Il 13 giugno 1831 nasceva a Edimburgo il fisico scozzese James Clerk Maxwell. Viene considerato oggi lo scienziato che ha impresso la maggiore influenza sulla fisica del ventesimo secolo, uno scienziato del calibro di Newton ed Einstein per l’importanza del suo contributo. Richard Feynman, premio Nobel per la Fisica, disse di lui: “In una prospettiva a lungo termine della storia dell’umanità, ci sono pochi dubbi che l’evento più significativo del XIX secolo sarà considerato la scoperta delle leggi dell’elettrodinamica di Maxwell”.
La vita
Dopo aver frequentato le università di Edimburgo e Cambridge, nel 1856, all’età di 25 anni, divenne professore di fisica al Marischal College di Aberdeen. Da lì si trasferì prima al King’s College di Londra e poi, nel 1871, a Cambridge per diventare il primo Professore di Fisica Sperimentale dove diresse il neonato Cavendish Laboratory. Fu al Cavendish, nei successivi cinquant’anni, che gran parte della fisica di oggi continuò a svilupparsi dall’ispirazione delle scoperte di Maxwell.
Il contributo di Maxwell è riconosciuto tra il più importante della storia della scienza, alla base del collegamento tra la fisica classica e le rivoluzioni del ‘900, la relatività e la meccanica quantistica.
L’età giovanile
Maxwell mantenne per tutta la vita la curiosità per il mondo naturale che lo portò a spaziare in campi apparentemente distanti tra loro. Dopo la laurea a Cambridge, dove risultò Second Wrangler, ovvero secondo tra tutti gli studenti del corso di eccellenza, la sua ricerca consisteva principalmente in esperimenti sulla percezione dei colori. Per mostrare i suoi risultati ottenne la prima fotografia a colori di un nastro di tartan (il tessuto dei kilt scozzesi) combinando tre foto scattate utilizzando filtri di colore diverso, rosso, verde e blu.
A 27 anni pubblicò il suo unico lavoro dedicato alla meccanica celeste. Riuscì a dimostrare, con il solo utilizzo di eleganti metodi matematici, che ciascun anello di Saturno è costituito da parti diverse separate. Questa sua dimostrazione teorica ha trovato piena conferma più di un secolo dopo grazie ai dati della sonda spaziale Voyager da cui abbiamo appreso che effettivamente gli anelli sono costituiti da materiale ghiacciato e roccioso.
Il suo lavoro pionieristico sulla teoria cinetica dei gas iniziò studiando le collisioni tra sfere elastiche per arrivare alla distribuzione di probabilità delle velocità delle molecole, nota come la distribuzione di Maxwell-Boltzmann, e ad un’espressione per il coefficiente di viscosità dei gas.
Tuttavia, la figura di Maxwel non fu quella del teorico con poco interesse per la vita pratica. Al contrario, era interessato anche ad affrontare problemi pratici e tecnologici. Durante l’Esposizione internazionale del 1862 a Londra partecipò all’organizzazione della sezione strumenti connessi alla luce scrivendo poi una parte del volume che documentava l’Esposizione a scopo divulgativo. Contribuì, tra il 1861 e 1863, ai lavori per il Comitato per gli Standard elettrici per stabilire gli standard per il volt, l’ampere e l’ohm come unità di misure e scrisse un articolo su un dispositivo utilizzato per regolare i motori a vapore.
Il quadro teorico unificato dell’elettromagnetismo
Il coronamento delle ricerche di Maxwell è la pubblicazione del Treatise on Electricity and Magnetism dove formulò il sistema di equazioni differenziali che descrivono con precisione il comportamento dei fenomeni elettromagnetici.
Il nucleo teorico delle equazioni risiede nella comprensione del fatto che i fenomeni di elettricità e magnetismo, osservati nel XIX secolo da molti scienziati, tra cui Volta, Ampère, Ørsted e Faraday, sono due manifestazioni della stessa entità, il campo elettromagnetico.
Maxwell, infatti, introduce in questa teoria il concetto di “campo” che sarà cruciale in tanti altri settori della fisica moderna.
La straordinaria capacità di astrazione matematica di Maxwell, lo portò a calcolare la velocità delle onde elettromagnetiche che verranno generate in laboratorio, e quindi osservate, soltanto dopo un decennio da Heinrich Rudolf Hertz. Calcolando la velocità di queste onde teoriche, scoprì che era molto vicina alla velocità della luce misurata sperimentalmente pochi anni prima.
Maxwell concluse che “la velocità delle ondulazioni nel nostro ipotetico mezzo concorda così esattamente con la velocità della luce calcolata dagli esperimenti ottici di Hippolyte Fizeau, che possiamo difficilmente evitare di supporre che la luce consista nelle ondulazioni dello stesso mezzo che è la causa dei fenomeni elettrici e magnetici”.
Questa sua supposizione rappresenta un passo fondamentale verso l’unificazione dell’elettromagnetismo e dell’ottica.
Le equazioni di Maxwell nelle sue applicazioni
Anche per chi si occupa di scienze della Terra e dell’ambiente, la figura di questo straordinario scienziato scozzese assume una rilevanza profonda. Dallo studio del nucleo terrestre, della magnetosfera, alla comprensione dei fenomeni atmosferici e delle interazioni Terra Sole, fino alle tecnologie diagnostiche utilizzate per misurare parametri fisici, le equazioni di Maxwell sono fondamentali. Il suo sforzo per dare una descrizione precisa dei fenomeni elettromagnetici è stato la base per decifrare i segreti del nostro pianeta.
La teoria di Maxwell ha aperto la strada all’era del telerilevamento satellitare, uno dei pilastri fondamentali per gli studi nel campo della Geofisica. I satelliti che orbitano intorno alla Terra non fanno altro che catturare la radiazione elettromagnetica riflessa o emessa dal nostro pianeta a diverse lunghezze d’onda, dallo spettro visibile all’infrarosso, fino alle microonde.
Ogni elemento della superficie terrestre (la vegetazione, gli specchi d’acqua, le coperture glaciali, i suoli nudi o le aree urbanizzate) interagisce con le onde elettromagnetiche in modo unico, assorbendo alcune frequenze e riflettendone altre. Questa risposta spettrale, una sorta di impronta digitale ottica ed elettromagnetica, permette agli scienziati di quantificare il ritiro dei ghiacciai montani, di misurare la temperatura superficiale degli oceani e di tracciare la diffusione degli inquinanti nell’atmosfera.
I satelliti GNSS che orbitano attorno alla Terra trasmettono continuamente segnali elettromagnetici nelle radiofrequenze contenenti informazioni sull’atmosfera che attraversano, sulla posizione dei ricevitori a terra e dei nostri cellulari, sul suolo su cui sono installati i ricevitori, sulle maree, sul ghiaccio.
Gli oggetti di uso comune come il telefono cellulare e la radio vita, utilizzano onde elettromagnetiche.
Un avanzamento nella fisica teorica pura, nato dal desiderio di comprendere la natura astratta dell’elettricità e del magnetismo, si traduce, a distanza di oltre un secolo, negli strumenti indispensabili per proteggere le popolazioni dai rischi naturali, per gestire le risorse ambientali e per comprendere il passato geologico del nostro pianeta.
La storia di Maxwell mostra come la matematica non sia un mero esercizio di calcolo, ma un linguaggio potente e predittivo capace di descrivere la realtà invisibile. Raccontare come un sistema di equazioni scritto nella seconda metà dell’Ottocento permetta oggi a un satellite in orbita di raccontarci il nostro pianeta è il modo migliore per trasmettere il valore profondo e la bellezza della ricerca scientifica.
a cura di Ingrid Hunstad