1861: la rivoluzione della fisica di Maxwell

Pietro Greco per “l’Unità

Nel 1861 il Philosophical Magazine pubblica On Physical Lines of Force, la prima di una serie di note con cui un giovane scozzese, James Clerk Maxwell, 30 anni appena, riscrive i fondamenti stessi della fisica: sia perché unifica due forze della natura elettricità e magnetismo, ma anche e soprattutto perché conferisce dignità ontologica al concetto di campo.
Oggi celebriamo il centocinquantesimo anniversario di questa straordinaria svolta scientifica e culturale su cui, fra l’altro, si basa la gran parte delle moderne tecnologie.
James Clerk era nato a Edimburgo il 13 giugno 1831. E nel 1847 aveva iniziato a frequentare la nota università della sua città, studiando fisica. Si era trasferito poi a Cambridge nel 1850, conseguendo il diploma in matematica nel 1854 e, soprattutto, entrando in contatto con William Thomson, che lo introduce ai temi dell’elettricità e del magnetismo.
In realtà Maxwell si interessa anche di altro. Di luce, per esempio. E, quindi, di ottica. Giungendo a definire sia una teoria fisica dei colori – lungo la strada tracciata da Newton – sia approfondendo i temi, biologici, della percezione dei colori. Non solo sostiene che i colori, in realtà, sono nella nostra testa, ma giunge anche a realizzare alcune pratiche applicazioni che gli consentono di mettere a punto i prototipi delle fotografie a colori e persino, come ha scritto lo storico Giulio Peruzzi, “il cinema prima del cinema”.
Si interessa anche di astronomia, degli anelli di Saturno, in particolare, giungendo da quel grande teorico che è a conclusioni importanti sulla stabilità dei sistemi dinamici a più di due componenti.
Ma intanto pensa al tema dell’elettricità e del magnetismo, sostenendo che deve studiare tutte le Researches on Electromagnetism, i lavori sperimentali di Michael Faraday, prima di cercare, senza condizionamenti, di spiegarli in termini teorici. In realtà il giovane scozzese non si limita a studiare le ricerche di Faraday, ma lo incontra di persona e inizia anche a collaborare con lui.
Ma cosa aveva fatto, Faraday? Aveva descritto in maniera nuova l’interazione tra elettricità e magnetismo. Fenomeni che prima di Hans Christian Ørsted e di Faraday erano considerati indipendenti, anche se entrambi descritti in termini newtoniani per mezzo della legge di Coulomb: due particelle con cariche elettriche opposte (o due poli magnetici con carica opposta) si attraggono, mentre due particelle con cariche elettriche uguali (o due poli magnetici con carica uguale) si respingono. L’intensità dell’azione di attrazione o di repulsione è proporzionale al quadrato della distanza tra le due particelle (o tra i due poli). Ørsted dimostra che elettricità e magnetismo sono fenomeni collegati. E Faraday non solo dimostra l’esistenza dell’induzione elettromagnetica (un campo magnetico variabile genere una corrente elettrica) ma introduce il concetto di campo: le particelle cariche elettriche e magnetiche “sentono” un campo elettromagnetico e si muovono lungo linee di forza. Il campo elettromagnetico, sosteneva Faraday, è una proprietà dello spazio, definita, punto per punto, dal contributo di tutte le cariche e di tutte le correnti elettriche. Il campo, a sua volta, influenza tutte le cariche e tutte le correnti elettriche.
Le linee di forza consentono finalmente di escludere quell’azione a distanza che lo stesso Newton aveva abbandonato ritenendola: «un’assurdità talmente grande che nessun uomo in possesso di qualche competenza in materia filosofica avrebbe potuto accettare».
Nella nota del 1861 James Maxwell inizia a proporre un modello molto articolato di tutti fenomeni elettromagnetici interpretati proprio mediante il concetto di campo. La costruzione del modello culmina, cinque anni dopo, nel 1866 nella elaborazione delle sue famose quattro equazioni che costituiscono l’elegante sintesi fisico-matematica delle intuizioni di Faraday. Con questi lavori il concetto di campo inizia a sostituire il concetto di forza in fisica e ad assumere uno statuto ontologico.
La novità è tale che non viene immediatamente riconosciuta dai contemporanei del fisico matematico scozzese. Ma con i suoi lavori del 1861 e seguenti Maxwell ottiene anche un altro risultato. Unifica, in un quadro teorico coerente, fenomeni come l’elettricità, il magnetismo e la stessa luce. Elettricità e magnetismo non sono altro che un’unica interazione, l’interazione elettromagnetica. E la luce è una delle manifestazioni dell’interazione elettromagnetica.
Se è vero, come sostiene lo storico Gerald Holton, che i fisici sono stati spesso preda della “sindrome ionica”, ovvero dell’idea tipica dei filosofi ionici che la natura ha una sua profonda unità e razionalità e che, dunque, tutti i fenomeni fisici possono essere ricondotti a poche leggi – forse a un’unica legge – beh allora le intuizioni fisiche e poi matematiche di James Clerk Maxwell costituiscono uno dei frutti più luminosi di questa strana malattia.

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