Le quattro equazioni di Maxwell. (Immagine ripresa dal numero di ottobre 2015 di asimmetrie.)

Maxwell capì che i fenomeni elettrici e magnetici erano solo apparentemente diversi. La sua scoperta, sintetizzata nelle quattro equazioni di Maxwell, fu una delle più importanti della fisica e per la prima volta portò all'identificazione delle onde elettromegnetiche, di cui la luce fa parte, aprendo la strada ad applicazioni tecnologiche che, dalla radio, alla televisione, al forno a microonde, ai computer, ai cellullari, hanno positivamente influenzato la nostra vita. Per cercare di capire la scoperta di Maxwell dobbiamo partire da Isaac Newton e dalla sua legge di gravitazione universale nella quale si dice che la forza di attrazione gravitazionale tra due masse è direttamente proporzionale alle masse dei due corpi e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra di essi. Circa un secolo dopo, un altro fisico Charles Coulomb, scoprì che la forza di attrazione tra due cariche di segno opposto è direttamente proporzionale alle cariche e inversamente proporzionale alla loro distanza, analogamente a quanto diceva la legge di gravitazione universale di Newton per un fenomeno del tutto diverso! Andiamo avanti con i fisici coinvolti in questa avventura scientifica. Hans Christian Oersted in un laboratorio di Copenaghen, nella prima metà dell'800, stava mostrando ai suoi studenti come la corrente prodotta dalla pila di Volta scaldava il filo attraversato dall'elettricità e per caso si accorse che quella stessa corrente elettrica causava il movimento degli aghi delle bussole vicine al filo! Corrente elettrica e magnetismo erano in qualche modo fenomeni collegati. Poco dopo, il fisico francese André-Marie Ampère scrisse l'equazione che che descriveva gli effetti magnetici prodotti dalle cariche elettriche. Ma fu Michael Faraday che dimostrò definitivamente come anche il magnetismo può produrre elettricità. Fu una vera e propria rivoluzione perché l'uomo iniziò a trasformare l'energia meccanica in elettrica e ne abbiamo fatta di strada dalla dinamo delle bicicletta in poi!

Le immagini sono liberamente disponibili su Wikipedia. (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/20/Nikola_Tesla,_with_his_equipment_Wellcome_M0014782.jpg) (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/eb/Views_of_the_LHC_tunnel_sector_3-4,_tirage_1.jpg)

Ma come era possibile che due masse o due cariche distanti potessero interagire senza toccarsi? Faraday ebbe anche il merito di introdurre l'importante concetto fisico di campo. Così come esiste un campo gravitazionale esiste un campo elettromagnetico. Allora forse è proprio per questo che la legge di Newton e quella di Coulomb sono così simili! Una massa produce un campo gravitazionale, una carica elettrica produce un campo elettromagnetico. In ogni campo ci sono delle particelle, chiamate mediatori, che "trasportano" l'interazione tra una massa e l'altra o tra una carica e l'altra. Il mediatore del campo elettromagnetico è il fotone. Dopo il lavoro di tutti questi grandi fisici, arrivò il più grande di tutti, Maxwell appunto! Usando la matematica mise insieme tutti i risultati sperimentali ottenuti e scrisse le famose quattro equazioni che unificavano le leggi dell'elettricità e del magnetismo. Nelle equazioni di Maxwell le lettere B ed E indicano i vettori dei campi magnetico ed elettrico, rispettivamente. La prima equazione permette di calcolare il campo elettrico dalla carica che lo genera. La seconda equazione afferma che i poli magnetici sono inseparabili. La terza equazione stabilisce che una variazione nel tempo del campo magnetico induce un campo elettrico e quindi corrente elettrica. Infine la quarta equazione mostra che un campo magnetico può essere generato da una corrente elettrica. Maxwell capì che la luce è un fenomeno elettromagnetico e contribuì a diffondere l'idea di una sostanziale unità delle forze della natura, unità sulla quale i fisici stanno ancora lavorando.
Ma allora come fanno i fisici ad accelerare protoni all'interno dell'acceleratore del CERN? Come sapete i protoni sono particelle con carica positiva. Se i protoni vengono fatti passare all'interno di un campo elettrico saranno soggetti ad una forza elettrica che li accelera. Se ci fosse solo il campo elettrico i protoni avrebbero una traiettoria rettilinea. Per mantenerli all'interno dell'anello dell'acceleratore, sono necessari dei campi magnetici che curvano le correnti e quindi i protoni in movimento. Voilà una delle infinite conseguenze delle quattro equazioni di Maxwell!
Sul perché i fisici si divertano ad accelerare protoni ci torneremo. Dovete sapere che alla fine dell''800 molti pensavano che, dopo l'unificazione dell'elettromagnetismo di Maxwell, la fisica fosse una disciplina quasi "finita", come se fosse stato scoperto tutto quello che c'era da scoprire. Ma poi arrivò il '900 con la meccanica quantistica e la relatività!

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)