L'elettrone 'compie' 120 anni

Nonostante gli elettroni regolino in qualche modo il nostro mondo, non molto tempo fa essi venivano considerati solo un concetto astratto. Questo mese ricorre il 120° anniversario dalla nascita della teoria dell'elettrone che fu introdotta nel 1892 dal fisico olandese Hendrik Antoon Lorentz. Il 'suo' elettrone non era considerato come una mera particella elementare ma si trattava di una sorta di grimaldello verso la formulazione di una ambiziosa teoria dei fenomeni naturali. Oggi i teorici sono abituati a descrivere i processi fisici per mezzo della formulazione di equazioni matematiche semplici ed eleganti, una visione che era alquanto sconosciuta prima di Lorentz.

Per la maggior parte dei fisici, il culmine memorabile della fisica del 19° secolo è la teoria dei campi elettrici e magnetici formulata matematicamente da James Clerk Maxwell nel 1864. Poi si ha una sorta di 'periodo buio' finchè, nel 20° secolo, la fisica vede nelle teorie della relatività generale e della meccanica quantistica le due massime espressioni. A questo periodo di transizione fa da collegamento, per così dire, la teoria di Lorentz dopo un intenso, brillante e, diremo, quasi eroico lavoro. E' importante sottolineare che la formulazione originaria delle equazioni di Maxwell appare un pò caotica. Se andiamo ad analizzare i suoi appunti, non troviamo la struttura pulita, compatta ed elegante che a scuola impariamo a conoscere come le "equazioni di Maxwell". In realtà, incontriamo tutta una serie di simboli, parole ed equazioni messe insieme. Insomma, Maxwell non era del tutto consapevole del fatto che stava formulando una sorta di "poesia" della fisica. Egli si limitò semplicemente a riassumere in una forma analitica ogni fenomeno fisico noto come elettricità e magnetismo. L'obiettivo di Lorentz fu quello di 'purificare', per così dire, il messaggio contenuto nelle equazioni di Maxwell come se si dovesse separare il "segnale" dal "rumore di fondo". Il segnale consisteva di quattro equazioni che descrivono come i campi elettrici e magnetici rispondono alla carica elettrica e al suo moto, più una equazione che specifica la forza che quei campi esercitano sulla carica. Il rumore, invece, era tutto il resto. In questo modo si avevano a disposizione equazioni ben definite che permettevano di descrivere il comportamento di particelle dotate di una determinata massa e carica. Ma era possibile utilizzare quelle equazioni per descrivere la struttura della materia a partire da un concetto idealizzato di "atomo" di carica? Questo fu il fardello della teoria dell'elettrone di Lorentz. A partire dal 1892, quando venne pubblicato il primo lavoro, Lorentz e i suoi sostenitori usarono la teoria dell'elettrone per spiegare tutta una serie di proprietà della materia, come la conducibilità elettrica e del calore, il comportamento dielettrico, la riflessione e la rifrazione della luce e così via. Essi aprirono la porta a tutta una serie di concetti che oggi passano sotto il nome di elettronica e scienza dei materiali. Inoltre, nel 1897 Joseph John Thomson dimostrò sperimentalmente che gli elettroni esistono davvero. Possiamo dire che gli elettroni furono concepiti nel 1892 e poi mostrati nel 1897.

Gran parte del lavoro di Lorentz del 1892 tratta l'idea molto affascinante, anche se un pò problematica, del fatto che la massa degli elettroni può essere una conseguenza della loro carica elettrica. Le cariche elettriche in moto generano sia campi elettrici che magnetici i quali resistono ad ogni variazione e reazione del moto dell'elettrone. E', forse, questa reazione che tiene conto dell'inerzia dell'elettrone e quindi della sua massa? In realtà, queste idee risalgono all'antichità. Aristotele sosteneva, infatti, che l'inerzia della materia fosse dovuta alla reazione causata dall'aria e questo concetto influenzò molto la visione di Lorentz per definire il concetto di massa. Una conseguenza di ciò fu un duro lavoro tecnico da parte dello stesso Lorentz e di Henri Poincaré che anticiparono alcune concetti importanti che troveremo più tardi nella teoria della relatività speciale di Einstein.

Naturalmente, la meccanica quantistica cambiò le regole del gioco e l'idea che la reazione elettromagnetica da sola fosse responsabile della massa dell'elettrone non venne più accettata. Oggi, i teorici sono stati in grado di spiegare la massa dei protoni, dei neutroni e di altre particelle interagenti mediante una idea analoga. In altre parole, l'inerzia di queste particelle ha luogo in seguito alla reazione dei campi prodotti dai gluoni della cromodinamica quantistica, il "grande fratello" dell'elettromagnetismo. Anche se il bosone di Higgs viene considerato il responsabile del processo che conferisce la massa alle particelle, il suo contributo alla massa della materia ordinaria è decisamente molto piccolo. E', dunque, grazie all'elegante idea di Lorentz che possiamo oggi spiegare questo processo almeno in una forma più moderna.

Per concludere, la teoria di Lorentz fu certamente pioneristica. Egli aprì la strada alla relatività, alla teoria dei quanti e alla fisica moderna. Verso gli ultimi giorni della sua vita, lo stesso Einstein scrisse a Lorentz un tributo memorabile: "Per me, Lorentz significò molto più di tutti gli altri che ho avuto modo di conoscere durante la mia vita".