Michael Faraday e l’invisibile che governa la materia

A 159 anni dalla morte dello scienziato britannico, le sue ricerche sull’elettricità e sul magnetismo ricordano una lezione fondamentale della scienza : non tutto ciò che è reale deve essere direttamente visibile ai nostri sensi

Il 25 agosto 1867 moriva Michael Faraday, uno dei protagonisti della rivoluzione scientifica dell’Ottocento. La sua eredità è presente praticamente ovunque nella nostra vita quotidiana: motori elettrici, generatori, trasformatori e gran parte delle tecnologie basate sull’elettromagnetismo affondano le proprie radici nelle scoperte alle quali contribuì in maniera decisiva. Ma forse il lascito più profondo di Faraday non riguarda una singola invenzione. Riguarda il nostro modo di concepire ciò che è fisicamente reale anche quando non possiamo vederlo.

Nato nel 1791 in una famiglia di modeste condizioni, Faraday non seguì il percorso accademico tipico dei grandi scienziati del suo tempo. Fu apprendista rilegatore e si formò in larga misura attraverso la lettura e l’esperienza sperimentale, fino a entrare alla Royal Institution e diventare uno dei maggiori sperimentatori della storia della fisica. Tra le sue scoperte figurano le rotazioni elettromagnetiche nel 1821, l’induzione elettromagnetica nel 1831, importanti leggi dell’elettrolisi, l’effetto magneto-ottico e il diamagnetismo nel 1845. La Royal Institution attribuisce inoltre proprio a Faraday lo sviluppo della teoria di campo dell’elettromagnetismo.

Elettricità e magnetismo: due mondi che cominciano a unirsi

All’inizio dell’Ottocento elettricità e magnetismo erano ancora fenomeni la cui relazione doveva essere pienamente compresa. Una svolta arrivò nel 1820, quando Hans Christian Ørsted mostrò che una corrente elettrica poteva influenzare un ago magnetico. Faraday riprodusse quegli esperimenti e nel 1821 riuscì a ottenere un movimento meccanico continuo attraverso l’interazione elettromagnetica: un passaggio fondamentale verso il motore elettrico.

Dieci anni più tardi arrivò una scoperta ancora più importante. Nell’agosto del 1831 Faraday sperimentò con un anello di ferro sul quale erano avvolte bobine separate. Mostrò che una variazione della corrente in un circuito poteva indurre una corrente nell’altro. Era uno dei passaggi fondamentali della scoperta dell’induzione elettromagnetica. La Royal Institution conserva ancora l’apparato utilizzato per questi esperimenti.

Il principio è alla base della generazione elettrica: in termini moderni, una variazione del flusso del campo magnetico attraverso un circuito induce una forza elettromotrice. È difficile esagerarne l’importanza. Una parte fondamentale della civiltà elettrica contemporanea deriva da quel principio. Ma Faraday non si limitava a registrare gli effetti. Cercava di capire che cosa stesse accadendo nello spazio tra gli oggetti.

Le linee di forza

Qui emerge una delle intuizioni più profonde di Faraday. Pensiamo a un magnete e a un pezzo di ferro posti a una certa distanza. Osserviamo che tra loro agisce una forza. Ma che cosa c’è nello spazio che li separa ? Per lungo tempo la fisica aveva potuto ragionare in termini di forze esercitate a distanza. Faraday cominciò invece a dare un’importanza fisica crescente a quelle che chiamava linee di forza.

L’esperimento scolastico della limatura di ferro intorno a un magnete ne offre ancora oggi un’immagine intuitiva: i frammenti si dispongono secondo configurazioni caratteristiche. Naturalmente le linee che disegniamo non sono fili materiali nascosti nello spazio. Sono una rappresentazione della struttura del campo.

Ma l’intuizione fondamentale è potentissima: lo spazio apparentemente vuoto intorno a un corpo può possedere proprietà fisicamente rilevanti. La Royal Institution conserva ancora diagrammi realizzati da Faraday nel 1851 utilizzando limatura di ferro per mostrare le linee di forza magnetiche.

Dal genio sperimentale alla matematica di Maxwell

Faraday aveva capacità sperimentali e intuitive straordinarie, ma non possedeva la formazione matematica avanzata di alcuni suoi contemporanei. Furono soprattutto altri, e in particolare James Clerk Maxwell, a trasformare quelle intuizioni fisiche in una poderosa struttura matematica.

Le equazioni di Maxwell avrebbero unificato elettricità e magnetismo e mostrato qualcosa di ancora più sorprendente: una perturbazione del campo elettromagnetico può propagarsi nello spazio sotto forma di onda. E la luce stessa è un’onda elettromagnetica.

Faraday aveva già ottenuto nel 1845 un indizio sperimentale straordinario del legame tra luce e magnetismo. Nel suo laboratorio fece attraversare da luce polarizzata un materiale sottoposto a un campo magnetico e osservò una rotazione del piano di polarizzazione. Oggi chiamiamo questo fenomeno effetto Faraday. La Royal Institution considera quell’esperimento un passaggio cruciale nello sviluppo della teoria elettromagnetica di campo.

Quello che sembrava un insieme di fenomeni differenti — elettricità, magnetismo e luce — cominciava così ad apparire come manifestazione di una realtà fisica più profondamente unitaria.

Che cos’è un campo ?

Nel linguaggio della fisica moderna un campo associa a ogni punto dello spazio e del tempo una determinata grandezza fisica. Possiamo pensare, per esempio, al campo gravitazionale terrestre. Non abbiamo bisogno di mettere un oggetto in ogni punto dello spazio per dire che lì esiste il campo: l’oggetto, se presente, ne subirebbe gli effetti.

Un campo elettrico descrive invece quale forza agirebbe su una carica elettrica posta in una determinata posizione. Analogamente possiamo definire un campo magnetico. Questa idea ha trasformato profondamente la fisica.

Lo spazio non è più soltanto il palcoscenico vuoto sul quale gli oggetti esercitano misteriosamente forze gli uni sugli altri. Il campo diventa parte della descrizione fisica della realtà. Ed è proprio qui che Faraday diventa particolarmente interessante anche per una riflessione epistemologica.

Reale significa necessariamente visibile ?

Non vediamo direttamente un campo magnetico. Vediamo una bussola orientarsi. Vediamo la limatura di ferro disporsi secondo determinate configurazioni. Misuriamo forze, correnti e variazioni energetiche. Attraverso esperimenti riproducibili costruiamo modelli matematici capaci di prevedere ciò che accadrà.

La scienza arriva così a descrivere qualcosa che non coincide con ciò che i nostri sensi percepiscono immediatamente. Non significa naturalmente che qualsiasi realtà invisibile debba essere accettata come scientificamente esistente. Sarebbe l’esatto contrario del metodo scientifico.

Un’entità non diventa scientificamente reale semplicemente perché qualcuno ne ipotizza l’esistenza. Occorrono osservazioni, esperimenti, coerenza teorica, capacità predittiva e possibilità di sottoporre le ipotesi a controllo. La lezione è diversa e più sottile: l’invisibilità non equivale all’inesistenza. La scienza moderna è piena di realtà che conosciamo attraverso i loro effetti e attraverso strumenti che estendono enormemente i nostri sensi.

Dall’invisibile di Faraday alla fisica contemporanea

Il concetto di campo non si fermò all’elettromagnetismo. La relatività generale avrebbe trasformato profondamente il modo di comprendere la gravitazione, legandola alla geometria dello spazio-tempo. E nella fisica quantistica contemporanea i campi assumono un ruolo ancora più fondamentale: nella teoria quantistica dei campi, ciò che chiamiamo particelle può essere descritto in relazione alle eccitazioni dei rispettivi campi quantistici.

Naturalmente non dobbiamo retroproiettare tutta la fisica contemporanea su Faraday. Il suo concetto di linea di forza apparteneva a un contesto scientifico molto diverso.

Ma la trasformazione concettuale alla quale contribuì rimane straordinaria: prendere sul serio la struttura fisica di ciò che avviene nello spazio, anziché limitarsi a descrivere corpi che si attraggono o si respingono a distanza. È una delle ragioni per cui il suo lavoro rappresenta molto più di una pagina nella storia dell’elettricità.

Vedere attraverso gli effetti

La vicenda di Faraday offre così anche una lezione sul significato della conoscenza scientifica. Conoscere non significa necessariamente vedere direttamente.

Significa spesso costruire un ponte tra ciò che possiamo osservare e una struttura della realtà che dobbiamo inferire. Un elettrone non viene conosciuto come conosciamo un tavolo guardandolo davanti a noi. Un campo magnetico non possiede colore. La curvatura dello spazio-tempo non viene percepita direttamente dai nostri sensi.

Eppure possiamo costruire esperimenti capaci di mettere alla prova le conseguenze delle nostre teorie. La distinzione fondamentale non passa quindi semplicemente tra visibile e invisibile, ma tra ciò che può essere sottoposto a indagine attraverso evidenze e ciò che rimane una semplice affermazione non verificata.

È una distinzione importante anche quando scienza, filosofia e religione entrano in dialogo. Il fatto che la scienza studi realtà non direttamente percepibili non costituisce una dimostrazione scientifica del trascendente, così come l’impossibilità di osservare direttamente qualcosa non costituisce una prova della sua inesistenza. Sono piani epistemologici che vanno distinti con attenzione.

Faraday, scienza e fede

Nel caso di Faraday questa distinzione assume anche un interesse biografico particolare. Lo scienziato apparteneva alla comunità cristiana dei Sandemaniani e la fede ebbe un ruolo significativo nella sua vita personale. Sarebbe però scorretto trasformare le sue scoperte scientifiche in una dimostrazione delle sue convinzioni religiose.

Il punto interessante è piuttosto che, nella stessa persona, potevano convivere una rigorosa ricerca sperimentale sulla natura e una profonda convinzione religiosa. Faraday non aveva bisogno di confondere i due piani per considerarli entrambi significativi.

La sua storia può quindi suggerire qualcosa di prezioso per il dialogo contemporaneo tra scienza e fede: distinguere non significa necessariamente separare, e dialogare non significa utilizzare impropriamente la scienza per dimostrare ciò che appartiene alla metafisica o alla teologia.

L’invisibile che governa la materia

A 159 anni dalla morte di Michael Faraday, avvenuta il 25 agosto 1867 nella casa di Hampton Court che gli era stata concessa alcuni anni prima, il mondo costruito anche grazie alle sue scoperte ci circonda continuamente.

Accendiamo un motore, utilizziamo un generatore, trasmettiamo informazioni attraverso onde elettromagnetiche e compiamo gesti quotidiani che sarebbero difficili da immaginare senza la rivoluzione scientifica alla quale Faraday contribuì.

Ma forse rimane soprattutto una grande lezione intellettuale. La realtà non è obbligata a coincidere con ciò che i nostri sensi riescono immediatamente a mostrarci.

La scienza procede proprio oltre quel confine: osserva gli effetti, formula ipotesi, costruisce strumenti, misura, verifica e modifica le proprie teorie. In questo modo riesce a rendere conoscibile una parte sempre più grande di quell’invisibile che, pur sfuggendo ai nostri occhi, contribuisce a determinare il comportamento del mondo materiale.