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Le equazioni di Maxwell e il problema dell'etere

La scoperta da parte di Maxwell delle equazioni generali dell'elettromagnetismo e le conseguenze che ne derivarono costituiscono, storicamente, il punto di partenza di una serie di esperimenti, teorie, scoperte, che finalmente porteranno Einstein, nel 1905, alla formulazione della teoria della relatività con un articolo apparso sugli Annalen der Physik, Vol.17, che si intitola, appunto, Zur Elektrodynamic bewegeter Körper (Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento).

La prima pubblicazione in forma completa delle equazioni ormai universalmente conosciute come Equazioni di Maxwell è del 1873, nel lavoro Electricity and Magnetism.

É significativo, a proposito dell'importanza di queste equazioni, quanto scrive Richard Feynmann nel suo The Feynmann lectures on Physics: "Guardando alla storia dell'umanità su un lungo periodo di tempo, vista, diciamo, fra diecimila anni, ci possono essere pochi dubbi che la scoperta da parte di Maxwell delle leggi dell'elettrodinamica sarà giudicata l'evento più significativo del 19° secolo. La Guerra Civile Americana impallidirà al rango di un insignificante avvenimento di provinciale importanza, in paragone a quell'importante evento scientifico dello stesso decennio." (Vol.II, 1-6). 

C'è un'altra osservazione contenuta nel capitolo 1 del volume II del citato libro di Feynmann che ci pare molto interessante, e che parla del campo magnetico come effetto relativistivo, anche se per comprenderla appieno dovremo attendere l'introduzione dei "fattori di correzione relativistica del moto". Dalle considerazioni di Feynmann discende che la relatività, per i fenomeni elettromagnetici, è una necessità, indipendentemente dalla velocità a cui si opera: se è, forse, possibile studiare, come approssimazione di una teoria generale, una meccanica "delle basse velocità" (... e delle dimensioni spazio-temporali "ordinarie") tecnicamente semplice ma verificabile con estrema precisione nella stragrande maggioranza dei "casi concreti",  nell'elettromagnetismo ciò non è affatto possibile, in quanto le "correzioni relativistiche" sono alla base stessa dei fenomeni elettromagnetici.

Le equazioni di Maxwell si possono scrivere, in forma integrale, nel seguente modo:

img.

A queste equazioni va naturalmente aggiunta la img, che specifica in che modo i campi agiscono sulle cariche.

Conseguenza fondamentale di queste equazioni è la previsione, teorica, dell'esistenza di onde elettromagnetiche, propagantesi con velocità img. Questa previsione, puramente teorica, fu confermata da una serie di famosi esperimenti di H.Hertz, negli anni 1886-89, quindi parecchi anni dopo la pubblicazione del lavoro di Maxwell. Queste equazioni, nate per esigenze matematiche, prevedevano fenomeni che avevano un fondamento  sperimentale. Esse posero subito alcuni problemi ai fisici della seconda metà del diciannovesimo secolo.

Innanzitutto prevedevano l'esistenza di onde, propagantesi con velocità uguale alla già nota velocità della luce, senza richiedere un mezzo che serva da supporto, in contrasto con quanto succedeva per esempio per le onde acustiche; inoltre non erano invarianti per effetto di una  trasformazione galileiana; infine restava da determinare rispetto a quale riferimento dovesse essere misurata la prevista velocità di queste onde.

Per tentare di risolvere questi problemi si introdusse il concetto di "etere", già utilizzato per le onde luminose. L'etere era una sostanza che riempiva tutto l'universo, compreso lo spazio interstellare e che serviva da supporto per la propagazione di queste onde. La velocità c era allora la velocità delle onde rispetto all'etere e le equazioni di Maxwell erano valide solo in un riferimento solidale all'etere. Questa sostanza doveva essere rigidissima per poter consentire velocità di propagazione così elevate (é noto che le onde acustiche viaggiano con velocità tanto maggiore quanto più rigida é la sostanza in cui si propagano), ma contemporaneamente doveva essere così poco densa da non influenzare il moto delle stelle e dei pianeti. Nonostante questa contraddizione presente già all'origine, l'idea dell'etere fu molto "dura a morire".

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pagina pubblicata il 01/12/2000 - ultimo aggiornamento il 01/09/2003