Confesso che domande di questo tipo sottendono riflessioni filosofiche
che mi mettono un po’ a disagio. A mio avviso, infatti, la Scienza fornisce
più risposte sui “come” che sui “perché”. Per fare un esempio, non sappiamo
(io, almeno, non lo so di certo) perché due corpi dotati di massa
si attirino l’un l’altro (cioè perché esista la gravitazione), ma siamo
in grado di descrivere come ciò avvenga con una accuratezza tale
da poter prevedere con grande precisione il moto dei corpi celesti, le
eclissi, le traiettorie dei veicoli che inviamo nello spazio etc.
Ma veniamo alla domanda. Il sig. Vicari si chiede che senso abbia parlare
di propagazione ondulatoria del campo elettromagnetico nel vuoto. Evidentemente
ha senso parlarne, vorrei rispondere, visto che è un fenomeno che avviene:
la luce del sole, per fare l’esempio più ovvio, è sicuramente un campo
elettromagnetico e viaggia sicuramente nel vuoto. Un gran numero di classiche
esperienze di diffrazione e di interferenza dimostra che questa propagazione
ha un carattere ondulatorio. Siamo di fronte ad un fenomeno osservato,
dobbiamo evidentemente prenderne atto e cercare di spiegarlo e descriverlo
sulla base delle leggi note.
In effetti, nel caso dell’onda elettromagnetica (a differenza di quanto
avviene con le onde elastiche), non vi è un supporto materiale all’oscillazione:
sono le ampiezze istantanee degli stessi vettori campo elettrico e campo
magnetico che variano sinusoidalmente nello spazio e nel tempo. Per quanto
immateriali, il campo elettrico ed il campo magnetico sono comunque grandezze
fisiche concrete, che descrivono la capacità di esercitare una forza e,
insieme, sono in grado di trasportare energia, come del resto implicitamente
riconosce la domanda stessa da cui siamo partiti.
Il comportamento del campo elettromagnetico è descritto da un sistema
di equazioni (equazioni di Maxwell) fondate sull’osservazione dei
fenomeni elettrici e magnetici elementari. L’energia elettromagnetica
non “sceglie” di propagarsi in un modo piuttosto che in un altro, semplicemente
la propagazione avviene secondo quella particolare soluzione delle equazioni
di Maxwell che risulta determinata dalle caratteristiche della sorgente
(l’equivalente dell'”agente del moto”, ovvero del “pistoncino” citato
nella domanda) e dalle condizioni al contorno, cioè dalle proprietà fisiche
e geometriche dell’ambiente in cui la propagazione avviene.
Più in dettaglio, come è noto, il campo elettrico è la grandezza
fisica attraverso la quale descriviamo una regione di spazio le cui proprietà
sono perturbate dalla presenza di una distribuzione di carica elettrica.
Il modo più evidente con cui questa perturbazione si manifesta è attraverso
la forza che viene sperimentata da una qualunque altra carica introdotta
nel campo stesso. Analogamente, attraverso il concetto di campo magnetico
descriviamo la perturbazione delle proprietà dello spazio determinata
dalla presenza di una distribuzione di corrente elettrica, perturbazione
che si manifesta con una forza che agisce su qualunque altra corrente
elettrica introdotta nel campo. Carica elettrica e corrente elettrica
sono dunque le sorgenti materiali rispettivamente del campo elettrico
e del campo magnetico.
Se tutto finisse qui, non esisterebbero né campo elettromagnetico né
onde elettromagnetiche. Invece, risulta che un campo elettrico può essere
generato, oltre che da una distribuzione di carica elettrica, anche da
un campo magnetico variabile nel tempo; analogamente, un campo
magnetico può essere generato, oltre che da una distribuzione di corrente
elettrica, anche da un campo elettrico variabile nel tempo. In altre parole,
quando si è in regime variabile nel tempo, campo elettrico e campo
magnetico divengono uno la sorgente (cioè la “causa”) dell’altro.
Grazie a questa interdipendenza, il campo elettrico ed il campo magnetico
possono propagarsi a distanza indefinita dalla sorgente, sostenendosi
l’un l’altro: i campi, cioè, si portano dietro le loro sorgenti! Così
ha origine il campo elettromagnetico. La forma del campo, cioè
l’effettivo andamento dell’ampiezza istantanea dei due vettori nello spazio
e nel tempo, dipende, come si diceva, da quale soluzione del sistema delle
equazioni di Maxwell sia resa possibile dalle caratteristiche della sorgente
e dell’ambiente dove avviene la propagazione.
L’onda elettromagnetica è appunto una particolare soluzione delle
equazioni di Maxwell, nella quale campo elettrico e campo magnetico oscillano
sinusoidalmente nello spazio e nel tempo, mantenendosi in fase ed in rapporto
di ampiezze costante e restando perpendicolari tra di loro e con la direzione
di propagazione. Perché questa modalità che, ripeto, non è altro che una
soluzione particolare tra le infinite possibili, ha così tanto interesse
da divenire in un certo senso la soluzione per antonomasia? I motivi sono
tanti e mi limiterò ad elencarne sinteticamente alcuni.
- Siccome
il campo elettromagnetico esiste solo in regime di variabilità temporale,
sono particolarmente interessanti i fenomeni periodici, in cui questa
variabilità si ripete in modo regolare e duraturo. La sinusoide è il
più semplice e fondamentale fenomeno periodico ed è il più agevole da
studiare matematicamente. - In molte
applicazioni (pensiamo alle telecomunicazioni) è tecnicamente semplice
(grazie per esempio ai circuiti risonanti induttanza/capacità) e praticamente
vantaggioso generare campi sinusoidali. Ciò consente infatti di assegnare
precise frequenze o bande di frequenza alle varie applicazioni, che
in questo modo possono coesistere senza disturbarsi a vicenda. - In natura,
la radiazione elettromagnetica (penso in particolar modo a quella solare)
è costituita in pratica da un grande numero di “spezzoni” di emissioni
sinusodali. Ognuno di essi ha origine quando un elettrone, eccitato
da una qualche causa esterna, torna al suo stato fondamentale riemettendo
sotto forma elettromagnetica l’energia ricevuta in fase di eccitazione:
come è noto, la frequenza del “frammento” di sinusoide emesso è legata
attraverso la costante di Planck proprio all’energia ricevuta e restituita
dall’elettrone. - Infine,
grazie allo sviluppo in serie o alla trasformata di Fourier, una qualunque
grandezza variabile nel tempo può essere matematicamente rappresentata
come sovrapposizione di un numero, eventualmente infinito, di componenti
sinusoidali, il cui studio acquista quindi grande interesse e generalità.