L’elettromagnetismo e la fine della fisica classica

In tutti i gialli che si rispettino esistono più storie e una sola verità. Come promessovi, il giallo “chi ha ucciso la fisica classica” è giunto al suo epilogo. E l’assassino è proprio lui, Albert Einstein, come scopriremo quando tratterò di fisica “moderna”. Ma prima di arrivare al finale, ricapitoliamo gli ultimi indizi.

Come raccontavo ne “Il magnetismo“, gli scienziati iniziarono a notare che il campo elettrico e quello magnetico avevano delle connessioni, anzi, grazie al lavoro di Faraday che aveva scoperto il principio dell’induzione elettrica e creato il primo “trasformatore”, si posero anche le basi su cui poi James Clerk Maxwell (1831-1879) eresse la propria teoria “elettromagnetica”, che collegava la luce con altre forme di radiazione (come le onde radio) in un’unica famiglia, quella delle “radiazioni elettromagnetiche”.

Così verso la fine del XIX secolo sembrava che l’edificio concettuale della fisica fosse ormai completato. La meccanica newtoniana da un lato e la teoria maxwelliana dell’elettromagnetismo, dall’altro, parevano fornire la chiave di interpretazione e di previsione di tutti i fenomeni, dal moto dei pianeti al comportamento di cariche elettriche.

Esempi eclatanti della capacità di previsione e della potenza dei modelli interpretativi newtoniani e maxwelliani furono la scoperta del pianeta Nettuno, fatta nel 1846 dall’astronomo Galle dell’osservatorio di Berlino, su calcoli di Urbain Leverrier e la scoperta delle onde elettromagnetiche previste teoricamente da Maxwell nel 1873 da parte di Hertz nel 1886, purtroppo per Maxwell dopo la propria morte, avvenuta a causa di un tumore all’addome.

La seconda metà del secolo XIX fu caratterizzata da importanti fenomeni in campo economico, sociale e filosofico, strettamente intrecciati con il trionfo della fisica classica. In campo economico e sociale ci fu l’inizio impetuoso della seconda rivoluzione industriale, fondata sull’uso dell’energia elettrica (macchine elettriche nelle industrie ed elettrodomestici, illuminazione pubblica, trasporti ferroviari); in quegli anni si avviò inoltre l’utilizzazione delle onde elettromagnetiche per le trasmissioni (nel 1897 Guglielmo Marconi inventò il radiotelegrafo).

Solo alcuni fenomeni, apparentemente marginali, erano al di fuori del quadro interpretativo della fisica classica, ma il convincimento di quasi tutti gli scienziati dell’epoca era che prima o poi anche questi avrebbero trovato una collocazione all’interno della fisica classica.

I fatti dimostrarono che le cose non stavano così; lo studio sperimentale e teorico dei problemi irrisolti portò al superamento della fisica classica, che da teoria generale in grado di interpretare tutta la realtà fu ridotta al rango di ottimo modello in grado di spiegare e prevedere fenomeni in un limitato ambito di validità.

In effetti, i fenomeni su cui si è sviluppata la fisica classica sono quelli che più direttamente rientrano nell’esperienza comune ed usuale di tutti gli uomini, come la caduta dei gravi ed il moto dei proiettili, il moto dei pianeti, il lento movimento di cariche elettriche nei circuiti. In sostanza la fisica classica è nata e si è sviluppata su fenomeni che riguardano corpi lenti e grandi; in questo ambito essa è un metodo scientifico di prima classe.

Non è affatto detto, però, che la fisica classica sia in grado di interpretare altrettanto bene la realtà al di fuori di questo ambito, su fenomeni che coinvolgono velocità paragonabili a quella della luce o dimensioni piccole come quelle degli atomi o delle particelle elementari.

È interessante notare che questa considerazione, della cui validità abbiamo oggi prove evidenti, era per gli scienziati dell’epoca poco credibile, tenendo conto che la fisica newtoniana era nata con l’affermazione che stesse leggi regolano i corpi celesti e quelli terrestri, in contrasto con la pre-esistente concezione aristotelica.

Uno dei filoni di ricerca che maggiormente contribuì al superamento della fisica classica fu quello relativo alla propagazione ed all’emissione della luce. L’indipendenza della velocità della luce dal sistema di riferimento scelto, dimostrata sperimentalmente da Michelson e Morley nel 1881, metteva in crisi il principio galileiano di composizione delle velocità.

Inoltre, il principio di relatività galileiana sembrava essere in contrasto con le equazioni di Maxwell che modificano la loro forma nel passaggio da un sistema di riferimento inerziale ad un altro.

Tutto questo portò Albert Einstein a riaffermare il criterio di relatività, mettendo però in crisi la concezione classica dello spazio e del tempo con la teoria della relatività ristretta nel 1905.

D’altro canto, gli studi sull’emissione della luce da parte di un corpo incandescente (corpo nero), avevano portato Max Planck nel 1900 a ipotizzare che gli atomi eccitati emettessero energia non in modo continuo ma per quantità discrete, gettando così le basi della fisica quantistica che, come vedremo, costituisce un valido modello interpretativo dei fenomeni su scala atomica e subatomica.

L’ipotesi quantistica di Planck permise inoltre nel 1905 ad Einstein di interpretare un altro fenomeno classicamente inspiegabile: l’effetto fotoelettrico, con il quale lo scienziato di Ulm vinse il Premio Nobel nel 1921.

Un altro potente impulso all’affermazione della fisica quantistica nella scala microscopica venne dalle teorie sulla struttura dell’atomo. Nel 1897, infatti, la scoperta dell’elettrone da parte di J.J. Thomson dimostrò con chiarezza che l’atomo non poteva essere considerato il costituente elementare della materia, ma era a sua volta formato da particelle più semplici. La costruzione di un valido modello atomico e nucleare confermò l’inadeguatezza, su questa scala, della fisica classica e la necessità di interpretare le cose dal punto di vista quantistico.

La crisi della fisica classica fu la premessa di un tumultuoso sviluppo scientifico. I nuovi modelli interpretativi permisero di prevedere nuovi fenomeni ed aprirono la strada al superamento del dualismo tra onda e particella. Nella fisica classica esistono i fenomeni corpuscolari ed i fenomeni ondulatori con una netta separazione tra essi, nel senso che un singolo fenomeno può essere visto o in una chiave oppure nell’altra, senza possibilità di commistione tra esse.

Nel mondo microscopico, viceversa, la separazione tra i due punti di vista cade: la radiazione può presentare caratteri corpuscolari e le particelle mostrare aspetti ondulatori. Il comportamento delle onde di materia deve essere descritto da una nuova teoria, la meccanica quantistica (o meccanica ondulatoria) fondata nel 1925 indipendentemente da Erwin Schrödinger e Werner Heisemberg.

In meno di 30 anni, a partire dal 1900, il panorama della fisica cambiò radicalmente: al posto di un unico modello interpretativo, la fisica classica, si avevano due teorie più generali, la fisica quantistica e la fisica relativistica, una valida per piccole dimensioni, l’altra per velocità elevate.

Dalla prossima volta inizierò la seconda parte di questo “Libro di Fisica”, proprio parlando di come la fisica moderna entrò nelle nostre vite, per non uscirci più.

Un’ultima cosa, dedicata al mio amico fraterno Ugo, che non sempre apprezza questi articoli (in realtà ha poco tempo libero e preferisce dedicarlo ai suoi tre splendidi figli e alla bella moglie).

La curiosità, l’intenso desiderio di sapere, non compare nella materia morta, e sembra non essere caratteristica neppure di certe forme di organismi viventi, che, proprio per tale ragione, a gran fatica riusciamo a considerare come viventi.

 Un albero non mostra curiosità per il suo ambiente, almeno in modo per noi riconoscibile; lo stesso vale per una spugna o un’ostrica: il vento, la pioggia, le correnti dell’oceano apportano loro ciò di cui abbisognano, ed essi ne traggono quello che possono. Se il caso fa sì che ciò che giunge a loro siano il fuoco, un veleno, dei predatori o dei parassiti, essi muoiono stoicamente e tacitamente come sono vissuti.

Ecco, noi non siamo come quell’albero o come quella spugna, e abbiamo una cosa che quelli non hanno: il desiderio di sapere.

Il cervello umano è il pezzo di materia organizzato nel modo più meraviglioso di tutto l’universo conosciuto; la sua capacità di ricevere, organizzare e immagazzinare dati supera enormemente le necessità ordinarie della vita. È stato calcolato che, nel corso di una vita, l’essere umano è in grado di apprendere fino a 15 miliardi di miliardi di informazioni elementari.

E noi come possiamo fermarci davanti a quattro pagine di un blog?

4 pensieri riguardo “L’elettromagnetismo e la fine della fisica classica

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