Maxwell, James Clerk
Maxwell, James Clerk
Diavolo d’un fisico!
Nell’Ottocento il fisico scozzese James Clerk Maxwell ha unificato i fenomeni elettrici e magnetici nella teoria del campo elettromagnetico, ha offerto importanti contributi allo studio dei gas ricavando la distribuzione delle velocità molecolari, ha immaginato un dispettoso diavoletto che punzecchia i principi della termodinamica...
Dalle terre della Scozia ai campi elettromagnetici
Tra i protagonisti assoluti della fisica c’è lo scozzese James Clerk Maxwell: a lui si devono l’unificazione dei fenomeni elettrici e magnetici grazie alla teoria del campo elettromagnetico, e importanti studi sui gas.
Nato nel 1831 a Edimburgo, in Scozia, da una famiglia della piccola nobiltà terriera, Maxwell svolse la sua attività scientifica per lo più a Cambridge, dove, negli ultimi anni della sua vita, seguì anche la realizzazione del Laboratorio Cavendish, un luogo destinato a diventare celebre per le ricerche lì condotte sull’elettrone e sul nucleo atomico.
Alla sua morte, nel 1879, il fisico lasciò trattati su elettromagnetismo e teoria dei colori, sulla termodinamica, sulla teoria cinetica dei gas e persino su un dispettoso e immaginario diavoletto che potrebbe far fuggire dal buco della serratura tutte le molecole d’aria presenti in una stanza. A cosa si riferiva Maxwell con il suo piccolo diavolo? Le particelle dei gas che compongono l’aria non si muovono con la stessa velocità né vanno tutte nella medesima direzione e per stabilire quali passano attraverso il buco della serratura non possiamo esaminarle una a una. Per trovare una risposta bisogna far ricorso agli strumenti offerti dalla statistica e rinunciare a conoscere il comportamento di ogni particella per concentrarsi invece sull’andamento medio descritto appunto dalla teoria di Maxwell-Boltzmann per le velocità molecolari.
Il diavoletto di Maxwell è dunque una creatura paradossale che ci fa riflettere sulla complessità del secondo principio della termodinamica e sul comportamento dei sistemi formati da molte particelle, come i gas, dove a dettare legge sono probabilità e statistica. Il paradosso del diavoletto suggerisce che quando si passa dalla certezza alla probabilità non esistono casi impossibili, ma solo situazioni fortemente improbabili, così improbabili che, al confronto, acquistare il biglietto vincente ogni volta che si partecipa a una lotteria è quasi una certezza.
Quattro equazioni per una corrente
Quando nel 1873 Maxwell pubblicò il suo Trattato sull’elettricità e il magnetismo gli aspetti elementari assunti da elettricità e magnetismo erano ben noti già da millenni e da oltre un secolo si conoscevano gli stretti legami esistenti tra di essi. Si sapeva che un filo percorso da corrente elettrica genera fenomeni magnetici e si spiegavano i fenomeni elettrici provocati da un magnete in movimento facendo ricorso alla nozione di campo (il campo elettrico indotto). Tuttavia non era ben chiaro l’effetto di un campo elettrico variabile nel tempo: generava a sua volta un campo magnetico? Maxwell ne era convinto e partendo da questa ipotesi elaborò una teoria per descrivere i fenomeni elettrici e magnetici come aspetti diversi di una stessa entità: il campo elettromagnetico.
La teoria di Maxwell si fonda su quattro equazioni che collegano le variazioni del campo magnetico con quelle del campo elettrico e viceversa grazie alla corrente di spostamento, una quantità che spiega come un campo elettrico variabile nel tempo riesce a generare un campo magnetico.
La corrente di spostamento permette di prevedere, a partire dalle equazioni di Maxwell, un fatto nuovo: la propagazione nello spazio dei campi elettrico e magnetico, cioè di un’onda elettromagnetica. Infatti, quando un campo elettrico varia, nei punti dello spazio circostante si sviluppa un campo magnetico anch’esso variabile nel tempo; da esso nasce un campo elettrico a sua volta variabile e così di seguito fino a generare una perturbazione elettromagnetica che si propaga nello spazio. Tra le perturbazioni elettromagnetiche, intuì Maxwell, c’è la luce, un’onda costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti che possono muoversi anche nel vuoto.