rafforzerebbe ancora di più il valore storico di questo strumento e del suo legame con la grande scienza europea, facendo ricerche di archivio è stato possibile trovare un inventario più recente (1955) che vuole che questo goniometro a riflessione e altri strumenti fossero stati donati a sua volta da Raffaello Nasini al Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale (Figura 10).
Figura 10: Scansione di uno degli inventari ritrovati nell’Archivio Generale dell’università di Pisa. Il nostro goniometro a riflessione (chiamato rifrattometro) risulta come donata da Nasini.
Gli strumenti scientifici storici arrivano spesso fino a noi con biografie incomplete: conservano il marchio del costruttore, talvolta il numero di serie, qualche traccia inventariale, ma raramente l’intera storia dei loro passaggi. Ricostruirne la vicenda significa incrociare oggetti, documenti, biografie e contesti. In questo caso, anche l’ipotesi di una provenienza legata a Nasini e Mond è molto preziosa, perché orienta lo sguardo verso le reti attraverso cui strumenti e saperi viaggiavano nell’Europa scientifica di fine Ottocento e inizio Novecento. In questa prospettiva, Pisa non è soltanto il luogo in cui lo strumento è oggi conservato. È l’ultimo nodo visibile di una storia più ampia, che collega la meccanica di precisione tedesca, la cultura mineraria sassone, la chimica industriale europea e la formazione universitaria italiana. Lo strumento diventa così un piccolo archivio materiale: nelle sue parti ottiche e meccaniche non si legge solo una funzione di misura, ma anche una geografia della scienza fatta di officine, laboratori, industrie, università e relazioni personali [35].
Riferimenti, note e link
[1] https://va3scodi.dcci.unipi.it/rifrattometro-universale-pulfrich.html
[2] E. Mitscherlich, Ueber die Kristallisation der Salze in denen das Metall der Basis mit zwei Proportionen Sauerstoff verbunden ist. Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften zu Berlin, Jg.1818-1819, pp.427-437. Il lavoro svolto da Mirscherlich è una prosecuzione degli studi svolti da Wollaston, che si era dedicato a numerose osservazioni sulla calcite. Proseguendo a partire da questa intuizione Mitscerlich arriverà a trovare il polimorfismo nelle forme allotropiche di calcite ed aragonite.
[3] W. H. Wollaston, Description of a Reflective Goniometer, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 99, 1809, 253-258.
[4] W. Fischer, Neue Deutsche Biographie, vol. 14, voce “Lingke, Wilhelm Friedrich”, 1985.
[5] J. B. Te Pas, “Max Hildebrand, late August Lingke & Co. G.m.b.H., “Bulletin of the Scientific Instrument Society”, 58 (1998): 19-21.
[6] M. Hildebrand, Früher August Lingke & Co. G.m.b.H., Freiberg, 1932.
[7] Turner, G. L. e. Nineteenth-Century Scientific Instruments; Sotheby Publications: London, 1983.
[8] AA.VV. Instruments, Travel and Science: Itineraries of Precision from the Seventeenth to the Twentieth Century; Bourguet, M.-N., Licoppe, C., Sibum, O. H., Eds.; Routledge: London, 2002.
[9] Morrison-Low, A. Making Scientific Instruments in the Industrial Revolution; Knight, D. M., Levere, T., Eds.; Routledge: New York, 2016.
[10] Gluch, S. Promises of Precision: Questioning Precision in ‘Precision’ Instruments. Annals of Science. Taylor and Francis Ltd. 2024, pp 1–9.
[11] AA.VV. The Value of precision; Matthew, N. W., Ed.; Princeton University Pess: Princeton, 1995.
[12] Gluch, S. Promises of Precision: Questioning Precision in ‘Precision’ Instruments. Annals of Science. Taylor and Francis Ltd. 2024, pp 1–9.
[13] Una descrizione molto chiara ed operativa la si può trovare fornita dal Gruppo Mineralogico Paleontologico Euganeo: https://gmpe.it/minerali/leggi-cristallografiche
[14] Menchetti, S. How Do Crystals Grow? Steno’s Approach. Substantia 2021, 5 (1), 77–87.
[15] Mascarenhas, Y. P. Crystallography before the Discovery of X-Ray Diffraction. Revista Brasileira de Ensino de Fisica 2020, 42.
[16] Le sue teorie, come quella della molecola integrante, sono state di fondamentale importanza per giungere alla diffrazione X e ai lavori di Bragg, Laue e Ewald. Fu anche collaboratore di Lavoisier per l’identificazione della nuova unità di massa per il sistema metrico.
[17] Paoloni, L. Molecole, atomi e struttura della materia: Da Dalton alla meccanica quantistica. La Chimica nella Scuola, 2007, Vol. 3, pp. 38-63.
[18] Felten, S. The History of Science and the History of Bureaucratic Knowledge: Saxon Mining, circa 1770. Hist Sci 2018, 56 (4), 403–431.
[19] Ancora oggi attiva con il nome di Technische Universität Bergakademie Freiberg, è la più antica università di metallurgia ed estrazione al mondo.
[20] Vaccari, E. Mining Academies as Centers of Geological Research and Education in Europe between the Eighteenth and Nineteenth Centuries. De Re Metallica 2009, 13, 35–41.
[21] Felten, S. Sustainable Gains: Dutch Investment and Bureaucratic Rationality in Eighteenth-Century Saxon Mines. Journal for the History of Knowledge 2020, 1 (1).
[22] Felten, S. Mining Culture, Labour, and the State in Early Modern Saxony. Renaissance Studies 2020, 34 (1), 119–148.
[23] Felten, S. Mining and the Formation of Modern Geology. In Handbook of the Historiography of the Earth and Environmental Sciences; Aronova, E., Sepkoski, D., Tamborini, M., Eds.; Springer, Cham, 2024; pp 1–28.
[24] Guntau, M. The Rise of Geology as a Science in Germany around 1800. In The Making of the Geological Society of London; Lewis, C. L. E., Knell, S. J., Eds.; Special Publications: London, 2009; Vol. 317, pp 163–177.
[25] Sito web: https://www.mineralogy.eu/gonio/contact/Lingke-Brush.html
[26] Fischer, Walther, "Hildebrand, Max" in: Neue Deutsche Biographie 9 (1972), S. 123 f. [Online-Version]; URL: https://www.deutsche-biographie.de/gnd137574274.html#ndbcontent
[27] Pas, J. B. te. Max Hildebrand, Late August Lingke & Co GmbH, Workshop for Scientific Precision Instruments, Founded 1791 in Frieberg, Saxony. Bulletin of the Scientific Instrument Society 1998, 58, 19–21.
[28] https://www.surveyinginstruments.org/col/en/instrument/default/25?obj=man
[29] Macchioni, A. Raffaello Nasini: An Eclectic Chemist Heralding the Interdisciplinary Essence of Inorganic Chemistry. Eur. J. Inorg. Chem. 2019, 546–549. DOI: 10.1002/ejic.201801390.
[30] https://www.mindat.org/min-2842.html
[31] Mariani E. Ludwig Mond e l’Italia, relazione al VII convegno nazionale di Fondamenti e Storia della Chimica, L’Aquila, 8-11 ottobre 1997.
[32] Schmitt, M.; Mayländer, M.; Goost, J.; Richert, S.; Krossing, I. Chasing the Mond Cation: Synthesis and Characterization of the Homoleptic Nickel Tetracarbonyl Cation and Its Tricarbonyl-Nitrosyl Analogue. Angewandte Chemie - International Edition 2021, 60 (27), 14800–14805.
[33] Mond, L.; Nasini, R. Über einige physikalische Eigenschaften des Nickeltetra- karbonyls und andrer Nickelverbindungen, Zeitschrift für Physikalische Chemie, Volume 8U, Issue 1, 1891.
[34] G. Fochi, Cento anni fa il primo metallo-carbonile binario: l'opera di Ludwig Mond e il contributo di Raffaello Nasini, in ‘Memorie e Rendiconti di Chimica, Fisica, Matematica e Scienze Naturali’, Accademia Nazionale delle Scienze detta dei XL, 1990, serie 5, Volume XIV, pag. 359-365.
[35] Rocca, L., Angelici, A., Domenici, V. Valorizzare il patrimonio degli strumenti scientifici storici per la conoscenza e per la didattica: il progetto Va3SCoDi, La Chimica nella Scuola, articolo in revisione.
CREDITS: VALENTINA DOMENICI E LUCA ROCCA