Onde elettromagnetiche: cosa sono e perché sono importanti?

Spiegare cosa sono le onde elettromagnetiche non è compito semplice. Esse sono presenti in decine di campi e teorie, e sono alla base di molte delle tecnologie moderne che ci permettono di compiere una miriade di azioni, dalle più banali, come guardare la televisione, alle più complesse, come comunicare con sonde spaziali a miliardi di kilometri da noi. Perciò questo articolo abbraccerà varie tematiche, dalla matematica alla fisica, sempre cercando di non scendere in dettagli inutili, ma di rimanere esaustivo e completo.
Allacciatevi le cinture, perché stiamo per affrontare un viaggio lungo dei secoli: ne usciremo però rinvigoriti grazie alle conoscenze acquisite che ci permetteranno di conoscere meglio il mondo che ci circonda.

CLASSICITÀ E MODERNITÀ

Prima ancora di iniziare a parlare di onde elettromagnetiche, di cosa sono, di come si utilizzano e perché sono importanti, è necessario stabilire fin da subito una differenziazione, che è alla base non solo dell’argomento in questione, quanto dell’intera fisica.
La fisica si può dividere sommariamente in due parti: la fisica classica e la fisica moderna. La fisica classica è quella di Isaac Newton e Galielo Galilei; è una fisica che risponde alla logica umana e, seppur complicata, riscontrabile nella vita di tutti i giorni. La fisica moderna è quella di Albert Einstein e Paul Dirac, ovvero la relatività e la meccanica quantistica; esse non sono immediate, e i loro risultati possono delle volte sembrare illogici: questo non le rende meno reali.
Le onde elettromagnetiche sono state studiate ed usate da entrambe le fazioni, portando a risultati e scoperte straordinari. Per questo sarà necessario dividere la nostra discussione in due sezioni distinte, che rappresentino la fisica classica e la fisica moderna.

LA FISICA CLASSICA

La fisica classica ha le sue prime origini nell’antica Grecia. Decine di filosofi avevano iniziato a porsi domande sui fenomeni naturali, utilizzando la ragione per darsi risposte. Dobbiamo però aspettare Galileo Galileo affinché nasca a tutti gli effetti il metodo scientifico. Lui e molti suoi contemporanei capirono che la matematica poteva essere utilizzata come strumento per sondare e spiegare la natura. La fisica classica ebbe, in soli due secoli, sviluppi enormi: si riuscì a rispondere a moltissime domande tanto che, vero la fine dell’800, si pensava che mancasse poco affinché l’intero universo avesse una spiegazione. Le onde elettromagnetiche provarono il contrario.

Elettricità e magnetismo: la strada verso le onde elettromagnetiche

Il magnetismo è un fenomeno conosciuto fin dall’antichità: il nome stesso viene dagli antichi greci, che notarono come un tipo di roccia, la magnetite, potesse attirare o fosse attirata da oggetti ferrosi. Le conoscenze fisiche dei popoli antichi non erano però sufficienti a spiegare il fenomeno. Si dovette aspettare vari secoli prima che trattati fisici veri e propri venissero scritti, con un esempio su tutti la “Epistola de magnete” del 1296, che introdusse i concetti di polo nord e sud in un magnete.
I primi veri esperimenti riguardanti il magnetismo dovettero però aspettare ulteriori anni: fu solo all’inizio del 1800 che Biot, Savart e Ampére, scienziati francesi, iniziarono a sperimentare con materiali magnetici ed utilizzare il linguaggio matematico per descriverli.
Soltanto con l’avvento della fisica moderna e lo studio a livello atomico e subatomico siamo però riusciti a descrivere completamente il fenomeno del magnetismo.

Così come il magnetismo, anche l’elettricità era ben nota agli antichi: basti pensare che la parola stessa deriva da “ἤλεκτρον” ovvero il nome in greco antico dell‘ambra, materiale che mostrava segni di elettricità elettrostatica.
L’elettricità è presente in fenomeni quali i fulmini, ed è perciò naturale che i primi esperimenti fecero uso della natura per indagare il fenomeno.
Si dovette nuovamente aspettare però l’arrivo del XIX sec. affinché venisse sviluppata una matematica in grado di descrivere i fenomeni elettrici. Oltre alla matematica, il XIX sec. è stato anche periodo di grande ingegneria elettrica: basti pensare alla corrente alternata di Tesla e alle pile di Alessandro Volta.

Onde elettromagnetiche classiche e campi

Dopo i cenni storici su elettricità e magnetismo, è il momento di parlare dei campi elettrico e magnetico.
Prima di tutto: cosa sono i campi?
In fisica, un campo è qualcosa che permea tutto l’universo, e che può ricevere dei valori ad ogni punto.
Quindi, il campo elettrico è la descrizione di come una carica elettrica interagisca e modelli l’universo intorno a sé. Alla stessa maniera, il campo magnetico descrive interazioni magnetiche in tutto l’universo.
Oggi è conoscenza comune, anche solo etimologicamente, che questi due campi siano una cosa sola: si parla sempre infatti di campo elettromagnetico. Questa non era però una verità assodata fino a circa 150 anni fa. Parleremo più avanti del genio che seppe giungere a tale conclusione.
Per ora parleremo invece di cosa succede se questo capo elettromagnetico mostra delle turbolenze, ovvero delle oscillazioni.

In fisica, un’oscillazione è descrivibile come un’onda, con caratteristiche ben definite. Anche le oscillazioni del campo elettromagnetico sono onde, che possono essere descritte, spiegate, e sviluppate.
Il campo elettromagnetico, come dice il nome, è formato dall’unione dei campi elettrico e magnetico: quando questi oscillano l’uno perpendicolarmente all’altro, ecco che nascono le onde elettromagnetiche. Ancora una volta, questa intuzione è stata raggiunta da un genio della fisica, di cui parleremo nel paragrafo successivo.

Equazioni di Maxwell: la prima spiegazione teorica delle onde elettromagnetiche

Dopo la riscoperta, in chiave moderna, dell’elettricità e del magnetismo, vari scienziati hanno compiuto studi importanti che hanno portato ad un grande progesso in campo scientifico. Tra questi scienziati, dobbiamo ricordare quelli che hanno dato il nome a quattro importanti equazioni differenziali: Gauss, Ampére e Faraday.
Tutti e tre sono stati scienziati formidabili, ma ancora più di loro lo è stato il fisico inglese James Clerk Maxwell. Verso la metà del XIX sec. Maxwell riuscì, tramite sue modifiche e migliore, ad unificare le equazioni degli altri scienziati in unico sistema, di fatto portando ad un’unificazione dei campi elettrico e magnetico in unico campo elettromagnetico, e dando vita all’elettromagnetismo come branca della fisica. Questo sistema di equazioni dimostra infatti come una corrente possa generare un campo magnetico e viceversa, in maniera del tutto simmetrica e coerente con gli studi degli scienziati precedenti.

Le equazioni di Maxwell possono essere risolte, e le loro soluzioni mostrano forme ondulatorie: è la nascita delle onde elettromagnetiche.

Maxwell notò che nelle sue equazioni compariva una costante che non riusciva ancora bene ad identificare, nonostante avesse delle idee abbastanza fondate e non del tutto erronee. Questa costante verrà più avanti chiamata c e sarà utilizzata da un altro famoso fisico: Albert Einstein.

LA FISICA MODERNA

La fisica moderna nacque per cercare di spiegare fenomeni elettromagnetici che, per quanto già spiegati dalle equazioni di Maxwell, non riuscivano a volte a concordare con gli esperimenti. Einstein cercò di dare spiegazione riguardanti la velocità delle particelle e delle onde. Planck cercò di spiegare quello che accade a livello atomico, nell’infinitamente piccolo.

La velocità della luce e Einstein: come le onde elettromagnetiche siano importanti nella relatività

Dopo aver studiato per anni le geniali equazioni di Maxwell, Einstein giunse ad una conclusione: la costante, c, che compariva nelle equazioni era la velocità di propagazione delle onde stesse, ed essa è il limite massimo di velocità raggiungibile. Niente, secondo Einstein, poteva viaggiare più veloce delle onde elettromagnetiche nel vuoto: nasce la relatività ristretta.
La relatività ristretta non concerne infatti solamente studi su corpi che si avvinano alla velocità della luce, ma bensì anche su movimenti di cariche elettriche ed i campi magnetici da esse generati: si tratta perciò di uno studio totalmente comprensivo, che tocca tutti gli ambiti, incluse le onde elettromagnetiche stesse.
Fu una scoperta rivoluzionaria, che venne legittimata dalle scoperte di altri scienziati suoi coevi, scienziati che diedero vita all’altra famosissima branca della fisica moderna, ovvero la meccanica quantistica.

Onde elettromagnetiche moderne: Schrodinger, Planck, i fotoni e la meccanica quantistica

Dopo le scoperte di Maxwell, il mondo della fisica era quasi fermo: si pensava che, con la spiegazione dei fenomeni elettromagnetici, non ci fosse più nulla che gli esseri umani non sapessero. Gli scienziati dell’epoca peccarono forse di troppa sicurezza, poiché uno dei pochi problemi allora ancora inspiegabili, portò ad una totale rivoluzione della fisica, della logica, e della visione che gli umani hanno del mondo.
Ma andiamo con ordine.

I fisici di fine XIX sec. non sapevano spiegare lo spettro di radiazione di un corpo nero, ovvero un oggetto che assorbe tutta la radiazione ad esso incidente. Il concetto, introdotto da Kirchhoff nel 1862, venne spiegato solamente circa 40 anni dopo, dal geniale Max Planck. Egli suppose che l’energia, ovvero la radiazione elettromagnetica, del corpo nero non venisse rilasciata come un continuum, bensì come pacchetti discreti, quelli che lui chiamò quanti. Con l’introduzione dei quanti, i calcoli di Plank combraciarono finalmente con gli esperimenti.
Si dovette però aspettare 5 ulteriori anni, con la spiegazione dell’effetto fotolettrico da parte di Einstein, per avere la conferma: le onde elettromagnetiche erano composte di “particelle”, con energia ben definita. Questa fu una rivoluzione completa del pensiero fisico-matematico avuto fino ad allora. Si era convinti che le onde elettromagnetiche fossero, come dice il nome, onde: un continuum senza delimitazioni. Si era arrivati ora alla conclusione che si trattasse invece di particelle.

Non si dovette aspettare molto affinché un altro fisico, Loius de Broglie, ebbe un’intuizione a dir poco geniale quanto controversa: forse le onde elettromagnetiche, e anche tutti i corpuscoli, possono essere considerate sia particelle sia onde, a seconda di come le vediamo. Possono essergli quindi assegnati caratteristiche tipiche della materia discreta, ma anche delle onde. Vari esperimenti, tra cui il famoso esperimento della doppia fenditura di Young con un solo fotone, dimostrarono che questa era la realtà subatomica ed elettromagnetica: un solo fotone mostra segni di interferenza con sé stesso, come se fosse un’onda, ma possiede quantità di moto.

Tutto ciò descritto finora sconvolse completamente la fisica, ma mancava ancora una conferma, quella che avrebbe dato davvero legittimità alle scoperte: mancavano un’impalcatura ed un formalismo matematico che potessero descrivere tutta la teoria.
Intervenne proprio qui un famoso scienziato tedesco, Ewrin Schrödinger. Egli formulò infatti una famosa equazione che potesse descrivere l’evoluzione nel tempo di un qualsiasi sistema, fosse esso fotone o particella, con soluzioni oscillatorie, rappresentando ovvero un’onda.
Quello che lasciò però interdetti vari scienziati fu la natura probabilistica della neonata fisica quantistica: non si parlava più infatti di determinismo e di misure assolute; si parlava ora di probabilità di trovare una particella ad una determinata località. Questa interpretazione della realtà perplesse Einstein, che disse le famose parole “Dio non gioca a dadi con il mondo“.
Per quanto ad Einstein non piacesse, la meccanica quantistica prese il sopravvento sulla fisica, che inizò ad usare questa nuova teoria per cercare di descrivere tutto l’universo.

IMPLICAZIONI

Questo nostro viaggio attravero la storia delle onde elettromagnetiche finisce qui. Ma abbiamo ancora cose di cui parlare, e lo faremo in questo paragrafo.

Abbiamo detto che le onde elettromagnetiche trasportano energia, e così fanno anche i fotoni. Questo è molto importante: l’energia con cui un fotone colpisce la retina dei nostri occhi scatena una reazione elettrochimica nel cervello, che collega il fotone ad un colore. Ovvero: fotoni di energie diverse sono percepiti con colori diversi. Questo è il motivo per cui vediamo i colori: i fotoni riflessi dagli oggetti posseggono energie variabili, che il nostro cervello interpreta poi come colori differenti.

Ma non finisce qui: lo spettro elettromagnetico, ovvero la gamma di valori ottenibili dalla frequenza delle onde elettromagnetiche o dall’energia dei fotoni, è molto vasta. Talmente vasta che i nostri occhi e cervello ne possono percepire solamente una minima parte. Lo spettro ottico visibile dagli umani è infatti composto da onde con lunghezza d’onda compresa tra 300 e 700 nanometri. Lunghezze minori vengono definite come ultraviolette, raggi X e raggi gamma, mentre lunghezze maggiori sono chiamate infrarosse, microonde e radio.

Già solo leggendo i nomi di questi diversi tipi di onde potete capire quanto le onde elettromagnetiche siano presenti nella vita di tutti i giorni. Quando scaldate il cibo nel forno a microonde state utilizzano onde elettromagnetiche, così come quando ascoltate la radio. Quando andate all’ospedale per un osso rotto, le lastre che vi mostra il dottore sono ottenute con raggi X, gli stessi utilizzati ai controlli di sicurezza degli aeroporti. Quando osservate delle fotografie scattate dal telescopio spaziale Hubble, esse sono state ottenute grazie a onde elettromagnetiche che hanno impressionato il sensore della macchina fotografica, con diverse energie e diverse lunghezze d’onda.
Le onde elettromagnetiche sono presenti in ogni singolo aspetto della nostra vita: è nostro compito comprenderle ed imparare ad usarle.

In caso desideriate avere una visione più matematica delle onde elettromagnetiche, potete fare riferimento a Elementi di Fisica. Elettromagnetismo e Onde di Mazzoldi e Nigro, un libro di testo universitario che è però consultabile, con qualche piccolo sforzo, da tutti coloro che hanno terminato le scuole superiori.