Episodio III: Onde elettromagnetiche all’alba della Relatività
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Eccoci giunti alla terza puntata della guida per gli aspiranti viaggiatori del tempo, pronti a compiere un nuovo passo nel nostro intrigante percorso alla scoperta dei segreti della quarta dimensione.
Ciascuno di noi avrà sicuramente sentito nominare, anche solo di sfuggita, la famigerata teoria della relatività; quella serie di bizzarre idee, decisamente sconvolgenti per l’epoca, formalizzate più di cento anni fa da un tizio con i capelli arruffati ed i baffoni chiamato Albert… Sì, la stessa persona che lavorava in un ufficio brevetti e che aveva fatto firmare alla moglie un accordo prematrimoniale (più simile ad un contratto di schiavitù volontaria, direi) in cui erano elencati tutti i doveri della povera consorte. Vabbè, ad ognuno il suo.
Ad ogni modo, la conoscenza della teoria di Einstein e delle sue conseguenze è imprescindibile per ogni viaggiatore nel tempo che si rispetti. Proprio i concetti espressi dalla meccanica relativistica – come piace chiamarla ai fisici – rappresentano infatti la solida base di tutti i modelli per la costruzione di una moderna macchina del tempo. Questo episodio della nostra guida ed il prossimo saranno dunque dedicati ad introdurre la teoria della relatività; analizzeremo i presupposti fondamentali che hanno portato alla sua nascita e comprenderemo perché questa branca della fisica risulti un tassello necessario per capire i viaggi nel tempo.
Spesso accade nella storia della scienza che una scoperta, erroneamente attribuita ad una singola persona, sia invece il frutto combinato di una serie di piccoli passi, più o meno noti, compiuti da diversi ricercatori talvolta operanti in ambiti e contesti totalmente differenti. Anche per la teoria della relatività la situazione è analoga: per quanto Einstein sia stato – e rimanga tuttora – un personaggio di indiscussa genialità, le varie conquiste della “sua” relatività non sono che la punta di un iceberg molto più profondo, composto da ricerche, esperimenti e studi condotti per oltre un secolo. Al nostro Albert dobbiamo riconoscere la formidabile combinazione di intuito ed ingegno nell’aver connesso ed impastato tutti gli ingredienti, per creare una delle ricette scientifiche più deliziose dell’ultimo secolo.
Per apprezzare appieno l’importanza della relatività ed il ruolo cardine di Einstein, dobbiamo partire da un signore di nome James Clerk (sì, non Clark) Maxwell; egli, nel 1864, presentò alla Royal Society of London quattro formule matematiche che unificavano tutti i concetti sull’elettricità e sul magnetismo sviluppati in precedenza da diversi illustri scienziati, quali Faraday, Ampère e Gauss, giusto per citarne alcuni. Queste equazioni – ad oggi note come equazioni di Maxwell – hanno segnato un passo fondamentale nella storia della scienza e dell’umanità, portando alla luce una serie di conseguenze molto interessanti.
Con un po’ di rude matematica, infatti, è possibile mostrare che le formule di Maxwell descrivono la propagazione di onde, ovvero oscillazioni simultanee del campo elettrico e del campo magnetico nello spazio e nel tempo. Già, signore e signori, stiamo parlando delle temutissime, famigerate onde elettromagnetiche. Le stesse che controllano le menti e trasportano virus per iniettare vaccini a distanza (cit.).
Scherzi a parte, le onde elettromagnetiche oggigiorno costituiscono la base di tutte le tecnologie moderne, telecomunicazioni, internet e molto altro ancora. Diverse persone sono convinte che le onde elettromagnetiche siano fenomeni estremamente pericolosi, prodotti artificialmente e nocivi per la salute; strumenti utilizzati dai potenti del mondo per scopi malvagi… ma cosa c’è di vero? Permettetemi di fare una breve digressione sull’argomento e spiegare cosa siano queste entità un po’ troppo avvolte nel mistero (e nel complotto, aggiungerei).
Spesso si dice che l’essere umano teme ciò che non conosce. Proprio per questo motivo, ritengo che non ci sia modo migliore per comprendere le onde elettromagnetiche che non vederle direttamente con i vostri occhi. Vi invito dunque a fare un piccolo esperimento, semplice, alla portata di tutti, da realizzare comodamente a casa vostra e totalmente privo di rischi.
Recatevi in una stanza della vostra abitazione che sia sufficientemente buia. Nel caso sia giorno, provate ad abbassare completamente le tapparelle. A questo punto recatevi al centro della stanza e chiedete ad un vostro partner di premere l’interruttore della luce. Appena i vostri occhi si saranno abituati, volgete lo sguardo verso la fonte d’illuminazione e… voilà! State osservando una sorgente di onde elettromagnetiche. Ora abbassate gli occhi e guardate le vostre mani; quello che vedete è un’altra fonte di onde elettromagnetiche!
Vi state forse domandando se io sia pazzo? La risposta è ovviamente affermativa, ma non per quello che ho appena scritto. L’onda elettromagnetica è ciò che più comunemente chiamiamo “luce”. A dirla tutta, la parola “luce” viene usata in modo improprio per indicare solo una parte delle onde o, come si dice in gergo tecnico, dello spettro elettromagnetico: il visibile, cioè quell’insieme di onde che possiamo osservare direttamente con i nostri occhi.
La luce trasporta energia; più l’onda è fitta, più volte si ripete ogni secondo (in altre parole più alta è la frequenza), maggiore è l’energia. Viceversa, le onde più larghe sono quelle caratterizzate da una minore energia. Della luce visibile, il colore rosso è quello associato all’energia più bassa mentre il blu ed il violetto sono i colori legati alla luce più energetica. È esattamente l’opposto di quello che istintivamente siamo portati a pensare: tendenzialmente il rosso è associato al caldo, all’energia, mentre il blu al freddo.
Volendo semplificare (fisici, vi prego, non uccidetemi), possiamo immaginare le onde elettromagnetiche come costituite da tanti pacchetti di energia chiamati fotoni o, come piace dire a chi è del settore, quanti del campo elettromagnetico.
Ovviamente le onde non si esauriscono con il violetto e con il rosso. Andando ad energie più elevate troviamo gli ultravioletti, radiazione invisibile ai nostri occhi che permette ad alcune persone (il sottoscritto dalla bianca pelle non è contemplato) di assumere una piacevole abbronzatura. Spingendoci ancora oltre abbiamo i raggi X ed infine i raggi gamma, fotoni caratterizzati da energie veramente notevoli.
Al di sotto del rosso troviamo invece gli infrarossi, le microonde e le onde radio. I nostri corpi, ad esempio, emettono radiazione infrarossa; se potessimo vedere questo tipo di luce appariremmo come delle chiazze luminose, motivo per cui alcuni visori notturni si basano proprio sulle telecamere ad infrarossi!
Lasciamo ad altri contesti la contorta discussione sul tema “le onde elettromagnetiche fanno male” (richiederebbe un libro a parte e tanta, tantissima pazienza per essere completamente esaurita) e torniamo all’argomento principale della guida. Cosa centra tutto questo con i viaggi nel tempo e con la relatività? Il collegamento appare sottile, ma rappresenta il nodo cruciale di tutta la nostra storia. Le equazioni di Maxwell contengono la pietra miliare sulla quale si fonda la teoria di Einstein, un tassello essenziale per preparare il terreno al mosaico che da lì a poco si sarebbe sviluppato: la velocità con la quale le onde elettromagnetiche si propagano, la velocità della luce.
Era il 1887 quando due signori statunitensi, di nome Albert Michealson e Edward Morley, realizzarono un particolare apparato sperimentale, chiamato interferometro, in un seminterrato della Western Reserve University di Cleveland, Ohio; l’esperimento, del quale ci occuperemo in dettaglio nella prossima puntata, era legato alla misura della velocità delle onde elettromagnetiche, osservate da differenti “punti di vista”. I risultati ottenuti furono davvero sorprendenti, destinati a cambiare per sempre il modo di interpretare i fenomeni naturali.
Ci siamo, cari viaggiatori. Le basi sono state gettate, il chiarore della nuova era della fisica moderna già si scorge all’orizzonte. Preparatevi, perché d’ora in poi le cose si faranno strane, curiose e sempre più affascinanti… appuntamento al prossimo episodio!
Se avete perso la puntata precedente, potete trovarla qui.
Sono ricercatore di Astrofisica e Cosmologia presso l’Università di Milano Bicocca. Da più di tre anni svolgo eventi di divulgazione in giro per l’Italia e non solo. Autore di tre libri divulgativi, collaboro tuttora con diverse associazioni, Università ed istituti di ricerca per la diffusione della conoscenza scientifica alla comunità. Nella mia visione, la scienza è una forma d’arte in grado di deliziare, intrattenere e divertire permettendoci in aggiunta di imparare qualcosa di nuovo e sorprendente.
