Fisicamente

di Roberto Renzetti

PARTE VI: PAGINE DELLA VITA DI MICHAEL FARADAY

Roberto Renzetti

      Michael Faraday, terzo di quattro figli, nacque nel 1791 a Newington Butts, un piccolo villaggio vicino Londra, da una famiglia di artigiani.

        Suo padre, originario di Claphan nello Yorkshire dove si era sposato con una contadina di probabile origine irlandese, esercitava il mestiere del fabbro e si era trasferito da poco a Londra in cerca di lavoro.

        Dai cinque ai tredici anni Faraday ebbe un minimo di istruzione in una scuola primaria: sapeva leggere, scrivere e far di conto. Dati i problemi economici familiari, terminata la scuola primaria, Faraday iniziò a lavorare presso un libraio e giornalaio, il signor George Riebau, con il compito di consegnare i giornali casa per casa e con quello di garzone. La libreria di Ribeau era frequentata da gente colta e tra questa vi era, un esule parigino, il pittore e ritrattista Masquerier. Faraday arrotondava il suo misero salario pulendo la stanza in cui abitava Masquerier e lucidandogli le scarpe.

        Masquerier iniziò a voler bene al ragazzo e presto gli insegnò alcune tecniche ritrattistiche e prospettiche (che molto presto avranno una certa importanza nel futuro di Faraday). Durante questo periodo il giovane Faraday apprese l’arte della rilegatura e iniziò ad interessarsi molto ai libri che gli passavano sotto mano. La prima volta che si interessò di un argomento scientifico fu quando lesse la definizione di ‘elettricità’ che veniva data dall’Enciclopedia Britannica. Un altro libro che lo interessò molto fu “Lezioni di chimica” di Marcet.

        Intanto la famiglia si era trasferita (1809) in una casa di Weymouth Street, dalle parti di Portland Place. Fu a quell’epoca che i problemi economici si aggravarono per una sopraggiunta invalidità del padre. Sua madre fu costretta a subaffittare camere per poter tirare avanti. Ma per la fede che tutti in famiglia avevano abbracciato la povertà non sembrava essere un problema. La famiglia Faraday era di quella parte eretica della chiesa presbiteriana che andava sotto il nome di ‘sandemanista’ (riti apostolici come quello della cena, comunità dei beni, direzione affidata agli anziani, rifiuto di fare proseliti, matrimoni tra gli aderenti a questa chiesa, risparmio di denaro considerato peccato, separazione tra Chiesa e Stato, concezione di Dio come di un essere attivo operante sul mondo, con mezzi naturali sarebbe stato possibile dimostrare la sua esistenza,…).

        Faraday continuava a lavorare e a leggere. Il signor Riebau era anche generoso con lui: gli permetteva di uscire dal lavoro alle otto di sera (!) per andare ad ascoltare delle conferenze di filosofia naturale che un tal signor Tatum teneva nella propria casa al n° 53 di Dorset Street, in Fleet Street, al prezzo di uno scellino, pagato regolarmente dal fratello Robert che, facendo il fabbro, guadagnava un poco più di Michael. In una di queste conferenze Faraday conobbe un giovane quacchero, Benjamin Abbott, che sarebbe diventato suo amico e con il quale intrattenne una lunga corrispondenza dalla quale è stato possibile ricavare le svariate notizie sulla vita dello stesso Faraday. Altra conoscenza importante fatta da Tatum fu quella di Richard Phillips che in seguito diventerà editore degli “Annals of Philosophy”.

        La passione di Faraday per la filosofia naturale era nota a Riebau ed ai suoi clienti. Uno di questi, il Sig. Dance membro della “Royal Institution“, procurò a Faraday l’invito per assistere all’ultima serie di conferenze di H. Davy, il famoso chimico. Faraday assistette a tutte le conferenze e redasse un resoconto esteso, particolareggiato e corredato di svariati bei disegni (qui gli tornò utile l’arte appresa da Masquerier). La sua passione crebbe al punto da fare un tentativo per essere assunto alla Royal Institution. Scrisse al suo Presidente, Sir Joseph Banks che, naturalmente, non rispose. Iniziò allora con i suoi poveri mezzi a fare dei semplici esperimenti di chimica i cui risultati via via comunicava ad Abbott mediante lettera.

        Nel settembre del 1812, Faraday lasciò il lavoro da Riebau per impiegarsi come rilegatore a giornata presso un emigrato francese di nome De la Roche. Ma la vita lì era molto dura. E poi Faraday continuava sempre a pensare di poter ottenere un qualche impiego in un laboratorio scientifico. Intanto il Presidente della Royal Institution era cambiato, al posto di Banks sedeva ora Davy. Questo fatto diede nuovo coraggio a Faraday che scrisse, questa volta, a quel tal Sig. Dance che gli aveva procurato l’invito per assistere alle conferenze di Dayy postulando un qualche impiego presso la Institution. Come referenza allegò il resoconto che aveva fatto delle lezioni di Davy. La combinazione volle che nel frattempo Davy si era danneggiato un occhio mentre effettuava un esperimento con cloruro di azoto. Aveva quindi urgente bisogno di un emanuense per la redazione degli esperimenti che continuavano. Fu così che Faraday venne assunto temporalmente da Davy. Naturalmente approfittò per chiedere un posto presso la Royal Institution, qualcosa che gli permettesse di fare un lavoro di ricerca. Ma Davy continuava a dissuaderlo, a dirgli che quello di rilegatore era un posto sicuro, che la scienza non offriva nessuna certezza, …

        Un giorno Faraday stava già a letto quando venne svegliato da un messaggero di Davy: un suo assistente era stato licenziato, c’era un posto vacante alla Royal Institution. La mattina seguente Faraday fu assunto a 25 scellini la settimana oltre all’uso di due stanze nei piani alti della Royal Institution. Era il 1812, Faraday aveva 21 anni.

        E’ di interesse notare che una delle prime cose che Faraday faceva nel suo tempo libero era apprendere l’arte oratoria, il modo migliore di parlare, gli atteggiamenti da assumere, le pause da fare, la pacatezza dell’eloquio, la sicurezza nell’esposizione, le posizioni del corpo. Tutto ciò gli sarebbe servito quando avesse pronunciato qualche conferenza.

        Nel 1813 Davy era stato fatto “Sir” per meriti scientifici, si era ritirato dalla Royal Institution e si era sposato. In quello stesso anno Sir e Lady Davy decisero di fare un viaggio nel continente europeo e nel vicino Oriente. Faraday fu scelto come accompagnatore con le mansioni di assistente di laboratorio ed emanuense. Il viaggio durò un anno e mezzo e fu estremamente utile a Faraday per uscire dal provincialismo. Ebbe modo di conoscere Ampère, Volta, Arago, Gay-Lussac, i De la Rive. Girò per la Francia, la Svizzera, la Germania, il Belgio, l’Italia. Il viaggio doveva proseguire in Turchia ma la quarantena lì vigente scoraggiò Davy. Faraday imparò moltissime cose ma , confidò al suo amico Abbott,era profondamente arrabbiato con Lady Davy che lo trattava come l’ultimo dei servi. Fu proprio il desiderio di non rompere con Davy ohe lo trattenne a non seguire l’istinto di risponder male e ritornarsene in Inghilterra.

        Nell’aprile del 1815 Faraday riprese il suo posto come assistente di laboratorio alla Royal Institution. Gli venne inoltre assegnato l’incarico di conservatore della collezione di minerali e di capo del magazzino di materiali. Lo stipendio era salito a 30 scellini la settimana (era molto poco ma si deve pensare che la Institution viveva in grandissime difficoltà economiche e spesso aveva rischiato la chiusura con il conseguente licenziamento dello stesso Faraday).

        Uno dei primi lavori di importanza di Faraday fu l’aiuto che fornì a Davy nella realizzazione della lampada di sicurezza per minatori (quella retina metallica che si poneva davanti alle fiamme libere per ottenere luce e per evitare la fuoriuscita della stessa fiamma che avrebbe fatto esplodere il micidiale grisou). Nel 1816 pronunciò la sua prima conferenza presso la “City Philosophical Society” fondata da Tatum e, nello stesso anno, scrisse il suo primo lavoro scientifico, un’analisi di un campione di calce viva che Davy aveva ricevuto dalla Toscana. Molti anni dopo, in occasione della ristampa di questo suo primo lavoro, scrisse:

“Davy mi dette l’incarico di eseguire questa analisi … in un momento in cui la mia paura era maggiore della mia fiducia in me stesso, ed entrambe erano molto superiori alle mie conoscenze”.

        Occorre a questo punto osservare che, durante la sua collaborazione con Davy, Faraday non si limitò solo ad apprendere svariate tecniche sperimentali ed innumerevoli conoscenze teoriche ma anche la filosofia, gli intimi convincimenti del suo maestro. In particolare Davy era amico di S.T. Coleridge lo scrittore e poeta. Quest’ultimo tra il 1798 ed il 1799 aveva realizzato un viaggio in Germania ed era ritornato da quel paese infervorato dalle idee romantiche, soprattutto dalla filosofia della natura di Schelling. Davy ebbe lunghe conversazioni con il suo amico che, tra l’altro, avvenivano anche presso i laboratori della Royal Institution, e si lasciò contagiare. A partire dai primi anni dell’800 anche la sua terminologia scientifica si modificò: spariscono tutti i cenni ai fluidi imponderabili e si inizia a parlare di ‘energie’, ‘potenze’ e ‘agenti’. Ma c’è di più. Davy lavorava in un contesto in cui si andavano affermando le teorie atomiche di Dalton. Egli era insoddisfatto di quell’atomismo che, tra l’altro, non gli spiegava il perché alcune sostanze reagiscono tra di loro ed altre no. Se le palline dure di Dalton sono soggette alla sola forza gravitazionale, tutte le sostanze dovrebbero reagire tra loro. Per altri versi però qualche cosa non quadrava in Naturphilosophie: se alla base del mondo c’è il conflitto e la trasmutazione delle forze, come mai non si riscontra un conflitto ed una trasmutazione delle sostanze? Ma Davy risolse questo problema integrando Naturphilosophie con le teorie atomiche del gesuita G.R, Boscovich (1711-1787) secondo il quale le ultime particelle di materia devono essere costituite da punti (matematici), indivisibili, inestesi, dotati di inerzia ma non di massa, disseminati nel vuoto immenso. Intorno a questi punti vi è una sorta di atmosfera di forza, più densa man mano che ci si avvicina al punto. ‘Atomi’ di sostanze differenti hanno diverse atmosfere di forza (l’andamento delle forze attrattive e repulsive in funzione della distanza tra punti è mostrato nella figura riportata in fondo all’articolo). Secondo Davy allora, il non adattarsi di certe curve di forza ad altre non permette certe reazioni. Ed infine se solo si ammette che il passaggio di una corrente deforma le curve di forza si possono ben spiegare i fenomeni dell’elettrochimica.

La figura originale riportata da Boscovich

La semplificazione della figura precedente

        Faraday quindi come substrato culturale non aveva che questo, quello della Naturphilosophie di Schelling. Le forze alla base del mondo; forze disordinate ed ovunque presenti; forze in eterno conflitto; forze che si convertono tra di loro le une nelle altre. Queste idee si rafforzarono ulteriormente in Faraday quando ebbe modo di conoscere e di diventare amico dello stesso Coleridge.

        Arriviamo così al 1820, ai ventinove anni di Faraday che lo videro sposarsi con Sarah Bernard una giovane di ventuno anni del suo stesso credo religioso. Intanto egli continuava con i suoi lavori di chimica: nel 1818 aveva pubblicato alcune interessanti osservazioni sul passaggio di gas attraverso dei tubi. Sempre nel 1818 iniziò, insieme al medico Stodart, una serie di ricerche volte alla produzione di acciai più resistenti ed inossidabili (i migliori acciai dell’epoca erano prodotti in India). Questi lavori, certamente promettenti,furono abbandonati nel 1823, alla morte di Stodart. Nel 1820 scoprì due cloruri di carbonio e proprio su queste sostanze fece delle ricerche con il già citato Phillips (c’è comunque da osservare che, a parte queste citate collaborazioni, Faraday amò sempre lavorare da solo: il suo non conoscere la matematica, la sua brillantissima e rapidissima dialettica mani-cervello rendevano difficili le collaborazioni).

        E siamo al 1821, data che segna una svolta nella vita scientifica del nostro.

Il suo amico Richard Phillips, immediatamente dopo il clamore suscitato dalla famosa esperienza di Oersted, gli chiese di fare per la rivista che dirigeva, gli “Annals of Philosophy”, una rassegna storica di tutti gli esperimenti e teorie dell’elettromagnetismo che erano apparsi subito dopo Oersted. Ma Faraday andò molto oltre il lavoro che gli era stato commissionato: egli dette inizio ad una serie di esperienze che lo avrebbero poi accompagnato per tutta la vita rendendolo famoso, le “Ricerche Sperimentali sull’Elettricità”. In questa prima serie di ricerche c’è la scoperta delle ‘rotazioni elettromagnetiche’, scoperta che lo rese subito famoso in tutto il mondo scientifico ma che gli creò anche dei problemi con Wollaston e Davy. Il primo aveva intuito che un filo che trasporta corrente, avrebbe dovuto, in presenza di un polo magnetico, ruotare intorno al proprio asse. Con l’aiuto di Davy aveva provato svariate esperienze ma tutte con esito negativo. Faraday pur avendo presenziato a qualcuno di questi tentativi, si trovò nella sgradevole posizione di doversi giustificare affermando semplicemente che non aveva proprio capito ciò che Wollaston e Davy facessero. Questo episodio ebbe uno strascico nel 1823 quando Faraday fu proposto come socio della “Royal Society”. Mentre Wollaston fu sostenitore della candidatura Faraday, Davy si oppose energicamente ad essa. Arrivò ad argomentare che uno dei lavori,che venivano citati a merito di Faraday, quello relativo alla liquefazione del cloro, era in realtà un completo plagio di quanto egli stesso aveva fatto. In ogni caso nel 1824 Faraday fu eletto membro della Royal Society nell’urna fu trovato un solo voto contrario. Da quel momento i rapporti con Davy non furono più cordiali come nel passato.

        Nel 1825, nell’ambito delle sue ricerche di chimica che porterà avanti fino al 1831, scoprì il benzene. Nello stesso anno fu nominato membro della giunta della Royal Society che studiava i vetri ottici, studi che si realizzavano presso i laboratori della “Royal Institution“, sotto la direzione dello stesso Faraday. Sempre nel 1825, su proposta di Davy (che in qualche modo voleva riallacciare i rapporti), fu nominato Direttore dei laboratori della Royal Institution sotto la supervisione del professore di chimica Brande (fino ad allora, almeno formalmente, Faraday era assistente di laboratorio sia di Davy che di Brande). Da quel momento iniziò una importante opera di divulgazione di quanto si faceva in campo scientifico iniziando con l’inaugurare ‘I discorsi serali del venerdì’, dando vita alla ‘Serie di conferenze di Natale, dedicate ad un pubblico giovane’ e continuando le conferenze mattutine che, a suo tempo, erano state iniziate da Davy. Tutte queste conferenze erano tenute, oltre che dallo stesso Faraday, dai più prestigiosi scienziati del tempo nelle più diverse discipline scientifiche.

        Altra opera cui si dedicò fu quella di riordinare le finanze dell’Institution; ma, per quanti sforzi si facessero, le cose non migliorarono. Lo stesso compenso che Faraday riceveva per la quantità, di cose che faceva per la Institution, per anni, era rimasto lo stesso (cento sterline l’anno, vitto, alloggio, riscaldamento ed illuminazione). Ma a Faraday questo sembrava importare poco,tanto che, nel 1827, rifiutò la cattedra di chimica presso l’Università di Londra, da poco fondata. E ciò per non distrarre le sue energie dall’Institution cui si sentiva legato affettivamente da un debito di riconoscenza. Certo che Faraday arrotondava il suo salario con collaborazioni esterne, rimane comunque l’amara riflessione che fa J.C. Growther:

‘L’industria manufatturiera d’Inghilterra era quattro volte più grande di quella di tutti gli altri continenti messi insieme, eppure non si poteva incontrare il modo di trovare qualche migliaio di sterline per garantire l’esistenza del laboratorio di Faraday’.

        Abbiamo già accennato al fatto che subito dopo il 1821 Faraday dedicò gran parte del suo tempo a ricerche chimiche. Solo sporadicamente si occupò di fenomeni elettrici. Ma non cessò mai di pensare ad essi. Ne fa fede un promemoria dello stesso Faraday del 1822 nel quale si ripropone per il futuro di studiare alcune questioni:

‘Trasformare il magnetismo in elettricità’

‘Il respingersi delle palline di sambuco è o no dovuto al cambio di elettricità come conseguenza dell’induzione ?’

‘Stato dell’elettricità nell’interno ed alla superficie dei conduttori e nella superficie di buchi fatti in essi’

‘Effetto della luce nel passare attraverso foglioline d’oro o di zinco o metalli più ossidabili, essendo questi ultimi poli di magneti o essendo sistemati su barre magnetizzate’

‘Trasparenza dei metalli. Passaggio di luce solare attraverso una fogliolina d’oro. Due foglie [metalliche – n.d.r.] costituenti poli; luce che le attraversa da parte a parte’.

        Nel 1830 Faraday guadagnava per consulte esterne più di mille sterline l’anno. Non aveva però più tempo per le sue ricerche. Nel 1831 ridusse drasticamente le collaborazioni fino ad arrivare ad una quantità di denaro che gli fosse strettamente indispensabile (l55 sterline). Negli anni successivi andò sempre più riducendo gli introiti extra. Il proposito di dedicarsi completamente alla ricerca fu premiato proprio nel 1831 quando, secondo i propositi del 1822, riuscì a trasformare il magnetismo in elettricità, realizzando la scoperta per la quale è oggi più noto, l’induzione elettromagnetica. Già nel 1825 e nel 1828 aveva tentato esperienze di questo tipo ma con esito negativo. Allo stesso modo altri ricercatori. Ciò che Faraday capì è tanto semplice quanto importante. II moto dell’ago dell’esperienza di Oersted è provocato da una corrente ma “la corrente non è un fenomeno statico ma dinamico”. Un magnete è invece un qualcosa di statico. Non basta quindi porre un magnete vicino ad un conduttore perché in quest’ultimo si origini corrente; occorre invece muovere il magnete nelle vicinanze del conduttore ! Chissà quante volte Faraday aveva posto un magnete dentro un solenoide per vedere cosa accadeva ! Quante volte era rimasto deluso dal non osservare ciò che si aspettava ! Bastava solo soffermarsi un attimo sulle fasi transitorie, sul momento in cui il magnete era introdotto e su quello in cui era estratto.

        Alla fine dell’articolo che fornisce il resoconto di questa esperienza Faraday descrisse una prima dinamo rudimentale. Ma egli non approfondì questo studio poiché non era interessato ad aspetti applicativi. Nel corso del 1831, invece, realizzò una miriade di altre esperienze di induzione elettromagnetica.

        Nel 1832 iniziò una nuova serie di importanti ricerche con il fine di mostrare l’identità dei diversi tipi di elettricità. Egli riuscì a dimostrare che l’elettricità voltaica è della stessa natura di quella fornita da una macchina elettrostatica e dall’induzione elettromagnetica, o da qualunque altro fenomeno noto. Alla fine di questo lavoro si trovano le prime leggi che Faraday trovò per l’elettrolisi.

        Nel 1834, all’inizio del seguente lavoro, spiegò l’origine della nuova terminologia introdotta con l’aiuto di suoi amici e particolarmente di Whewell. Era Faraday a sollecitare Whewell: gli serviva un termine che sostituisse ‘polo’ (che ricordava troppo l’azione a distanza) ed ecco che nasceva ‘elettrodo’ (che dà l’idea di un cammino per la corrente). Allo stesso modo furono coniati i termini elettrolito, elettrolisi, catodo, anodo, catione, anione e ione.

        Nell’autunno del 1834 Faraday riprese lo studio dell’induzione elettrostatica e dei dielettrici. Nel 1835 studiò la scarica nei gas,ed iniziò una accurata ricerca sulla natura dell’elettricità statica. Quest’ultimo lavoro, pubblicato nel 1838, è estesissimo ed occupa ben 143 pagine.

        Intanto, nel 1833, era stato nominato professore di chimica presso la Royal Institution e ciò gli duplicava la rendita. Nel 1835, l’allora primo ministro, Lord Melbourne, tentò di assegnargli una pensione di 300 sterline annue. Nell’offrirgliela usò parole che offesero Faraday che sdegnosamente rifiutò.

        La stanchezza e l’esaurimento iniziavano a farsi strada. A partire dal 1834 sospese tutte le attività di perito del tribunale e non accettò più inviti a mangiare fuori di casa. Nel 1835 annullò altre consulte esterne e rifiutò di occuparsi dei problemi della Giunta della Royal Society. Nel 1837 ridusse drasticamente le conferenze mattutine. Nel 1838 rifiutò di rivedere il testo per la ristampa di un suo libro di chimica e per almeno tre giorni alla settimana si rifiutò di incontrare alcuno. Nel 1839 smise di dare le lezioni di Brande. E’ proprio questo l’anno in cui Faraday si ammalò. Forse lo sforzo sopportato per terminare il suo ultimo lavoro insieme alla miriade di altre attività lo portarono ad un esaurimento completo. Nel 1840 smise di dare conferenze per i giovani mentre nel 1841 sospese ogni attività per la Royal Institution. Se ne andò a riposare in campagna. Fece un viaggio in Svizzera dove giornalmente faceva passeggiate dai 50 ai 75 chilometri.

        Solo nel 1844 riprese a lavorare con una certa regolarità. Il lungo periodo di riposo lo aveva fatto riflettere molto e, proprio nel 1844, Faraday azzardò un primo lavoro teorico. “Speculazione sulla conduzione elettrica e sulla natura della materia”, che sollevò una quantità importante di critiche. Gran parte del paludato mondo scientifico riconosceva certamente Faraday come eccellente sperimentatore. Per alcune sue idee non molto ortodosse i fisici dicevano che era un chimico mentre i chimici sostenevano che era un fisico. Ambedue erano comunque pronti a non prenderlo sul serio quando egli si avventurava sul terreno della speculazione soprattutto perché non conosceva la matematica. Faraday dette, almeno così sembra, poco peso alla questione e ritornò ad immergersi nel suo lavoro per trovare sostegno sperimentale al complesso delle sue idee.

        Nel 1845 iniziò una serie di ricerche nelle quali mise in relazione (come dai propositi del 1822) luce, elettricità e magnetismo. Utilizzando degli speciali vetri pesanti al piombo [cristalli, n.d.r.],che egli stesso aveva realizzato nel 1825, disposti fra le espansioni polari di un magnete, egli osservò che quando della luce era fatta passare attraverso questi vetri, la sua polarizzazione veniva modificata. Un fenomeno analogo osservò disponendo al posto del magnete due placche metalliche caricate elettrostaticamente.

        Ancora nel 1845 scoprì e studiò i fenomeni del paramagnetismo e del diamagnetismo.

        Finalmente, nel 1846, Faraday prese nuovo coraggio da tutto ciò che via via andava scoprendo e osò una nuova, più articolata e molto più spinta speculazione teorica, “Pensieri sulla vibrazione dei raggi”.

        Questo lavoro ebbe una curiosa premessa. Qualche mese prima della sua pubblicazione, alla Royal Institution, si doveva tenere una conferenza di Wheatstone ma questi, all’ultimo momento, non ebbe il coraggio di affrontare il pubblico e se ne andò. Faraday dovette arrangiare al momento un qualcosa e la sua conferenza risultò breve. Per occupare il tempo restante Faraday iniziò a parlare delle sue idee sulla materia, la luce, la gravitazione, l’elettricità, il magnetismo. La notizia si diffuse e Faraday fu costretto a scrivere quanto aveva oralmente sostenuto. La materia, alla Boscovich, è costituita, da centri di forza circondati da atmosfere di forza che estendono la loro azione fino a distanza infinita, l’azione è a contatto e si serve per propagarsi delle linee di forza. La propagazione dell’azione avviene a contatto con una velocità enorme (quella della luce) ma non infinita. Le azioni agiscono su linee curve. La materia in quanto tale ha più forze associate ad essa di modo che essa possiede le proprietà di ‘solidità e gravitazione’. L’universo è un tutto pieno in continua azione ed alla base di esso non vi è nessuna necessità di uno o più eteri. E’ certamente straordinario ciò che Faraday sostiene (si sta sulla strada delle prime formulazioni relativistiche), soprattutto se lo si confronta con il rigido atomismo e con le azioni rettilinee istantanee ed a distanza.

        Così nel 1846 Faraday suggeriva la teoria elettromagnetica della luce (per riconoscimento successivo di Maxwell) e tentava di sbarazzarsi di entità metafisiche come l’etere. Gli anni successivi gli servirono per aggiungere argomenti a queste idee.

        Nel 1852 scrisse “Sul carattere fisico delle linee di forza”, in cui tolse il carattere ipotetico alle linee di forza, carattere che si era cominciato a delineare fin dal lontano 1821, per assegnar loro una realtà fisica.

        Interessato com’era ad ogni tipo di forza (o di energia,come si direbbe oggi), nel 1853 si occupò di alcuni fenomeni di spiritismo. I tavoli che ruotavano quando su di essi veniva costruita la catena di mani. Se però la superficie del tavolo veniva cosparsa di un qualche lubrificante, il fenomeno non aveva più luogo. Faraday si convinse presto del fatto che la rotazione del tavolo era originata da una azione muscolare forse anche involontaria delle mani che erano poggiate sulla superficie del tavolo. Da questo momento egli rifiutò di occuparsi di qualsiasi fenomeno paranormale.

        Altro lavoro di grande interesse che segue da vicino la scoperta della conservazione dell’energia (vari contributi successivi, fino ad arrivare al lavoro di Helmholtz del 1847, “Sulla conservazione della Forza”) è del 1857. Ha lo stesso titolo di quello di Helmholtz ed è una estensione delle sue concezioni alla gravitazione. Secondo il nostro, in accordo con la conservazione dell’energia, è impossibile pensare ad una azione istantanea a distanza. Assegnato infatti un dato pianeta, se noi disponessimo ad un certo istante di un secondo pianeta ad una data distanza dal primo, i due dovrebbero iniziare ad attrarsi istantaneamente, il che equivarrebbe alla creazione di energia. E’ invece la sola ammissione della preesistente esistenza di un campo di forze che agisce a contatto che evita questo assurdo.

        Faraday era già avanti negli anni e nel 1857 gli fu offerta la Presidenza della Royal Society che egli rifiutò (tra l’altro, non aveva, mai condiviso il fatto che in questa società, scientifica più che in altre fosse possibile essere ammessi per il solo fatto di essere nobili). Nel 1858 il principe consorte dispose che gli fosse assegnata come alloggio una bella residenza nei pressi di Hampton Court. Nel 1860 diede l’ultima conferenza per i giovani e nel 1861 rinunciò alla sua cattedra presso la Royal Institution. Ancora nel 1862 tentava sofisticati esperimenti per cercare di evidenziare la rifrazione di un raggio di luce per mezzo di un campo magnetico. I suoi strumenti non potevano riuscire nell’impresa nella quale riuscì Zeeman nel 1897.

Si spense nel 1867, all’età di 79 anni.


BIBLIOGRAFIA

J.G. Crowther – Humphry Davy e Michael Faraday – Buenos Aires, 1945.

L. Pearce Williams – Michael Faraday – Londra, 1965.


LA NASCITA E LA PRIMA AFFERMAZIONE DELLA TEORIA DI CAMPO: L’OPERA DI FARADAY E MAXWELL

Roberto Renzetti

PREMESSA

Questo lavoro è il seguito ideale di R. Renzetti, Concezioni particellari nel XVII e XVIII secolo, LFnS, XIII, 2 e 3, 1980. Diverse questioni, qui solo accennate, sono lì trattate diffusamente. In particolare: le concezioni ‘atomiche’ di Boscovich, le concezioni filosofiche alla base dell’esperienza di Oersted, l’interpretazione di Ampère di tale esperienza e l’inizio del dibattito continuità – discontinuità in una epoca in cui, a parte la teoria di Dalton (comunque estranea ai dibattiti nell’ambito della fisica), vi era ben poco che potesse essere portato a sostegno dell’una o dell’altra teoria.

L’ESPERIENZA DI OERSTED

        Nel 1820 una esperienza apparentemente innocua realizzata dal fisico danese Oersted (il quale vi lavorò per ben 9 anni, guidato dal pregiudizio del ‘conflitto di forze’ della Naturphilosophie tra i cui massimi rappresentanti vi erano Schelling e Goethe) aveva portato un grande scompiglio nella fisica. Per la prima volta, dopo più di 130 anni di rassicuranti azioni ‘rettilinee a distanza’, veniva evidenziata una azione totalmente differente: un filo conduttore, se disposto parallelamente ad un ago magnetico, vede l’ago ruotare di 90º e disporsi perpendicolarmente al filo, quando in esso viene fatta circolare corrente (si veda la fig.1). Questo tipo di azione si svolge su di un piano perpendicolare alla congiungente filo – ago e consiste in una rotazione dell’ago medesimo risultando, come dice Oersted, ‘circolare’. Oersted, nel condurre l’esperienza, muove l’ago nello spazio circostante il filo e si accorge che, se la rotazione avviene in un senso con l’ago disposto sotto il filo, essa avviene in senso opposto se si dispone l’ago sopra il filo. Per Oersted quindi, le forze magnetiche sono distribuite nello spazio che circonda il filo e, data la simmetria degli spostamenti dell’ago, conclude che le forze magnetiche sono costituite da cerchi “poiché è nella natura dei cerchi che movimenti da parti opposte debbano avere opposte direzioni” (oggi diremmo che le linee di forza del campo magnetico intorno ad un filo rettilineo percorso da corrente, sezionando il filo con un piano ad esso perpendicolare, hanno la forma di circonferenze concentriche al filo).

        Il quadro concettuale nel quale questa esperienza irrompeva era quello newtoniano che si era affermato a partire dalla scoperta della gravitazione universale (Newton, 1685). Al di là dell’aspetto matematico (proporzionalità tra masse che interagiscono e dipendenza dall’inverso del quadrato della distanza tra i loro centri), questa legge 

sottintende che:

1) l’azione tra le due masse è rettilinea, avviene cioè lungo la retta che unisce i centri delle stesse;

2) l’azione è a distanza, non ha cioè bisogno di intermediari per agire tra le due masse;

3) l’azione è istantanea, non richiede cioè tempo per propagarsi (essa si propaga quindi con velocità infinita).

        Tutto il Settecento visse sotto l’autorevole influsso di Newton e quindi alla ricerca di azioni del tipo di quelle descritte. Così John Michell nel 1750 provò a dare una stessa legge per le forze che si esercitano tra poli magnetici 

(proporzionalità tra ‘poli’ che interagiscono e dipendenza dall’inverso del quadrato della loro ‘distanza’), legge che non funziona e Coulomb ricavò (1785) la legge di forza tra cariche elettriche 

(proporzionalità tra cariche che interagiscono e dipendenza dall’inverso del quadrato della distanza tra i loro centri), legge che funziona solo a certe condizioni: cariche puntiformi, a grande distanza, …. Insomma tutti i fisici tentavano di trovare leggi alla Newton e nel far ciò avrebbero certamente disposto i loro strumenti di misura ‘tra’ i due oggetti che andavano ad interagire.

        Questo quadro interpretativo, per la verità poco fecondo, viene sconvolto dall’esperienza di Oersted che, come già detto, era un convinto sostenitore di Schelling che in particolare riteneva le forze sparpagliate dappertutto con i loro conflitti e trasmutazioni che creano il mondo.

IN FRANCIA: AMPÈRE

Subito partirono, soprattutto dalla Francia di Ampère, Biot, Savart, …, studi e ricerche che tentarono di ricondurre quella stessa azione circolare alla Oersted nell’ambito di quelle rettilinee alla Newton. Su questa strada, in tempi brevissimi si conseguirono risultati di notevole importanza. Arago osservò che un disco di rame in rotazione ha effetti su un ago magnetico; Biot e Savart dimostrarono sperimentalmente che in prossimità di un conduttore rettilineo la ‘forza’ varia in ragione inversa alla distanza; Arago scoprì che un conduttore avvolto ad elica (solenoide) agisce come un magnete; Arago (e Davy) osservarono la magnetizzazione di limatura di ferro mediante il passaggio di corrente attraverso un conduttore posto nelle vicinanze; Ampère scoprì l’azione elettrodinamica tra correnti, ricavandone una legge elementare dipendente dagli angoli che tali correnti formano tra loro (egli era cosciente del fatto che la legge da lui trovata era discutibile proprio per quella sua dipendenza da angoli e prima di morire lasciò uno scritto in cui sosteneva che il suo scopo di completa riduzione dell’esperienza di Oersted ad azioni di tipo newtoniano sarebbe stato raggiunto quando si fosse trovata una qualche legge elementare tra ‘molecole’ elettriche dipendente dalla loro velocità; la cosa fu successivamente realizzata da Weber in Germania – e la dipendenza era anche dalle accelerazioni delle molecole – ma tutto questo allontanava sempre di più da un quadro interpretativo newtoniano); sempre Ampère scoprì che una spira percorsa da corrente si comporta come un magnete elementare ed inoltre realizzò svariatissime esperienze con un apparato che ancora oggi porta il suo nome (banco di Ampère); ancora Ampère fornì una teoria del magnetismo riducendo il fenomeno a correnti elementari che costituirebbero le ‘molecole’ di materia; …

IN GRAN BRETAGNA: FARADAY

        Ben diversa fu l’accoglienza che l’esperienza di Oersted ebbe in Gran Bretagna. Nel 1821 Richard Phillips, direttore degli Annals of Philosophy, chiese al giovane assistente di Davy e suo amico, Michael Faraday, di fare, per la rivista, una rassegna storica di tutti gli esperimenti e teorie dell’elettromagnetismo che erano apparsi dopo Oersted (è opportuno a questo punto ricordare che in accordo con il riduzionismo di Ampère – magnetismo prodotto da elettricità, anche a livello di struttura ‘molecolare’ della materia – nel continente entra in uso il termine ‘elettrodinamica’; anche per sottolineare un approccio diverso al problema, in Gran Bretagna, gli stessi fenomeni sono designati con il termine ‘elettromagnetismo’).

        Ma Faraday, nel realizzare il suo lavoro, ebbe modo di ripetere molte delle esperienze che trovava descritte nella letteratura e la cui redazione non lo soddisfaceva; ebbe modo di valutare i pregi e le idee oscure di ogni singola teoria proposta; in particolare non lo convinceva la spiegazione teorica che Ampère dava dell’esperienza di Oersted. Egli, in nessun modo, riusciva a convincersi che le azioni tra filo conduttore e magnete potessero essere rettilinee, istantanee ed a distanza. L’aspetto che più lo colpiva nell’esperienza di Oersted erano gli effetti di simmetria che balzavano immediatamente agli occhi: se l’ago era disposto sotto il filo la rotazione dell’ago avveniva in un senso; sopra il filo la rotazione si realizzava in verso opposto. Su ciò concentrò il suo lavoro fino a realizzare una esperienza in cui, se possibile, le azioni circolari erano portate ad una evidenza ancora maggiore. Con l’apparato sperimentale di fig. 2, riuscì a realizzare il moto circolare di un magnete intorno ad una corrente e, simultaneamente, di un filo percorso da corrente intorno ad un magnete. L’apparato è costituito da due coppe di vetro ; all’interno delle coppe vi è del mercurio che permette la chiusura del circuito mediante un contatto strisciante (il conduttore rigido si muove mantenendo il contatto elettrico con il mercurio); i conduttori che escono da sotto le coppe sono collegati ad una batteria; quando passa corrente il magnete della coppa di sinistra ed il conduttore della coppa di destra cominciano a ruotare vorticosamente intorno, rispettivamente, al conduttore fisso ed al magnete fisso. Sarebbe stato a questo punto più difficile mettere in discussione le azioni circolari.

        Questo successo però quasi obbligò Faraday ad una pausa di riflessione. La sua preparazione in fisica, in fondo, non era pari a quella in chimica ed alla sua fantasia. Questa pausa durò 10 anni nei quali egli si occupò essenzialmente di questioni di chimica. Ma non smise mai di pensare ad un problema che continuava a girargli per la testa: se una corrente produce un effetto magnetico, anche un magnete deve produrre una corrente. Tentò svariati esperimenti, tutti con esito negativo. Finalmente, nel 1831, scoprì l’induzione elettromagnetica: un magnete mosso in prossimità di un circuito non alimentato provoca in esso il passaggio di corrente. Non si trattava di un fenomeno semplice da evidenziare: chissà quante volte Faraday aveva mosso un magnete vicino ad un circuito! Il fatto è che il fenomeno è evidente solo durante il moto relativo di magnete e circuito elettrico. Solo quando c’è una variazione di una qualche grandezza nella fase transitoria. E di questo Faraday si rese ben conto fino a progettare l’esperienza di fig. 3: all’apertura o chiusura del circuito B, mediante il tasto T, il galvanometro G segna passaggio di corrente (se in un dato verso all’apertura, in verso opposto alla chiusura). E’ la prima evidenza chiara di un nesso tra corrente elettrica, magnetismo e movimento (o variazione di una data situazione).

        Questo successo è consistente con il programma di Faraday. Egli lo sa ma sa anche che deve aggiungere altre ‘prove’, dimostrazioni, evidenze sperimentali. E’ molto difficile dalla sua posizione di chimico convincere i fisici; tanto più che ogni corporazione è felice di annoverare Faraday nel suo seno ogni volta che questi scopre qualcosa di importante ma è immediatamente imbarazzata quando ‘l’incolto’ Faraday prova a ‘teorizzare’, a trarre delle conclusioni. I fisici gli rinfacciano di essere un chimico. I chimici di essere un fisico. Ambedue sono comunque d’accordo che non è da prendere sul serio chi, come Faraday. non conosce la matematica.

        Nel 1832 il nostro intraprende una nuova serie di ricerche sperimentali con le quali si propone di dimostrare l’identità di tutti i tipi di elettricità. Qui si deve scontrare con l’elettrolisi, sulla quale lavora molto. Questo fenomeno era stato spiegato brillantemente con la teoria dell’azione a distanza, essendo i poli della cella voltaica i centri delle forze attrattive e repulsive che agiscono su ‘pezzi’ di molecole.

        Egli si sbarazzò dapprima dei poli facendo avvenire la dissociazione elettrolitica senza l’uso dei due poli che si ritenevano indispensabili. Provocò questa dissociazione con vari apparati sperimentali che si servivano di un solo polo, mostrando nel contempo l’identità dei vari tipi dei corrente, quella voltaica, quella elettrostatica, …. Nella fig. 4 (a) è rappresentato un generatore elettrostatico ad un solo polo che si scarica su strisce di carta imbevute di una soluzione salina (si provoca la decomposizione della soluzione e simultaneamente si ha flusso di corrente); nella fig. 4 (b) viene suggerito l’uso di un solo polo di una batteria voltaica per far avvenire la decomposizione in a di una soluzione salina di cui è imbevuta la striscia di carta (indicata con b) il circuito non è infatti chiuso sul polo positivo ma è interrotto nel punto e per cui Faraday fa circolare corrente riscaldando l’aria nel tratto in cui il circuito è interrotto. In ambedue questi casi non vi sono due terminali, o poli, che provocano la dissociazione della soluzione: viene così meno l’indispensabilità dei poli medesimi. Ed eliminati i poli sono eliminati i supposti centri di forza. Rimaneva il problema dei radicali liberi nelle soluzioni elettrolitiche ma Faraday riuscì a sbarazzarsene con una serie di complicate esperienze (che si possono vedere in bibl. 3 nelle pagine dall’81 all’84 ed in bibl. 2 dal paragrafo 523 al 563 e dal 661 all’874).

        Alla fine di questi lunghi e complicati lavori Faraday arrivò a sostenere che la forza elettrica si trasmette da molecola a molecola (azione a contatto) attraverso (non ancora ben precisate) linee di tensione del mezzo, che, si badi bene, interessano tutto il mezzo, il quale partecipa attivamente al fenomeno. Si tratta quindi di una azione a contatto da una molecola di Boscovich (che è stata discussa nel precedente lavoro a cui mi sono riferito all’inizio di questo) ad un’altra (1) .

LA TEORIA DI CAMPO DI FARADAY

        Negli anni seguenti, fino al 1837, studia essenzialmente fenomeni elettrolitici. E proprio nel ’37 inizia una serie di ricerche finalizzate ad evidenziare l’azione a contatto anche in elettrostatica (‘l’induzione di particelle contigue‘ come dice Faraday). L’idea che lo guidava e sulla quale voleva indagare era la seguente: se la trasmissione della forza elettrostatica dovesse dipendere dalle particelle del mezzo attraverso cui passa la forza, allora queste particelle dovrebbero esse stesse avere un qualche effetto sulla forza medesima (ad esempio: sulla capacità, sulla constante della legge di Coulomb, …) Così, con l’apparato di fig. 5 (bibl. 2, tavola IX e paragrafi dal 1194), si mise ad indagare quali effetti provocava l’introduzione di dielettrici differenti (dapprima gas, quindi liquidi e solidi) nella parte compresa tra le due sfere di figura. La prima importante scoperta che ne conseguì fu che quando nello spazio tra le due sfere (i due elettrodi) si disponeva un dielettrico e la differenza di potenziale si manteneva constante, della carica elettrica affluiva sul dielettrico originandone la polarizzazione. Nel far questo Faraday definì la constante dielettrica relativa e fornì, quindi, un metodo per distinguere isolanti da conduttori in base alla proprietà delle relative molecole di rimanere polarizzate o meno. Egli può quindi concludere che, come nel caso elettrochimico, l’energia coinvolta nel processo la si ritrova nel mezzo esistente tra le cariche elettrostatiche “ed è un’azione di particelle contigue del dielettrico, messe in uno stato di polarità e tensione ed in mutua relazione mediante le loro forze in tutte le direzioni” inoltre, prosegue, “l’intera azione … non si esercita meramente lungo linee qualunque che possono essere concepite attraverso il dielettrico tra la superficie inducente e quella indotta” (bibl. 2, paragrafi 1223 e 1231). Anche qui, quindi, Faraday si sbarazza dei supposti poli ed a questo punto introduce il concetto di linee di forza (“un temporaneo modo convenzionale di esprimere la direzione lungo cui agisce la forza nei casi di induzione“), dando una immagine mediante esse di quanto trovato, afferma che queste ultime si fanno più fitte nel dielettrico quando lo sottoponiamo all’azione di una forza elettrica. Ed aggiunge che le stesse forze elettriche sono originate da uno stato di tensione delle linee di forza (‘lo stato elettrotonico’) (2) ribadendo quindi con maggior forza che i fenomeni elettrostatici risiedono nel mezzo interposto piuttosto che nei supposti poli.

        Altre prove che in quell’anno e nel successivo Faraday portò a sostegno dell’azione a contatto furono:

1) nei fenomeni elettrolitici gli elettrodi si ricoprono interamente delle sostanze decomposte; questo fatto non può essere in alcun modo spiegato con l’azione a distanza; in quest’ultimo caso, infatti si dovrebbero ricoprire solo quelle parti degli elettrodi che risultano affacciate tra loro;

2) la stessa cosa vale per i fenomeni elettrostatici: quando infatti avviciniamo un bacchetta ad una sfera per caricarla mediante induzione, se poniamo un elettrometro nella zona d’ombra della sfera (cioè: dietro la sfera, dalla parte opposta della bacchetta), questo segna la presenza di carica indotta anche in quella parte di spazio che, secondo la teoria dell’azione a distanza, non sarebbe in alcun modo raggiungibile.

        Le conclusioni che Faraday ne trasse sono che le azioni si propagano per linee curve originate dallo stato elettrotonico dello spazio in tensione che sottopone a sforzo le molecole interposte. E’ quindi un effetto di volume sulle molecole che ne provoca la disposizione su linee curve lungo, appunto, le linee di forza.

        A questo punto Faraday dovette sospendere le sue ricerche per ben 7 anni. Gli sforzi continui ai quali si era sottoposto gli procurarono un collasso. Gli anni di riposo gli permisero di meditare ed egli, nel 1844, riprese l’attività con il lavoro A Speculation Touching Electric Conduction and the Nature of Matter (bibl. 2, pagg. 850/855), nel quale espose con una certa completezza ed una buona dose di coraggio la sua teoria di campo. Dopo aver criticato, con argomentazioni di carattere sperimentale, la teoria atomica di Dalton (che andava per la maggiore), egli passò ad esporre il suo punto di vista, a partire dalla sua adesione ai punti atomi di Boscovich. Questi atomi vengono pensati da Faraday come punti inestesi circondati da una atmosfera di forza (sull’evolvere delle concezioni di atomo, molecola, corpuscolo, …  in Faraday, si può vedere bibl. 16). Egli giustificò ciò affermando che “noi conosciamo e studiamo le forze in ogni fenomeno del creato, mentre l’astratta materia in nessuno; per quale ragione dunque dovremmo assumere l’esistenza di ciò che non conosciamo, che non possiamo concepire e di cui non vi è nessuna necessità filosofica?“. Passò quindi a descrivere la differenza tra la concezione atomistica classica e la sua: con atomi classici “una massa di materia è costituita da atomi e da spazio interposto“, con atomi di Boscovich “la materia è presente ovunque e non vi è nessuno spazio interposto non occupato da essa“. E così continuò a fornire la sua concezione di materia e spazio: “Senza dubbio i centri di forza variano nella loro distanza reciproca, ma quella che è la vera e propria materia di un atomo tocca la materia dei suoi vicini. Quindi la materia sarà continua ovunque, e quando consideriamo una massa di essa non dobbiamo pensare alcuna distinzione tra i suoi atomi e gli spazi interposti. Le forze intorno ai centri danno loro le proprietà di atomi di materia; e sempre queste forze, quando molti centri sono raggruppati in una massa dalle loro forze attrattive, danno ad ogni parte di quella massa la proprietà di materia“.

        Quindi niente più materia ma forze che, dove hanno una ‘densità’ maggiore forniscono la sensazione di materia. Di conseguenza niente più atomi e vuoto, ma continuità ovunque. Sarà poi la disposizione peculiare dell’atmosfera di forza intorno ai centri che permetterà al punto atomo di avere particolari comportamenti fisico – chimici (lo renderà cioè o polare, o magnetico, o come si vuole). L’articolo così prosegue: “Gli atomi possono essere concepiti, anziché completamente duri ed inalterabili, come estremamente elastici … Ed in questo modo … la materia e gli atomi di materia saranno mutuamente compenetrabili“, e, in accordo con quanto qui sostenuto, Faraday rese conto del legame chimico pensando ad una mutua compenetrazione delle atmosfere di forza di due o più punti atomi. La conclusione dell’articolo è ancora più interessante perché contiene tutti gli elementi per gli ulteriori sviluppi modellistici della teoria di campo: “Questa concezione della costituzione della materia sembrerebbe condurre necessariamente alla conclusione che la materia riempie tutto lo spazio o, almeno, tutto lo spazio a cui si estende la gravitazione (includendo il Sole ed il sistema solare); poiché la gravitazione è una proprietà della materia dipendente da una certa forza, ed è questa forza che costituisce la materia.In questa concezione la materia non è solo mutuamente compenetrabile, ma ciascun atomo si estende, per così dire, attraverso l’intero sistema solare, pur conservando il proprio centro di forza”.

        Si può ben intendere come tutto ciò non abbia nulla a che vedere con tutti gli sviluppi della fisica newtoniana nelle scuole continentali. E’ veramente una rivoluzione di pensiero di enorme portata. Ma non ancora completa. Proprio le ultime parole dell’articolo in discussione riportano le questioni che ancora rimanevano in sospeso: “quali relazioni questa ipotesi avrebbe con la teoria della luce e del supposto etere“. Anche se Faraday diceva che non aveva alcuna intenzione di investigare ciò, certamente la cosa gli premeva ma, come suo costume, gli occorreva una base sperimentale per poter avanzare una qualunque ipotesi o modello esplicativo. Di questi argomenti fino ad allora non si era occupato mai. Ma proprio nel 1845 egli dette il via ad un’altra grande serie di ricerche sperimentali dal titolo significativo, anche se molto oscuro On the Magnetization of Light and the Illumination of Magnetic Lines of Force (bibl. 2, pagg. 595/632). Per la verità uno stimolo importante gli era venuto dal giovane fisico William Thomson, futuro Lord Kelvin (1824 – 1907). Quest’ultimo aveva intravisto la possibilità di formalizzare sia le linee di forza che lo ‘stato elettrotonico’, pertanto invitava Faraday, con una lettera, ad evidenziare questo stato con ulteriori esperimenti. Per paradossale che possa apparire, come osserva Percy Williams, Thomson era portato a pensare che proprio dal punto di vista sperimentale le idee di Faraday fossero un poco carenti. Così Faraday intraprese questo nuovo sforzo che ben presto lo portò a nuovi, clamorosi risultati. Il primo tra questi è quello che va sotto il nome di polarizzazione rotatoria magnetica (o Effetto Faraday) e consiste nella rotazione del piano di polarizzazione della luce quando quest’ultima attraversa certe sostanze (nell’esperienza originale: vetro al borato di piombo) immerse in un campo magnetico. Ecco dunque un fenomeno che connette magnetismo con fenomeni luminosi!

        Questo grosso risultato rese più ferme le convinzioni di Faraday sulla costituzione di spazio e materia in base a linee di forza, non come modello, ma con una precisa realtà fisica. E nel 1846 pubblicò un altro lavoro (Thoughts on Ray-vibrations – bibl. 11) di carattere speculativo nel quale completò. perfezionò e rafforzò il precedente del 1844. In esso si ribadiva quanto sostenuto nel primo ma si aggiungevano importanti considerazioni sulle linee di forza come sede delle azioni che si propagano nello spazio con la velocità della luce: fatto, quest’ultimo, che farebbe cadere definitivamente la necessità di supporre l’esistenza dell’etere. Scriveva Faraday:

” Il considerare la materia [come fatto nel precedente articolo] mi indusse gradualmente a guardare le linee di forza come probabile sede delle vibrazioni dei fenomeni radianti. Un’altra considerazione, che porta ugualmente all’ipotetica idea di coesistenza di materia e radiazione, nasce dal confronto delle velocità con cui l’azione radiante e certe forze della materia vengono trasmesse … Si è mostrato mediante gli esperimenti di Wheatstone, che la velocità dell’elettricità è grande come quella della luce, se non più grande”.

        E qui egli riesce ad intravedere che un modo per mettere in evidenza l’eventuale identità tra luce e fenomeni elettromagnetici è il confrontarne le relative velocità. Ma come si propagherebbe la radiazione? ” La mia concezione … considera la radiazione come una importante specie di vibrazione nelle linee di forza che uniscono tra loro particelle ed anche masse di materia. La mia concezione fa a meno dell’etere ma non delle vibrazioni” che da vari risultati sperimentali devono essere vibrazioni laterali e cioè trasversali.

        Poste queste premesse Faraday passa subito ad attaccare l’azione istantanea a distanza: “ La propagazione della luce e quindi probabilmente di tutte le azioni radianti, occupa tempo; e, affinché una vibrazione della linea di forza possa spiegare i fenomeni radianti, è necessario anche che una tale vibrazione occupi tempo“.(3) Ed in questo modo di considerare i fenomeni radianti, per Faraday, svaniva ogni necessità di far ricorso all’etere; in luogo di esso ci sono ora “ le forze dei centri atomici che permeano e costituiscono tutti i corpi, oltre a penetrare tutto lo spazio” ed in definitiva solo linee di forza permeanti tutto lo spazio.

        Certo che il problema dell’etere non era così semplice da essere trattato e soprattutto risultava strabiliante un suo accantonamento apparentemente così banale quando generazioni di fisico – matematici si erano accanite ad interpretarlo e matematizzarlo. Egli era comunque cosciente che occorreva indagare ancora soprattutto per fornire prove più decisive sulla realtà fisica delle linee di forza. Nei lavori che seguirono egli scoprì e teorizzò le sostanze ferromagnetiche, paramagnetiche e diamagnetiche; su questa strada ebbe modo di chiarirsi meglio le idee sulle linee di forza magnetica fino ad arrivare alla convinzione che: ” le linee di forza magnetica possono rassomigliare ai raggi di luce, al calore, ecc., e possono trovare difficoltà nel passare attraverso i corpi ed essere influenzate da essi allo stesso modo della luce”.

        Questa indagine sulle linee magnetiche di forza proseguì con una serie di lavori sperimentali del 1851 e 1852. Intanto, mediante un semplice circuito esploratore (un filo conduttore connesso con un galvanometro mosso vicino ad un magnete), era riuscito a rilevarne l’esistenza: si tratta di linee curve, continue e chiuse, senza poli né centri di azione; esse esistono sia nello spazio circostante il magnete che nel magnete stesso. E così Faraday scriveva: ” dentro il magnete vi sono linee di forza esattamente uguali in forza e quantità a quelle fuori di esso, ma con direzione opposta …Ed in effetti ciascuna linea di forza è una curva chiusa, che in qualche parte del proprio percorso passa attraverso il magnete cui essa appartiene ” ed aggiungeva ” io propendo a considerare il mezzo esterno al magnete come altrettanto essenziale per il magnete: è esso infatti che collega l’una all’altra le polarità esterne per mezzo di linee di forza curve e fa si che esse non possano essere altro che curve“. Per rendere conto di ciò Faraday paragona un magnete ad una cella voltaica immersa in un qualunque elettrolita. Tolto l’elettrolita la cella voltaica diventa un contenitore inerte. Solo quando il mezzo esterno permette il passaggio dell’elettricità, la cella diventa un centro di forze elettriche. Così è per il magnete in cui lo spazio esterno mette in relazione l’un l’altra le polarità esterne con linee di forza curve. In definitiva, ancora una volta Faraday ribadisce la sua convinzione di forza che non può esistere senza un mezzo e proprio in questo deve essere ricercata (e non nel corpo da cui suppostamente è originata). Questo mezzo è costituito da linee di forza ed ha solo la capacità di trasmetterle: quindi niente etere, che in questa visione diventa puramente accessorio, ma spazio identificato con materia.

        Uno degli ultimi lavori di Faraday (On Some Points of Magnetic Philosophy, bibl. 2, pagg. 830/847), nel quale, ancora con un accanimento ed una passione di tutto rispetto, tentò di convincere i suoi contemporanei dell’erroneità della teoria dell’azione a distanza, è del 1855. Questo lavoro affronta il tema del campo in termini di conservazione dell’energia (che in quegli anni si era affermata con diversi e vari contributi e particolarmente con il lavoro di Helmholtz del 1847, Über die Erhaltung der Kraft , Sulla conservazione della forza) ed in esso si sostiene la necessità del campo perché altrimenti si arriverebbe all’assurdo di creazione o annichilamento di energia. Secondo la teoria di Newton, egli argomentava, due corpi che si attraggono (Sole e Terra, ad esempio) devono essere considerati separatamente come inerti, cioè a ciascun corpo non deve essere associata alcuna forza. Se ora facciamo interagire i due corpi essi si attraggono a seguito del fatto che si sarebbe creata nello spazio tra i due quella forza che li tiene uniti (si ricordi che l’azione alla Newton è istantanea e a distanza). Se invece tolgo uno dei due corpi che stanno interagendo annichilo una forza che precedentemente li teneva uniti. Questi fatti paiono assurdi e l’unico modo per spiegarli è ammettere l’ipotesi che ciascuno dei due corpi abbia una preesistente forza (oggi diremmo energia) che lo circonda e questa forza si diparte da questo corpo pervadendo l’intero spazio. Due corpi che si attraggono sono allora due corpi che fanno interagire le loro preesistenti linee di forza (i loro campi). Su questi argomenti ed in particolare sulla gravitazione, tema per lui di sommo interesse ma sul quale non era in grado di sperimentare, Faraday tornò ancora nel 1857 sostenendo che “se la forza agisce nel tempo ed attraverso lo spazio, essa deve allora agire mediante linee fisiche di forza” e che la gravità “non risiede semplicemente nelle particelle della materia … ma in tutto lo spazio… essendo solo la parte residua delle altre forze della natura“. L’ultimo lavoro sperimentale di Faraday è del 1862, appena 5 anni prima della sua morte. Egli tentò, senza riuscirvi, di scoprire l’effetto di un campo magnetico sulle proprietà della luce. La strumentazione di cui disponeva non era all’altezza dello scopo che Faraday si prefiggeva; 35 anni più tardi, con strumenti molto più sofisticati, il fenomeno ricercato da Faraday sarà trovato da Zeeman (1865 – 1943) ed oggi va sotto il nome di ‘effetto Zeeman’.

        Come già accennato comunque, le nuove idee che Faraday avanzava erano spesso giudicate con scetticismo, se non con aperta ostilità, da parte di molti suoi contemporanei. Ma egli le portò avanti fin dove il contesto teorico e gli apparati sperimentali glielo permisero. Indubbiamente si erano trovati numerosissimi fenomeni che era impossibile ricondurre allo schema interpretativo del meccanicismo e, al di là degli sforzi che comunque si facevano per farlo, emergeva evidente una insufficienza della fisica newtoniana. La resistenza al superamento delle vecchie concezioni si rafforzava anche perché i nuovi fatti sperimentali e l’interpretazione teorica complessiva che Faraday ne aveva dato, non avevano trovato una rappresentazione modellistica chiara ed una formalizzazione corrispondente che fornisse loro quella ‘dignità scientifica’ che le stesse vecchie concezioni avevano. Faraday non era in grado di fare ciò.

JAMES CLERK MAXWELL

        Nel 1855 il giovane fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831 – 1879) iniziò ad occuparsi di elettromagnetismo. Egli disponeva dell’elaborazione matematica del metodo delle ‘analogie’ sviluppato da W. Thomson (2); conosceva bene i contributi di Weber all’elettrodinamica; conosceva la matematica di Green e Stokes; aveva studiato Helmholtz e la sua cinematica dei fluidi ed aveva, naturalmente, ben presente l’opera di Faraday. L’iter lungo cui si sviluppa il complesso della teoria del campo elettromagnetico di Maxwell è segnato da 3 memorie fondamentali e dal famoso Treatise on Electricity and Magnetism (bibl. 15) del 1873.

        La prima delle memorie di Maxwell, On Faraday’s Lines of Force (bibl.12), è un riconoscimento di difficoltà che un ricercatore incontra nel voler formalizzare la scienza elettrica. Questo ricercatore ha a disposizione, da una parte, la gran mole di risultati sperimentali che vengono continuamente sfornati e, dall’altra, la necessità di familiarizzarsi con una gran quantità di matematica molto complessa “ la cui sola memorizzazione già di per sé interferisce materialmente con altre ricerche“. È quindi necessario, secondo Maxwell, trovare nuovi metodi di lavoro. Uno di questi è proprio quello delle analogie che Thomson aveva introdotto (questo metodo permette di ottenere idee fisiche senza adottare teorie fisiche). Il fatto che colpiva Maxwell era, da una parte, la completa diversità di due fenomeni come il moto uniforme del calore in un mezzo omogeneo (dove sembra esservi un’azione a contatto da particella a particella) e l’azione a distanza e, dall’altra, l’identità formale delle leggi matematiche che descrivevano i due fenomeni: basta solo sostituire sorgente di calore con centro di attrazione, temperatura con potenziale, … Con questo apparato concettuale egli mostrò che alle concezioni di Faraday era possibile applicare gli stessi metodi matematici con i quali erano state trattate la teoria dell’elasticità e l’idrodinamica. (le equazioni differenziali alle derivate parziali). Ma ciò che fa un poco pensare è il fatto che una matematica nata per la descrizione di fenomeni punto per punto riesca a descrivere una azione a distanza (sembra che anche la matematica dia una mano al superamento delle differenze tra azioni a distanza ed a contatto).

        La seconda memoria di Maxwell, On Physical Lines of Force (bibl. 13), presenta un insieme di analogie e modelli meccanici a sostegno delle idee di Faraday che, quasi certamente, lo stesso Faraday avrebbe respinto. Le linee di forza non sono più una mera rappresentazione di come le forze del campo sono distribuite; esse assumono ora un carattere fisico. Si tratta di linee immerse in un fluido elastico, l’etere) sottoposto ad uno stress, ad uno stato di sforzo proprio per il fatto di trovarsi situato tra due polarità. La linea di forza viene allora pensata come una corda tesa, cioè in tensione, su cui si esercitano delle pressioni laterali, perpendicolari e di uguale intensità. In accordo con Thomson, è come il moto vorticoso di un fluido che nel suo realizzarsi espande il fluido nella zona equatoriale, mentre lo contrae ai poli (si pensi alla forma fusiforme di una tromba d’aria) per effetto delle forze centrifughe. In definitiva (fig. 6) si tratta di vortici che si avvitano intorno alle linee di forza, che nascono con un

piccolo diametro da un determinato polo e, dopo essersi dilatati lungo il cammino, muoiono sull’altro polo con lo stesso piccolo diametro di partenza. Questo modo di vedere le cose permette intanto di dare una spiegazione del carattere dipolare delle linee di forza: il verso di rotazione di un vortice è opposto se osservato dalle due estremità del suo asse. Ciò comportava però la rotazione nello stesso verso per vortici relativi ad una determinata espansione polare (fig. 7, in cui sono rappresentati in sezione più vortici consecutivi; i punti centrali sono le sezioni relative delle linee di forza). Era una difficoltà. Infatti parti di vortici contigui devono annullare il loro moto nei punti di contatto perché in questi punti il moto si realizza in direzioni opposte.

        Ma se questa è da una parte una difficoltà, dall’altra, sembra costruita ad arte perché il suo superamento permette a Maxwell, con una ulteriore elaborazione del modello meccanico, di rispondere alle domande che egli stesso si poneva: “Cos’è una corrente elettrica?” o, che è lo stesso, ” Come può una concezione a vortici implicare una corrente?“. È così che egli introduce le ‘ruote inattive’, uno strato di ‘particelle’ mobili in modo tale da trasferire il moto da vortice a vortice senza interferire con il moto stesso (fig. 8).

        In condizioni normali queste particelle sono effettivamente inattive, rotolando senza attrito con i vortici, quando invece vi è uno sforzo prodotto sul campo esse si trasferiscono da una parte all’altra, cominciando ad esercitare attrito con i vortici con la conseguente nascita dei fenomeni della resistenza elettrica e della produzione di calore. E tutto ciò in accordo con la conservazione dell’energia. In definitiva le ruote inattive esercitano un triplice ruolo: da una parte trasmettono il moto da vortice a vortice3; dall’altra il loro moto di traslazione costituisce la corrente elettrica; da ultimo le pressioni tangenziali così messe in gioco rappresentano la forza elettromotrice. E così tutti i fenomeni elettromagnetici noti trovano una spiegazione mediante questo modello meccanico (riportato, come da Maxwell stesso disegnato, in fig. 9 a. Si noti che un tale modello aveva caratteristiche meccaniche talmente spinte che O. Lodge, su suggerimento di Maxwell, lo esemplificò in un suo lavoro come in fig. 9 b).

        Nella fig. 9 (a) i vortici di etere sono schematizzati come esagoni (il segno + all’interno di un dato vortice indica la sua rotazione antioraria mentre il segno – la sua rotazione oraria; si noti che nel disegno il verso di qualche freccia è errato). La corrente era costituita da quello strato di particelle esistente tra vortice e vortice e, nel disegno, essa fluiva da A a B. Nella fig. 9 (b) è rappresentato un modello in cui i vortici di etere sono sostituiti da ruote dentate che, a seconda del loro verso di rotazione, determinano il verso di spostamento dell’asta dentata (la corrente!).

        Di modelli meccanici di questo tipo ne vennero ideati molti ad opera di Maxwell, Boltzmann e W. Thomson (già Lord Kelvin). Ad esempio, le correnti indotte scoperte da Faraday sono così spiegate nel modello di Maxwell: l’effetto che la corrente ha sul mezzo che la circonda è far sì che i vortici in contatto con le correnti ruotino in modo che le parti vicine ad essa si spostino nella sua stessa direzione mentre le parti più lontane ad essa lo facciano in senso contrario. Se il mezzo è conduttore, con la conseguenza di ‘particelle’ che si possano muovere in qualunque direzione, quelle che sono in contatto con la periferia di questi vortici si muoveranno in senso contrario alla corrente, di modo che esisterà una corrente indotta in senso opposto alla prima. Inoltre, quando una corrente elettrica o un magnete si muove in presenza di un conduttore si altera la velocità di rotazione dei vortici di modo che essi cambiano di posizione e di forma originando una forza; questa forza costituisce la forza elettromotrice del conduttore in moto relativo. In questo modo di vedere, c’è la scoperta di Faraday che le correnti sono originate da variazioni del campo magnetico. Questo modello rendeva poi conto di come potesse avvenire il fenomeno inverso: se le ruote inattive (la corrente) cominciavano a spostarsi attraverso il sistema, si modificavano le forme dei vortici e ciò vuol dire che ad una corrente elettrica si accompagna una variazione dei vortici e quindi del campo magnetico. Qui incontriamo una delle principali scoperte di Maxwell che verrà in seguito convenientemente elaborata: variazioni nel campo elettrico devono originare un campo magnetico e viceversa. Unendo questo risultato con le evidenti considerazioni che Maxwell fa sull’esistenza di un qualche mezzo materiale nel quale la meccanica dei vortici possa aver luogo si comincia a delineare l’ulteriore passo che Maxwell fa nell’elaborazione della teoria elettromagnetica, l’esistenza di onde elettromagnetiche. Ma andiamo con ordine. Il campo, esistente ad esempio intorno ad un magnete, deve prevedere intorno a sé vortici e ruote inattive. Dove si costruiscono vortici se c’è il vuoto? Un qualche mezzo, sia esso di materia ordinaria o di un qualche etere con particolari proprietà dovrà riempire lo spazio in cui si sviluppa il campo. Le caratteristiche di questo supposto etere dovranno essere tali da rendere conto dei fatti sperimentali: da una parte esso dovrà essere estremamente sottile (non lo percepiamo immediatamente) e dall’altra, per spiegare la velocità con cui si propagano le perturbazioni del campo elettromagnetico, denso come l’acciaio (è di interesse notare che queste azioni, nel modello di Maxwell non possono che essere a distanza). Ebbene, se si crea una perturbazione in un dato punto dello spazio muovendo, ad esempio, un magnete vicino ad una corrente, questa perturbazione nei vortici e nelle ruote inattive non c’è motivo che resti localizzata tra magnete e corrente, essa dovrà via via propagarsi attraverso l’etere in tutto lo spazio (teoricamente all’infinito) circondante il sistema magnete – corrente.

        Che si tratti di una teoria azzardata è evidente, tanto più se si pensa che nessuna teoria dell’elettricità e del magnetismo fino ad allora sviluppate prevedeva una tal cosa, l’esistenza di perturbazioni (onde) propagantesi nello spazio.

        Nell’ultima parte di questa sua memoria Maxwell torna all’analogia di Thomson tra mezzo in cui si costruiscono vortici (e ruote inattive) e sostanze elastiche. Il mezzo nel quale si propagano le perturbazioni deve essere dotato di elasticità allo stesso modo che lo è un ordinario corpo solido solo che di valore differente. L’elasticità del mezzo è poi di estrema utilità per la spiegazione dei fenomeni elettrostatici. Questa supposta elasticità del mezzo faceva introdurre a Maxwell un concetto che avrà enorme importanza negli sviluppi successivi, quello di spostamento elettrico. Qui Maxwell si riallacciava direttamente a Faraday ed in particolare alle sue ricerche sui dielettrici ed alla scoperta della loro polarizzazione. Dice Maxwell:

“Possiamo pensare che l’elettricità che risiede in ogni molecola sia spostata in modo tale che una estremità di essa divenga positiva e l’altra negativa. L’effetto di questa azione sull’intera massa del dielettrico è quello di produrre uno spostamento generale dell’elettricità in una data direzione. Questo spostamento non giunge al livello di una corrente perché quando ha raggiunto un certo valore rimane constante, tuttavia è l’inizio di una corrente e le sue variazioni costituiscono correnti di direzione positiva o negativa, a seconda che lo spostamento aumenti o diminuisca”.

        Questa elasticità del mezzo, che forniva a Maxwell l’analogia per i suoi sviluppi matematici, è anche estesa al mezzo esterno, allo spazio, all’etere elettromagnetico. Ed in definitiva le azioni elettromagnetiche hanno sede in un mezzo elastico ma, con che velocità si propagano? La risposta a questa domanda da parte di Maxwell rappresenta la prima formulazione della teoria elettromagnetica della luce. Facendo i conti sulla velocità di propagazione di una perturbazione (oggi diremmo: onda) elettromagnetica nel mezzo elastico etere, considerando la relazione esistente tra la corrente di spostamento e la forza che la produce e deducendo da questa la relazione esistente tra misure statiche e dinamiche dell’elettricità, egli trovò che:

“la velocità delle ondulazioni trasversali nel nostro mezzo ipotetico, calcolata a partire dagli esperimenti elettromagnetici di Kohlrausch e Weber (4) , si accorda in modo tanto esatto con la velocità della luce calcolata a partire dagli esperimenti di Fizeau, che noi non possiamo quasi fare a meno di concludere che la luce consiste nelle ondulazioni trasversali del medesimo mezzo che è causa dei fenomeni elettrici e magnetici”.

        Ecco quindi che con poche parole si avanza una ipotesi rivoluzionaria: l’ottica sparisce per diventare un capitolo dell’elettromagnetismo. E tutto ciò a partire da una successione di azzardate ipotesi concatenate nel modo visto. Se si confronta il continuo impegno di Faraday nel cercare di eliminare dalla fisica enti inutili, con le innumerevoli ipotesi ‘ad hoc‘ di Maxwell e con il suo dotare l’etere, già rifiutato da Faraday, di innumerevoli proprietà meccaniche e di meccanismi tanto utili al calcolo quanto artificiosi, ci si rende conto della profonda differenza esistente, non tanto tra i due, quanto tra due diverse generazioni di ricercatori, tra due epoche diverse per sollecitazioni esterne, tra l’essere filosofo naturale e scienziato di professione.

LE EQUAZIONI DI MAXWELL

        Arriviamo così alla terza memoria di Maxwell della fine del 1864. Si tratta della ponderosa A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (bibl. 14). Mentre nella precedente memoria Maxwell aveva elaborato il modello meccanico che abbiamo descritto e che gli era servito per chiarirsi le idee e per mettere a punto il calcolo con l’ausilio delle analogie cui abbiamo accennato, ora egli abbandona il modello meccanico, si serve solo dell’etere e si occupa esclusivamente dei fenomeni elettromagnetici in quanto tali per sottoporli al calcolo. Questo lavoro contiene tutti i principali risultati che egli aveva precedentemente ottenuto e può essere considerato come la prima formulazione completa, dal punto di vista analitico, della teoria del campo elettromagnetico e della teoria elettromagnetica della luce. Le proprietà di questo campo sono descritte da 20 equazioni generali. Lo stesso Maxwell, all’inizio della memoria, annunciava che la sua era una teoria dinamica nel senso che si serve di materia in moto nello spazio per rendere conto dei fenomeni elettrici e magnetici. Essa riguarda essenzialmente lo spazio circostante i corpi elettrizzati o magnetizzati che3 dovrà essere riempito di un mezzo (permeante anche i corpi) in grado di essere posto in moto e di trasmettere quel moto da una parte all’altra con grande ma non infinita velocità. Questo etere ha una natura elettromagnetica ma poiché ha le stesse proprietà (elasticità, densità, …) di un etere ottico, può essere identificato con esso (è interessante notare che le proprietà dell’etere elettromagnetico Maxwell le assegnava a priori in modo che esso avesse poi avuto le caratteristiche che si richiedevano, ad esempio, per trasportare vibrazioni trasversali ad una data velocità). Vi sono infine le questioni energetiche. Per Maxwell l’energia è localizzata in tutto lo spazio ed è tutta di natura meccanica: egli considera un etere costituito da una enorme quantità di piccolissime cellule che, all’interno di un campo magnetico, ruotano tutte nello stesso verso attorno ad assi paralleli alle linee di forza. Così Maxwell può affermare che “l’energia cinetica di questo movimento vorticoso non differisce dall’energia magnetica …[e], in ogni punto del dielettrico sottoposto ad un campo, si accumula una energia che, nel modello, è elastica, ma che in realtà non è altro che energia cinetica” (bibl. 10, pag. 219). Egli considera quindi l’energia elettrica come energia potenziale meccanica e l’energia magnetica come energia cinetica di natura meccanica (bibl. 6, pag. 184). E, come già detto, questa energia meccanica – elettromagnetica risiede in tutto lo spazio e, in particolari condizioni, si può propagare sotto forma di onde elettromagnetiche. Il mezzo, l’etere, si può polarizzare in virtù della sua elasticità e quando è polarizzato è in una condizione di accumulo di energia potenziale (elettrica) che ridarà, sotto forma di energia cinetica (magnetica), quando lo sforzo cesserà. In definitiva la propagazione di onde elettromagnetiche nello spazio è dovuta alla trasformazione continua di una di queste forme di energia nell’altra e viceversa, e, istante per istante, l’energia totale nello spazio è ugualmente divisa tra energia potenziale (elettrica) e cinetica (magnetica). È quanto oggi sappiamo: si originano onde elettromagnetiche ogniqualvolta ci si trovi in presenza di una variazione o di un campo elettrico o di un campo magnetico (è interessante notare che la connessione tra materia e moto avrà importanza per Maxwell anche nello sviluppo di altri contributi che egli dette alla fisica, come nella teoria cinetica dei gas).

        È certo che con questa terza memoria Maxwell si sbarazza di quel grande ingombro che erano vortici e ruote inattive. Rimane però un etere con caratteristiche quasi materiali che Faraday non avrebbe mai condiviso. Allo stesso modo però a Maxwell non andava giù quella interconnessione di materia e forza che Faraday assumeva dalla tradizione romantica.

        A questo punto della sua attività scientifica, Maxwell voleva ricapitolare e mettere in bell’ordine il complesso dei suoi lavori elettromagnetici. Si ritirò nella sua casa di campagna (1865) dove la sua principale occupazione fu la compilazione del Treatise on Electricity and Magnetism (bibl. 15) che vide la luce nel 1873, sei anni prima della prematura scomparsa dello stesso Maxwell (aveva 48 anni). Il lavoro è ora sistematico ed i contributi di Maxwell si mescolano con quelli di altri autori risultando addirittura compressi e non esaltati. Sulla strada della terza memoria, Maxwell abbandona del tutto i modelli meccanici affidandosi al solo etere al quale sembra assegnare una realtà fisica. Egli tralascia molti dei procedimenti che lo avevano guidato sulla strada della scoperta delle sue equazioni del campo elettromagnetico. La deduzione di queste equazioni è puramente analitica a partire dalle equazioni fondamentali della meccanica nella forma che ad esse aveva dato Lagrange. Paradossalmente in questo modo di operare sparisce la meccanica stessa che diventa, in definitiva, una teoria eminentemente matematica, elaborata con Green, Stokes ed Hamilton. L’elettromagnetismo diventa quindi una meccanica dell’etere e, come lo stesso Maxwell affermava, “l’integrale è l’espressione matematica adeguata per la teoria dell’azione a distanza tra particelle, mentre l’equazione differenziale è l’espressione appropriata per una teoria dell’azione esercitata tra particelle contigue di un mezzo“. L’elaborazione matematica di Maxwell, anche qui, arriva alle 20 equazioni che descrivono il comportamento del campo elettromagnetico (si osservi che il numero di queste equazioni verrà ridotto a 9 da Hertz ed a 5 da Lorentz, 4 provenienti dalla teoria di Maxwell ed una rappresentante la Forza di Lorentz).

        In definitiva, secondo la teoria di Maxwell, una perturbazione elettromagnetica (ad esempio una carica che acceleri) si propaga in tutto lo spazio sotto forma di onde elettromagnetiche. L’esistenza di tali onde rimane quindi un’ipotesi nella teoria: la conferma o la confutazione di essa metterà alla prova l’intera teoria in un vero e proprio experimentum crucis. Riguardo la velocità di tali onde valgono ora le stesse considerazioni che Maxwell aveva fatto nella sua seconda memoria: esse si muovono con la velocità della luce e quindi la luce è un’onda elettromagnetica.. Vale però la pena di ricordare che tutto l’impianto maxwelliano è basato sull’ipotesi di esistenza di un mezzo, l’etere, in cui avessero sede le perturbazioni; questo etere era inoltre meccanicamente indispensabile. Allora, con Maxwell, se dell’energia viene trasmessa da un corpo ad un altro nel tempo, ci deve essere un mezzo o sostanza in cui l’energia esiste dopo aver lasciato un corpo e prima di raggiungere l’altro. Se si ammette questo mezzo come ipotesi è evidente che esso dovrà diventare oggetto preminente delle future ricerche sperimentali.

        Due quindi erano le questioni che Maxwell lasciava ad una verifica sperimentale: l’esistenza di onde elettromagnetiche e l’esistenza di un etere che le sostenga. Oltre a ciò le sue equazioni non soddisfacevano da un punto di vista euristico poiché non risultano simmetriche come le equazioni della dinamica e poiché erano state ricavate con grande disinvoltura matematica (come quando, osserva Rosenfeld, dovendo ricavare la velocità di propagazione di un’onda elettromagnetica, egli si dimentica di un fattore 1 diviso la radice di 2 , trovando poi il valore corretto per essa con ulteriori manipolazioni dettate dal risultato che sapeva di dover trovare. Su questo punto si veda bibl. 7).

        Come già accennato Maxwell scomparve nel 1879. Nel 1880 veniva pubblicata postuma su Nature una sua lettera a D.F. Todd. In questa lettera, tra l’altro, suggeriva un modo per poter accertare sperimentalmente la presenza del supposto etere attraverso la misura della velocità della luce in un tragitto andata – ritorno che la stessa avrebbe dovuto percorrere in direzione parallela al moto della Terra intorno al Sole (qui l’effetto del supposto etere sarebbe stato del 2º ordine nel rapporto v/c, con v velocità della Terra e c velocità della luce).

        L’accoglienza a queste teorie non fu della più entusiasta. L’unico fatto, e non da poco, che riconciliava il mondo dei fisici era che, in definitiva, Maxwell si era servito di un mezzo meccanico, l’etere, ed aveva unificato in una mirabile sintesi i fenomeni dell’elettricità, del magnetismo e dell’ottica. Ma, al di là dell’accoglienza dei contemporanei, è certamente vero che la sua teoria in sé e nei molti punti in cui era logicamente indeterminata apriva ad una grossa mole di lavori sperimentali che non tardarono a prodursi particolarmente ad opera di Hertz e Michelson.

NOTE

1) Più in generale è utile, a questo punto, soffermarsi su alcuni termini fin qui utilizzati e non compiutamente spiegati: atomi, atomi o molecole di Boscovich, molecole, punti atomi, punti inestesi, particelle,… Quando ho usato (od userò ) tali termini l’ho fatto perché in quel momento quello è il termine che utilizza Faraday. Egli non ha ancora le idee molto chiare sulla costituzione della materia (solo più avanti in due memorie, che discuterò, del 1844 e del 1846, avanzerà una sua teoria). È comunque in difficoltà: deve comunicare con un linguaggio vecchio dei concetti nuovi (è un poco lo stesso problema che aveva avuto Volta con ‘conduttori di prima e seconda classe‘, con ‘catene aperte‘ o ‘catene chiuse‘). Si può comunque ed in linea di massima dire che egli aderisce alle concezioni di Boscovich che prevedono una materia costituiti da atomi intesi come punti matematici circondati da atmosfere di forza (bibl. 16). Si osservi comunque che le concezioni di Faraday, quando si saranno precisate, differiscono almeno in un punto estremamente importante da quelle di Boscovich. Mentre quest’ultimo mantiene la distinzione newtoniana tra materia e forza, per Faraday esistono solo forze (bibl. 1, pagg. 73/80).

2) Lo ‘stato elettro-tonico‘ viene introdotto da Faraday, con le solite cautele, nel 1831, al par. 60 di bibl. 2. Al par, 71 egli afferma ” questo peculiare stato è come se fosse uno stato di tensione, e può essere considerato come equivalente ad una corrente elettrica, almeno uguale a quella prodotta quando si crea o si annulla una induzione”. Dice D’Agostino (bibl. 4, pag. 18) “è come se vi fosse una membrana elastica in tensione nelle vicinanze di un corpo elettrizzato e specialmente di un magnete. Alle variazioni della tensione dello stato elettrotonico Faraday collegava lo scatenarsi di correnti indotte che si hanno nelle vicinanze di un magnete in movimento“. Questo stato somiglia un poco a ciò che più oltre Maxwell chiamerà ‘corrente di spostamento’. Nel 1846, in analogia ai fenomeni dell’elasticità, W. Thomson introdusse un vettore A (‘spostamento elastico’) legato all’induzione magnetica B dalla relazione rot A = B (questo vettore A non è altro che il potenziale vettore già introdotto da Neumann, Weber e Kirchhoff). Fu Maxwell (1855) che chiamò A intensità elettrotonica ed interpretò la relazione di Thomson nel senso che “l’intera intensità elettrotonica che circonda ogni superficie misura il numero delle linee magnetiche di forza che passano attraverso quella superficie” e, poiché la forza elettromotrice indotta è data dalla derivata parziale, rispetto al tempo, cambiata di segno del vettore A, Maxwell afferma che la f.e.m. “di ciascun elemento di conduttore è misurata dall’istantanea percentuale di variazione dell’intensità elettrotonica su quell’elemento” (citazioni da bibl. 5, pag. 244). Oltre a quella accennata Thomson sviluppò altre analogie: tra la teoria del potenziale di Laplace e Poisson e quella del flusso di calore nel caso stazionario; tra forze elettriche propagantesi da particella a particella contigua e calore; tra fenomeni magnetici e stati di sforzo di un corpo elastico sottoposto a deformazione (usando la matematica di Stokes e Green).

3) Faraday era cosciente che l’unico modo per affermare sperimentalmente la teoria di campo sarebbe stato il mostrare che la propagazione delle linee di forza nello spazio avviene in un tempo finito (la curvatura delle linee di forza non era un argomento in sé probante). I suoi Diari, a partire dal paragrafo 1342, sono una drammatica testimonianza del suo progettare e non riuscire a realizzare esperimenti in proposito. Queste pagine dei Diari sono anche prova del metodo e della enorme abilità del nostro nell’inventare esperienze a sostegno di una determinata teoria.

4) Weber (1804 – 1890) aveva trovato una formula che rendeva conto delle azioni che si esercitavano tra cariche in moto (costituenti cioè delle correnti). In questa formula compariva un parametro c che rappresentava il rapporto tra l’unità elettrostatica e l’unità elettrodinamica di carica. In accurate misure per determinare il valore di c, Weber e Kohlraush trovarono per esso il valore di 3,11.10 (elevato alla decima) cm/sec, coincidente con quello che, negli stessi anni, era stato trovato da Fizeau e da Foucault per la velocità della luce in esperienze di natura completamente diversa (ottica). Questa coincidenza fu notata da Weber ma egli, nel contesto in cui si muoveva, non dette molta importanza alla cosa.

BIBLIOGRAFIA

1 – L. PEARCE WILLIAMS – Michael Faraday – Basic Book, New York, 1965.

2 – M. FARADAY – Experimental Researches in Electricity – Encyclopedia Britannica Inc, 1952.

3 – L. PEARCE WILLIAMS – The Origins of Field Theory – Random House, 1966.

4 – S. D’AGOSTINO – L’elettromagnetismo classico – Sansoni, 1975.

5 – E. WHITTAKER – Aether and Electricity – T. Nelson & Sons, 1951 e 1953.

6 – C. DE MARZO – Maxwell e la fisica classica – Laterza, 1978.

7 – L. ROSENFELD – The Velocity of Light and the Evolution of Electrodynamics – Supp. al Nuovo Cimento, 4, 10, 1957.

8 – S. D’AGOSTINO – I vortici dell’etere nella teoria elettromagnetica di Maxwell – Physis, 10, 3, 1968.

9 – W. BERKSON – Field of Force – Routledge & Kegan, 1974.

10-R. TATON (a cura di) – Storia generale delle scienze (vol. 3º) – Casini, 1966.

11-M. FARADAY – Thoughts on Ray-Vibrations – Phil. Mag. S.3, Vol. 28, 188, 1846.

12-J. K. MAXWELL – On Faraday’s Lines of Force – Trans. Cambr. Phil. Soc., 10, 1856.

13-J, K. MAXWELL – On Physical Lines of Force – Phil. Mag. , 21, 23, 1861 e 1862.

14-J. K. MAXWELL – A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field – Roy. Soc. Trans. , 155, 1864.

15-J. K. MAXWELL – Treatise on Electricity and Magnetism – Clarendon Press, Oxford 1873.

16-R. RENZETTI – Concezioni particellari e di campo nella prima metà del XIX secolo. L’opera di Michael Faraday – Nota interna nº 656 (19/12/1975) dell’Istituto di Fisica dell’Università di Roma.

Nota Interna n° 656 19 Dicembre 1975
Istituto di Fisica G, MARCONI  Università di Roma
C.N.R. – Laboratori di Ricerca


CONCEZIONI PARTICELLARI E DI CAMPO NELLA PRIMA META’ DEL XIX SECOLO

LA CONCEZIONE DELLA MATERIA IN FARADAY

(I PROBLEMI LINGUISTICI CHE SI PONGONO A CHI APRE NUOVE VIE)

Roberto  Renzetti

RINGRAZIAMENTI: Questo scritto è nato sotto lo stimolo del professor Salvatore D’Agostino che mi ha sempre guidato con preziosi consigli sia di carattere bibliografico sia relativi all’impostazione del lavoro. Per tutto questo lo ringrazio vivamente.


RIASSUNTO: Il lavoro va a ricercare le concezioni di Faraday sulla struttura della materia nel loro formarsi e progressivo affermarsi. Dopo una breve panoramica sui primi lavori di Faraday e sui contributi di Ampère e Mossotti, si affronta analiticamente l’opera di Faraday, relativamente al tema dell’articolo, passando attraverso le sue “Ricerche Sperimentali“, la sua corrispondenza, articoli vari ed obiezioni fatte da vari scienziati dell’epoca alle sue “speculazioni”.

INTRODUZIONE
Lo scopo di questo articolo è di ricercare le concezioni di Faraday sulle materia nel contesto delle idee che, all’epoca, si avevano nei vari ambienti scientifici e di andare a capire quanto Faraday, nelle sue ricerche, fosse guidato dalla presenza di un contesto teorico.
La tesi che intendo portare aventi è che Faraday, benché fosse molto meticoloso nel definire ogni parole nuova o significativa da lui usata, fino al 1844, quando avrà elaborato la sue teorie della materia, sfugge dalla definizione di “atomo” e “particella”.
Dal 1844, poi, nonostante le obiezioni che in tal senso gli verranno mosse, sfugge ancora al punto centrale, alla definizione cioè di “punto matematico” e “centro di forze”.
Faraday si serve spesso del termine “particella”, e qualche volte del termine “atomo”, non tanto per una concessione di linguaggio che la scienza ufficiale aveva fatto suo (terminologia corpuscolare), quanto per necessità di linguaggio. La scuola francese soprattutto con Ampère, era quella che più aveva sostenuto l’ipotesi particellare che era evidentemente, connessa con l’azione istantanea a distanza.
Faraday non può accettare il contesto (I) in cui si  muoveva questa scuola, ed allora il suo uso della terminologia corpuscolare è molto vaga e fatta sempre là dove il discorso


(I) Si tenga conto che Faraday si forma nel laboratorio di Da vy il quale è un convinto sostenitore delle teorie di Boscovich sulla costituzione della materia e per molti versi legato alla scuola tedesca. Davy spesso attacca con durezza la scuola francese soprattutto nelle persone di Lavoisier e Laplace (teoria del calorico).


glielo impone ma, ripeto, senza mai qualche definizione che ci faccia intendere di cosa stia parlando. Certamente Faraday non confonde “particella” con “atomo” (varie volte, come vedremo, sosterrà che non vuole parlare della parola “atomo”) pur usando spesso i due termini come sinonimi.
Si comincia ad intendere ciò che risulterà ben chiaro quando Faraday avrà elaborato le sua teoria della Materia: la suggestione delle idee di Boscovich è forte per il fisico inglese tanto da costituire per lui un pregiudizio che molto spesso, nonostante le sue affermazioni teoriche contrarie, lo guiderà nelle sue ricerche.
Questa non chiarezza di fondo, che deriva appunto dalla sua non confessata (almeno fino al 1844) adesione alle idee di Boscovich e nel contempo alla sua necessità di doversi esprimere con i termini delle scienza ufficiale (questo, cioè, da una parte non credere agli atomi e dall’altra doverli citare spesso), la si ritroverà in Faraday fino a che egli non avrà trovato una adeguata base sperimentale alle teorie sulla costituzione della materia che va elaborando.
Ma anche quando Faraday avrà pubblicato i suoi lavori sulla materia, accettando ed ampliando, come già accennato, la concezione di Boscovich (che del resto era già stata accettata da Davy e da gran parte della scuola tedesca), resteranno sempre degli elementi non chiari, di non definizione. Infatti, mentre Faraday definisce bene, con dovizia di particolari, ed assegnando loro anche una realtà fisica (2), le linee di forza, non definisce mai i “punti matematici” (2) o “centri di forza” (singolarità del campo diremmo noi) da cui queste linee di forza ai dipartono. Era il solito problema: quei “punti matematici” o “centri di forza” assumevano ancora una caratteristica di corpuscolarità che, fuor di dimensioni, ricreavano, dal punto di vista continuità – discontinuità, la stessa questione, magari ad un livello più elevato. Ma è chiaro che questo aspetto è secondario a questo punto per Faraday, ciò che lo interessava era l’azione che si esercitava tra gli oggetti in questione; e non vi è dubbio che i centri di forza di Boscovich permettevano a Faraday il superamento della teoria dell’azione istantanea a distanza, connessa con il corpuscolarismo “classico”, e la definizione della sua teoria dell’azione a contatto richiedente un tempo finito (e non nullo). E proprio su questo tipo di azione egli appunterà tutte le sue ultime ricerche, lasciando indietro insieme ai problemi di definizione di cui si è detto, insieme alla materia stessa e a tutto ciò che riteneva “ad hoc“, perfino l’etere. Ciò con cui lo sperimentatore viene a contatto,egli sostiene, sono le azioni e soltanto le azioni e di queste dobbiamo tenere conto. Queste azioni per Faraday sono l’unica realtà fisica che è poi la realtà fisica delle linee attraverso cui queste azioni si esercitano.


(1) Molti degli ultimi lavori di Faraday si occuperanno di questo problema.
Il primo accenno a questa realtà fisica si avrà alla fine della XXVIII serie (ottobre 1851) delle sue”Ricerche sperimentali sulla elettricità” al paragrafo 3175, quindi il concetto verrà sviluppato nell’articolo “Sul carattere fisico delle linee di forza magnetica” (giugno 1852), apparso sul Philosophical Magazine, soprattutto nei paragrafi 3247(fenomeni radianti), 3249 (fenomeni elettrostatici ed elettrodinamici) 3258, 3263, 3264, 3269 sino al 3299 (fenomeni magnetici); ed infine nell’articolo”Sulle linee fisiche di forza magnetica” (giugno 1852), apparso sui Royal Institution Procedings. Relativamente alla realtà fisica delle linee di forza magnetica Faraday fu portato ad affermarla dai risultati di un brillante e semplice esperimento da lui ideato. Muovendo un filo conduttore, collegato con un galvanometro, nelle vicinanze di un magnete, il galvanometro indicava passaggio, di corrente. Faraday non poteva pensare che il mero movimento del filo nel campo magnetico producesse le linee di forza le quali, in qualche modo, dovevano preesistere con la loro, appunto, realtà fisica.

(2) I “puncta”o “prima elementa” di “Boscovich. A proposito dell’atomismo dì Boscovich vedi: AA. VV. – Roger Joseph Boscovich … – Lavcelot law Whyte – London 1961 – pagg. 102-126. 


LA SITUAZIONE DEI CONCETTI DI ATOMO E PARTICELLA NELLA PRIMA META’ DEL SECOLO XIX 


I PRIMI LAVORI DI FARADAY


Alla fine del XVIII secolo ed agli inizi del XIX gli interrogativi sulla costituzione della materia cominciarono ad interessare sistematicamente la fisica.
Anche la chimica lavorava su questo problema ed i chimici pur ritenendo l’ipotesi dell’atomo come molto utile e proficua non si sentivano per questo obbligati ad ammetterne l’effettiva esistenza. La teoria atomica infatti poiché è funzionale alla spiegazione delle leggi chimiche può non tener conto della dimensione effettiva degli atomi: possiamo rimpicciolirli fino a ridurli a meri punti matematici, le leggi chimiche non cambiano ma, nel contempo, il discontinuo si avvicina vieppiù al continuo e l’atomo, pur mantenendo la sua individualità, in pratica non esiste più.
Furono proprio i chimici, soprattutto ad opera di Dalton, a dare un notevole impulso alla teoria atomica. Gli atomi di Dalton, insieme elle leggi delle proporzioni costanti e multiple, erano serviti alla spiegazione di una quantità di fenomeni. E l’ipotesi atomica era l’unica teoria complessiva che, all’epoca, permetteva un’interpretazione estremamente intuitiva di un gran numero di leggi generali della chimica. E’ chiaro quindi che gli atomi si ponevano sempre come elementi da dover tenere in considerazione là dove si scopriva un nuovo fatto o si cercasse 1’interpretazione di qualche fenomeno. In ogni caso, nel contesto dell’Europa degli inizi dell’800, non si poteva non tener conto di questi atomi che fra l’altro erano ormai entrati nel linguaggio e nella mentalità di tutti i ricercatori soprattutto ad opera delle scuole francese ed inglese. Chiunque si cimentasse in lavori di ricerca e passasse dal fatto fenomenologico alla sua interpretazione teorica si scontrava con l’uso delle parole atomo e/o particella; e ciò al di là dell’accettazione contestuale del termine ed al di là del significato che ciascuno gli attribuiva.
Anche Faraday fa uso di continuo in tutti i suoi primi lavori sia del termine “atomo” sia di quella più generico di “particella” ma senza eccessiva convinzione, di passaggio, in modo strumentale. Si ha l’impressione che Faraday accetti la teoria di Dalton solo per quello che può servigli alla spiegazione di alcuni fenomeni e per comunicare agli altri, con l’intenzione di farsi capire, le sue ricerche. Il suo non ben definire né queste particelle né questi atomi fa intendere che Faraday sta costruendo una sua teoria della materia alla quale dovrà portare a sostegno, come suo uso, una grossa base sperimentale.
Il primo accenno del tipo citato a particelle si ha in una lettera (1) che Faraday, il 2 maggio 1826, indirizza a C. Daubeny. In questa lettera Faraday, occupandosi del problema dal riscaldamento dell’acqua mediante lava vulcanica, sostiene che non ci può essere alcun dubbio che di due particelle contigue di acqua quella che è più scaldata salirà (2)». 


(1) Tutte le lettere che saranno citate nel seguito, salvo  indicazione contraria,  sono tratte da “The selected correspondence of Michael Faraday” a cura di L. Pearce Williams, Cambridge University Press, 1971. L’indicazione bibliografica sarà di volta in volta data con le iniziali S.C. seguite dal numero d’ordine della lettera.

(2) S.C. 78 “May be the can little doubt that of  two contiguous particles of water the one which is warmed more than the other will ascend …”.


Il successivo accenno significativo (1831) a particelle, sempre di passaggio come quello ora citato, si ha al paragrafo 76 delle “Ricerche Sperimentali sull’Elettricità” (1) in cui Faraday definisce lo stato elettronico dello materia come quello in cui “le particelle omogenee della materia appaiono aver assunto una regolare ma forzata sistemazione nelle direzione della corrente”(2). 
Nella quarta e quinta serie(1833) dell’E.R.E. (3) le particelle sembrano assumere maggior significato in quanto Faraday pensa che il potere di condurre, sia l’elettricità che il calore, dei corpi, e gli stati di aggregazione della materia potrebbero in qualche modo dipendere dal reciproco “incatenamento delle particelle ai loro posti”(3) o meglio dalla “condizione corpuscolare delle sostanze interessate”. (3)
Faraday va avanti con questo uso della parola particella (4) che se da una parte non si inserisce in un contesto teorico determinato, dall’altra appare non debba venir confusa con l’atomo della teoria atomistica di Dalton: essa sembra essere per Faraday un pezzetto di materia che non ha nulla a che vedere con i costituenti ultimi della materia.


(1) “Faraday’s Experimental Researches in Electricity” – 1° volume: B. Quaritch, Londra 1839; 2° volume: B. Quaritch, Londra 1844; 3° volume: R. Taylor e W. Francis, Londra 1855. L’indicazione bibliografica sarà di volte in volta data con le iniziali E.R.E. seguite dal numero d’ordine del paragrafo. 

(2) E.R.E. 76 -“the omogeneus particles of matter appear to have assumed a regular but forced electrical arrangement ih the direction of the current…”.

(3) E.R.E. 412 – 413 – 416. “… by chaining the particles to their places…”, “… two conducting powers … appeer to be directly connected with the corpuscolar condiction of the substances concerned … “.

(4) E.R.E. 518 – 519 – 520 – 521 – 522 – 523. “…the elementary particles have a mutual relation to, and influence upon each other, extending beyond those with which are immediately combined… ” 


E’ interessante comunque notare il paragrafo 532 in cui Faraday affronta il particolare aspetto degli assunti che fa per la sua teoria della decomposizione elettrochimica. Per la prima volta si accenna ad una azione che non si esaurisce nella particella o nelle immediate vicinanze di essa: “le particelle elementari hanno una mutua relazione, e si influenzano l’un l’altra al di là di quelle particelle con cui esse sono immediatamente combinate”. (vedi nota 4 di pagina precedente) .Questo concetto sarà comunque sviluppato nella sesta serie dell’E.R.E. (833) (1).
Così Faraday va avanti, ed ogni tanto le sue ricerche sperimentali gli fanno usare una parola che egli in qualche modo rifiuta. E’ ora la volta della parola atomo. Infatti nella settima serie (del 1834) dell’E.R.E  (2) incontriamo per la prima volta il passaggio dalle generiche particelle ai più conosciuti atomi. Faraday incomincia con l’associare ad ogni atomo una certa quantità di elettricità (3) ma subito avverte “debbo confessare di essere geloso del termine atomo poiché sebbene sia molto facile parlare di atomi, è molto 


(1) E.R.E. 619 – 624 – 657 – 658.

(2) E.R.E. 852 – 856 – 860 – 869 – 870.

(3) E.R.E. 852.


difficile formarsi una chiara idea sulla oro natura” (1). Anche se dubbioso, Faraday continuerà ad usare la parola atomo e nell’ottava serie (aprile 1834) dell’E.R.E. (2) svilupperà il concetto delle quantità di elettricità associata ad ogni atomo. Ma subito ci ripensa ed in una lettera di risposta (giugno 1834) ad uno studente (Ward) che gli chiedeva consigli per sperimentare una sua teoria sulla struttura atomica, Faraday, dopo avergli detto che gli esperimenti fanno sempre bene, afferma che: “Una riflessione molto breve sul progresso delle filosofia sperimentale le mostrerà che non vi è disturbo più grande alla ricerca di teorie precostituite. Ho pensato a lungo ed attentamente sulle teorie di attrazione e di particelle e di atomi di materia e più ci penso (aiutato dall’esperienza) e meno chiara mi appare la mia idea di un atomo o particella di materia”. (3)



(1) E.R.E. 869. “…I must eonfess I am jealous of the term atom; for though it is very easy to talk of atoms, it is very difficult to form a clear idea of their nature .,.”

(2) E.R.E. 961.

(3) S.C. 170. “… A very brief consideretion of the  progress of experimental philosophy will show you that it is a great disturber of pre-formed theories.
I have thought long and closely about the theories of attraction and of particles and atoms of matter, and the more I think (in association with experiment) the less distinct does my idea of an atom or particle of matter become …”


I CONTRIBUTI DI A.M. AMPÈRE E DI O.F. MOSSOTTI


E’ interessante a questo punto ricordare un articolo (1835) (1) che sembra non essere mai stato preso in considerazione da Faraday. La circostanza è strana per due motivi: l’autore dell’articolo (il vecchio Ampère) era famoso ed in corrispondenza con Faraday da più di dieci anni, il giornale su cui è stato pubblicato (Annales de Chimie e de Physique) era comunemente letto, come dimostrano le sue continue citazioni, da Faraday. In questa memoria Ampère ricapitola sulle conoscenze della teoria atomistica, definendo e precisando con cura alcuni concetti fondamentali, ed inoltre assegna con precisione delle forze attrattive e repulsive agli atomi in modo che le teorie atomiche cominciano a presentarsi come teorie fisicamente strutturate e l’atomo non più come un concetto limite ma come realtà con attributi fisici (2).
Con molta chiarezza Ampère chiama particella “una porzione infinitamente piccola di un corpo e della sua stessa natura, in modo che una particella di un corpo solido è solida, 


(1) “Note de M. Ampère sur la Chaleur et sur la lumière constdérées comme resultant de mouvements vibratoires”.  Anneales de Chimie et de Physique, t. 58 – S. 2 -1835 – pagg. 434-444.

(2) In pratica si tratta di utilizzare l’atomo non più per quello che serve alla chimica, ma per quello che serve alla fisica. Su questa strada si era mosso già Laplace nella sua “Teoria dei fenomeni capillari” (allo scopo vedi “Laplace” a cura di 0. Pesenti Cambursano nella collezione dei Classici della Scienza U.T.E.T. pagg. 714-720) introducendo però, oltre all’interazione “meccanica” tra le particelle,  anche quella tra la loro”atmosfera di calorico”.


quelle di un liquido, liquida, e quelle di un gas, allo stato aeriforme”(1). E, continuando, questa particella è per lui composta dall’aggregazione di più molecole che sono “tenute a distanza: 1° de ciò che resta a questa distanza delle forze attrattive e repulsive proprie degli atomi; 2° dalla repulsione che stabilisce fra esse il movimento vibratorio dell’etere interposto; 3° dell’attrazione in ragione diretta alle masse ed inversa al quadrato delle distanze” (1). La molecola è poi “un insieme di atomi, forze attrattive e repulsive proprie di ogni atomo, forze che io ammetto essere talmente superiori elle precedenti, che quelle possono essere considerate in confronto come quasi impercettibili”, mentre gli atomi “sono i punti materiali da cui emanano queste forze attrattive e repulsive” (1). 
Il lavoro di Ampère, per questa parte di cui ci siamo occupati, trae alcune conseguenze interessanti che si ricavano dalle sue definizioni di molecole ed atomi: “la molecola è essenzialmente solida, sia che il corpo a cui essa appartiene sia solido, liquido o gassoso; … le molecole hanno necessariamente la forma di un poliedro, del quale i loro atomi, o 


(1) “… J’appelle particule une portion infiniment  petite d’un corps et de mime nature que lui, en sorte qu’une particule d’un corps solide est solide, celle d’un liquide, liquide, et celle d’un gaz, à l’état aériforme.
Les particules sont composées de molécules tenues a distance 1° par ce qui r est e a cette distance des forces attractives et répulsives propries aux atomes; 2° par le répulsion qu’établit entre elles le mouvement vibratoire de l’éther interpose; 3° par l’attraction en raison directe des masses et inverse du carré des distances. Je nomme molécules un assemblage d’atomes tenues à distance par les forçes attractives et répulsives propres a cheque atome,  forces que j’admet être tellement supérieures aux precédentes, que celles-ci peuvent étre considérées relativement comme presque insensibles. Ce que j’appelle atomes ce sont les points matériels d’où émanent ces forçes attractives et répulsives.
Il suit de cette définition des molécules et des etomes qua la molécule est essentiellement solide,  que le corps auquel elle appartient soit solide, liquide ou gazeux; que les molécules ont nécessairement la forme d’un polyédre, dont leurs atomes, ou du moina un certain nombre de ces atomes, occupent les sommets …”.


almeno un certo numero di questi atomi, occupano i vertici” (nota 1 di pag. prec.)
Ebbene, secondo me, da queste definizioni che implicano una teoria completa è possibile sia ritrovare, per usare il linguaggio di Kuhn, il “paradigma” laplaciano e meccanicista per cui Ampère si inserisce in questo contesto, sia prefigurare la teoria di campo con annesse le linee di forza faradyane, quando si vogliano interpretare in un contesto diverso le forze attrattive e repulsive che emanano dagli atomi e quando quei punti materiali di cui parla Ampère vengono intesi nel senso boscoviciano di punti matematici. In ogni caso, secondo l’odierno modo di vedere, in mancanza di prove sperimentali che assegnino il primato ad una delle due teorie (quella di Boscovich e quella di Ampère), ambedue dovevano ritenersi equivalenti ed è solo il valore euristico e/o preconcetto (1) di una delle due che la poteva far preferire (2).
Un altro lavoro (3) che ebbe notevolissime conseguenze e che si muoveva su linee esterne 


(1) Su questo argomento, che ritengo particolarmente importante,  ritornerò ella fine di questo lavoro,  quando sarà il momento di trarre qualche conclusione.

(2) Lo stesso Boscovich aveva sostenuto che più una teoria è semplice ed elegante,  più essa ha la possibilità di essere vera.  Allo scopo vedi: R. Champeix: Savants méconnus, inventions oubliées – Dunod, Parigi 1966, pag. 124. 

(3) O. F.  Mossotti: “Sur lés forces qui régissent la constitution intérieure dea corps“, Agosto 1836. Vedi: Mossotti – “Scritti“, 2° volume; tomo 1°- pagg. 158 – 185,  Domus Galileiana – Pisa – 1951.


a quelle di Ampère e del meccanicismo in genere, è quello che nel 1836 pubblicò O. F. Mossotti e che in seguito Faraday terrà in gran conto. E’ certo che questo scritto di Mossotti si muove sulla linea indicata da Boscovich. E’ interessante notare che la linea boscoviciana nasceva per motivi euristici di non possibilità di accettazione teorica della discontinuità che si viene a creare nelle variazione della quantità di moto nell’urto di due particelle (1).
Nella sua memoria Mossotti, dall’osservazione di alcuni fatti sperimentali tra cui la resistenza dei corpi alla compressione, ricava l’idea che tra molecole debbono agire forze repulsive alle minime distanze, che variano rapidamente fino a diventare attrattive (equilibrio stabile delle molecole) ad una distanza più grande (ma sempre piccolissima), e infine, che decrescono “in ragione inversa al quadrato della distanza, quando quest’ultima, è divenuta sensibile, per rappresentare l’attrazione universale” (2). E’ proprio a quella distanza intermedia che Mossotti suppone che le molecole “si trovino nelle composizione dei corpi”.
A questo punto Mossotti sottopone all’analisi la sua teoria, arricchendola di alcune ipotesi aggiuntive (3) che facevano parte del contesto di ricerca dell’Europa della prima metà


(1) Max Jammer: “Storia del concetto di Forza“- Feltrinelli.

(2) “… et enfin elle doit décroître en raison inverse du carré de la distance, lorsque celle-ci est devenue sensible pour représenter l’attraction universelle …”  “…  s’environnent d’une atmosphére dont la densité decroît suivant une fonction de la distance,  qui contient un facteur exponentiel …”

(3) Le molecole materiali, come punti isolati e di forma sferica,  si suppongono immerse in un etere indefinito e continuo. Si suppone inoltre che tra queste molecole e tra gli atomi esistano due particolari forze attrattive ed una repulsiva come suggerito dalla teoria di Epino (che a sua volta l’aveva derivata da Franklin).  Per la teoria di Epino vedi comunque a pag. 16l della nota in oggetto.


del XIX secolo, e trova che queste molecole materiali “si circonderanno  di una atmosfera la cui densità decresce seguendo una funzione  della distanza che contiene un fattore esponenziale” (nota 2 di pag. prec.) e “poiché l’equazione differenziale che determina la densità è lineare, essa è soddisfatta da una somma qualunque di queste funzioni corrispondenti ad un numero qualunque di molecole, da cui segue che le loro atmosfere si possono sovrapporre o penetrare l’una nell’altra senza che l’equilibrio dell’etere ne sia disturbato” (1).

L’articolo in questione termina con una ventina di pagine,  fitte di conti, che portano appunto alla conclusione che Mossotti aveva anticipato.


(1) “… L’équation différentièlle qui détermine la densité étant linéaire, elle est satisfaite par une somme quelconque de ces fonctions correspondentes a un nombre quelcomque de moléculee, d’où il s’en suit, que leurs atmosphéres peuvent se superposer, ou pénétrar l’une dans l’.autre sans que l’èquilibre de l’éther en soit dérangé …”.


LE ULTERIORI RICERCHE DI FARADAY ED IL DIBATTITO FINO AL 1844


Faraday viene subito a conoscenza del lavoro di Mossotti e ne rimane particolarmente eccitato ed interessato tanto che, poiché non ha conoscenze matematiche, chiede subito (dicembre 1836), con una lettera , il parere del suo amico Whewell sullo scritto ed in particolare “sulla correttezza dei ragionanenti matematici” (1) dei quali egli dichiara di non poter essere giudice.
  Egli comincia dunque a lavorare all’ipotesi di Mossotti e nel frattempo le sue idee si arricchiscono di nuovi contributi che altri ricercatori costruiscono. E’ da notare in particolare una lettera (gennaio 1837) che Babbage invia a Faraday in cui si incomincia ad introdurre l’idea di un atomo, del tipo di quello ipotizzato da Mossotti, che, se sollecitato in un certo modo, “irradia in tutte le direzioni, [atomi più piccoli]”(2).
E’ proprio nel 1837 che Faraday porterà avanti nuove idee sulle costituzione e l’interazione di quei corpuscoli e particelle di cui parla sempre più spesso. Nella 11ª serie dell’E.R.E. egli comincia (3) ad avanzare l’ipotesi dell’azione per contatto, ipotesi che svilupperà sempre più in seguito con l’introduzione delle “linee di forza induttiva” che verranno definite per la prima volta nel paragrafo 1304 dell’E.R.E.


(1) S.C. 202 -“… of the correcteness of the mathematical reasoning …”

(2) S.C. 204 -“… there will go on a continued radiation from all parts, [of minor atoms] …”

(3) E.R.E. 1164-1165. 


Intanto Faraday ai sta occupando di fenomeni di conduzione ed isolamento attraverso lo studio dei vari tipi di “scarica” (1), della relazione del vuoto con i fenomeni elettrici, della natura della corrente elettrica e delle sue forze trasversali (2). Questi lavori preciseranno ulteriormente alcune delle idee di Faraday sulle forze a contatto specialmente quando egli si trova a dover analizzare il ruolo che un eventuale vuoto avrebbe nei fenomeni di conduzione: “le particelle agiscono a distanza solo agendo sulle particelle contigue e frapposte … la più vicina particella esistente essendo considerata come la sola contigua” (3).
E’ evidente che per portare in fondo quell’idea di azione a contatto, che non senza difficoltà Faraday portava avanti, era necessario indagare il ruolo del vuoto nei processi di conduzione. E’ indubbio che l’etere, il quale rispondeva sia alle esigenze dei sostenitori della teoria del continuo (nel caso fosse considerato come fluido uniforme) sia a quelle degli “atomisti” (nel caso fosse considerato come costituito da tanti “atomi di etere”), avrebbe risolto ogni difficoltà di Faraday. Infatti il problema era: se l’azione si può svolgere solo “per contatto”, come è possibile che essa si propaghi nel vuoto? E’ evidente che nell’ipotesi faradyana la materie non presenta difficoltà: è il vuoto che


(1) Dal paragrafo 1320 al 1479 della XII serie dell’E.R.E. e dal paragrafo 1480 al 1612 della serie XIII dell’E.R.E.

(2) Dal paragrafo 1613 al 1666 dalla serie XIII dell’E.R.E.


(3) E.R.E. 1615 -“[the particles] act at a distance, only by acting on the contiguous and intermediate particles … the next existing particle being considered as the contiguous one…”.


impedirebbe il propagarsi delle azioni. Affidarsi all’etere sarebbe stato risolutivo, ma Faraday non usa in questo caso quel concetto che pur si era manifestato uno strumento molto utile per la spiegazione di molti altri fenomeni soprattutto in relazione alla sua formalizzazione in termini matematici. Egli vuole trovare la soluzione per via sperimentale, vuole cioè trovare quelle proprietà che si dovrebbero assegnare allo spazio nell’ipotesi, appunto, di azione per contatto. Se poi qui lo spazio fosse da considerare vuoto oppure no di materia e di forza è un problema che Faraday affronterà più avanti.
    E questa non era un’ impresa di poco conto. La critica dell’azione a distanza comportava l’assegnare delle proprietà fisiche allo spazio vuoto che, in questo modo, veniva ad essere un’altra cosa rispetto allo “spazio assoluto” ed inerte introdotto da Newton. Prima di mettere mano agli esperimenti Faraday inizia le sue indagini teoriche confrontando l’azione a distanza con quella a contatto (per la sua riconosciuta (1) difficoltà ad abbandonare, senza discuterla, la teorie dell’azione a distanza) ed arrivando alla conclusione(2) che l’azione di una “particella, elettrizzate positivamente, che si trova al centro di un vuoto di un pollice di diametro, … su tutte le particelle” disposte intorno


(1) E.R.E. 1615.

(2) E.R.E. 1616 – “Suppose it possible for a positively electrified particle to be in the centre of a vacuum an inch in diameter, nothing in my present views forbids that the particle should act at the distance of half an inch on all the particles forming the inner superfices of the bounding sphere, and with a force consistent with the well known law of the squares of the distance…”


sfericamente “alla distanza di mezzo pollice” è la stessa sia quando tra questa particella centrale e le altre c’è il vuoto, sia quando c’è materia isolante (a causa dell’effetto polarizzante che la particella centrale ha su quelle vicine). Faraday non è però ancora completamente convinto, tanto è vero che sente la necessità di indagare ancora sia con speculazioni teoriche sia con ricerche sperimentali. Egli torna quindi a riconsiderare la natura della corrente elettrica (I) sia originata da eccitazione sia da scariche di vario tipo, l’azione elettrolitica (2) ed il calore prodotto dal passaggio di corrente (3), rifacendosi per quest’ultimo argomento agli esperimenti in proposito di A. De la Rive, Davy, Pelletier, Becquerel e Harris.
Arriva quindi alla conclusione che “la vera natura della corrente è sempre la stessa; in essa ci sono dovunque due forze … ed appare impossibile assumere una corrente costituita solamente da forza positiva” (4). Evidentemente ciò cozza con la dottrina della unipolarità che Faraday rigetta affermando che “i fatti portati a sostegno della teoria dell’unipolarità non contrastano con quella unità ed indivisibilità del carattere che  io ho 


(1) E.R.E. 1617 sino 1620.


(2) E.R.E. 1621 sino 1624.


(3) E.R.E. T625 sino 1626. 


(4) E.R.E. 1627- “… It is a most important part of the chara cter of the current, and essentially connected with its very nature, that it is always the same. The two forces are everywhere in it … It appears to me to be as impossible to assume a current of positive or a current of negative force alone,…”


mostrato che la corrente possiede”(1) anzi qualche fatto, oltre alla pila, contrasta addirittura con questa teoria. Tutte queste considerazioni, insieme ad altre sulle scariche elettriche nell’atmosfera (2), sul loro impiegar tempo (2), sulle forse trasverse della corrente (3), sugli effetti magnetici prodotti dalle scariche disruptive (4) oltre a molte esperienze sull’introduzione di dielettrici di diversa capacità induttiva tra poli magnetici e fili trasportanti corrente (5) portano Faraday “ad indulgere in qualche speculazione” (6). Egli afferma allora che le forze polari dell’elettricità sono originate per contatto e quindi, estrapolando, conclude che “tutte le forze polari agiscono nello stesso modo” e “poiché una forza o trova o sviluppa la contraria vicino ad essa, allora non ha occasione di cercarla a distanza” (7), riproponendosi di verificare ciò meglio in futuro (8).


(1) E.R.E. 1636 – “… the facts upon which the doctrine of unipolarity was founded are not adverse to that unity and indivisibility of character which I have stated the current to possess, …”


(2) E.R.E. 1641. 


(3) E.R.E. 1653. 


(4) E.R.E. 1656.


(5) E.R.E. 1662 – In proposito vedi anche la serie XI dell’E.R.E ed in particolare i paragrafi 1270 e 1277.


(6) E.R.E. 1658 – “… I am now very much temted to indulge in a few speculations…”.


(7) E.R.E. 1665 – “… all polar forces act in the same general manner … for the one force either finds or developes thè contrary force near to it, and has, therefore, no occasion to seek for ìt at a distance …”


(8) E.R.E. 1662 – 1664. 


E’ dunque l’unità ed indivisibilità delle forza elettrice che porta Faraday alla conclusione della polarità di tutte le forze elettriche. Questo fatto comportava inoltre che, come nella decomposizione elettrochimica l’azione è trasmessa da particella a particella, anche nella forza elettrostatica si doveva avere una azione da particella a particelle, un’azione cioè a contatto e non a distanza. Poiché poi la trasmissione della forza elettrostatica dipende dal tipo particolare di particelle del dielettrico interposto è evidente che queste particelle debbono manifestare un qualche effetto sulle forze stesse (effetto connesso, come appunto Faraday aveva dimostrato, con la capacità induttiva specifica del dielettrico in gioco). Tutto ciò porta alla conclusione che tutto il processo induttivo ha sede nelle particelle interposte e non meramente nei terminali.
Per fornire un’altra prova dell’azione da particella a particella e quindi non a distanza,  sulla retta congiungente i due terminali, Faraday fa riferimento ad un fatto sperimentale che evidenzia la “curvatura” dell’azione.
Nella decomposizione elettrochimica gli elettrodi si ricoprono uniformemente delle sostanze decomposte. Se l’azione fosse lungo la retta congiungente, ciò non sarebbe possibile essendovi una preponderanza di materiale decomposto sulle parti degli elettrodi che ti trovano affacciate.
E l’azione in linea curva è giustificabile solo ricorrendo egli effetti di volume delle particelle interposte e “forzate” tra gli elettrodi. Ecco allora una prova che sarà impossibile ricondurre all’azione a distanza e che darà a Faraday la conferma dell’azione preponderante del mezzo interposto che, appunto, non è inerte, ma capace di azioni fisiche. Il fatto poi che, dallo studio dei dielettrici, Faraday riesce a provare che anche lì l’azione avviene per linee curve (1) servirà de una parte a mostrargli la correttezza dei suoi ragionamenti relativi all’azione per contatto e, dall’altra, a confermargli il suo programma di unità, intanto, delle forze elettriche.

In tutti questi ragionamenti è ovvio che assume grande importanza la linea di forza induttiva. Essa, come abbiamo visto, è una linea di tensione tra molecole che, appunto a causa di questa tensione, risultano polarizzate, cioè forzate in “una disposizione per cui la stessa molecola acquista opposte potenze in parti differenti” (2) da una medesima forza (ed è per questo motivo che la “potenza” positiva, è sempre  uguale a quella negativa: risultando di una medesima forza)(3).
Ecco allora come si vanno precisando le idee di Faraday sulla costituzione della materia: da une parte egli ritiene necessaria la presenza di particelle per originare e mantenere l’azione, dell’altra le rifiuta quando afferma che è l’azione tra particelle che lo interesse e non le particelle che “non sa” definire,
Faraday sa che ha ancora bisogno di precisare il ruolo del vuoto e della materia per stabilire la natura della forza elettrica ed è per questo che torna su questi argomenti nella 


(1) E.R.E. 1215 e tavola VII.


(2) E.R.3. 1304 – “… a disposition of force by which the same molecule acquires opposite powers on different parts …”


(3) Questo modo di intendere il processo di induzione mediante polarizzazione delle particelle di materia sarà superato de Faraday in E.R.E. 3243 sino 3362, in cui parlerà della polarizzazione non più come uno stato della materia ma come un qualcosa da assegnare alle linee di forza per indicarne la direzione (3361). Si osservi che è in questa parte dell’E.R.E. che Faraday assegna una realtà fisica alle linee di forza.


XIV serie l’E.R.E. del giugno 1838, dove studia con particolare attenzione i problemi connessi con la polarizzazione di un dielettrico mediante induzione. Nel portare avanti questi esperimenti Faraday scrive delle cose, sulla costituzione della materia, che si servono tutte, ancora, di una terminologia completamente atomistica. Egli fa riferimento ad una “teoria” (1) non ben precisata per andare a mettere insieme tutte le conoscenze sulle particelle e/o atomi che a quel punto gli servono. Nel far questo mescola assunti suoi, con assunti ricavati delle opinioni della scienza ufficiale sull’argomento, con considerazioni che egli ricava dagli esperimenti.
Tutte le particelle, secondo Faraday, sia quelle di materiale conduttore che quelle di un isolante sono conduttrici (1). Queste particelle nello stato normale non sono polari ma lo possono diventare, istantaneamente, sotto l’azione delle particelle cariche più vicine (2). Ovviamente lo stato di particella polarizzante è forzato e questa particella ha la tendenza a ritornare nel suo stato normale (3).


(1) E.R.E. 1669 -“… the teory assumes the al the particles, whether of insulatìng or conducting matter, are as whales conductors …”
Altre proprietà sono assegnate da Faraday alle particelle, sempre in base a questa teoria non ben precisata, nei paragrafi da 1670 a 1678.


(2) E.R,E. 1670.


(3) E.R.E. 1671.


In ogni caso “ciascuna particella può accumulare una enorme quantità di potenza” (1). Ma ciò che più interessa è che “comunque complicata possa essere la composizione di un corpo, tutti quegli atomi o quelle particelle che sono tenute insieme dalle affinità chimica per formare una molecola del corpo risultante, agiscono come una massa o come particella conduttrice, quando la sostanza in considerazione è sotto induzione o polarizzata”(2).
Queste ultime affermazioni di Faraday ci fanno intendere un poco meglio l’uso della sua terminologia.

Innanzitutto Faraday sembra che abbia usato fin qui la parola “particella” proprio per rimanere nel vago di una cosa a cui deve riferirsi ma che non gli risulta ben definita. Tanto è vero che la parola “atomo”, proprio perché è riluttante ed essa per sua esplicita affermazione (3) viene da lui usata proprio quando non ne può fare a meno. In questo caso, infatti, dovendo parlare di “molecole” ed essendo ormai accettato dal linguaggio comune che la molecola è composta di atomi, non può fare a meno di usare quella parola che gli è tanto ostica. Conseguenza di ciò è che fino ad ora Faraday ha usato 


(1) E.R.E. 1686 – “… the quantity of power which can thus be accumulated on a single particle is enormous …” 


(2) E.R.E. 1700 – “… however complicated the composition of a body may be, all those perticles or atoms which are heldn together by chemical affinity to form one molecule of the resulting body, act as one conducting mas or particle when inductive phenomena and polarization are produced in the substance of which ìt is a part …” 


(3) S.C. 170 (citata). 


consciamente la parola particella, più sfuggente come sinonimo della parola atomo, più impegnativa per il suo riferimento preciso a tutto un contesto ed una tradizione di tipo meccanicista. 
Quindi per Faraday “particella” ed “atomo” sono la stessa cosa ben distinta da “molecola” che comporta aggregazione di atomi o particelle. Questa molecola poi, comunque complicata possa essere, è dotata di massa, e risulta un tutt’uno con proprietà di condurre anche se il corpo, di cui la molecola è parte, è un isolante. Poiché fin qui Faraday non fa altri riferimenti alla massa, quello che viene spontaneo affermare è che se una molecola ha massa, e se questa molecola è composta di più atomi, ciascun atomo ha una parte della massa totale della molecola. Viste poi le considerazioni che Faraday ha già fatto, e che ho già riportato, a proposito del vuoto che non può essere conduttore, sembrerebbe qui che atomi di per sé conduttori (1) per il solo essere aggregati in molecole con altri atomi forniscano alla intera molecola la proprietà di essere conduttrice se si è sotto induzione o in condizioni di polarizzazione. Ovviamente l’idea di Faraday è guidata dalla azione a contatto e solo il “contatto” tra atomi può originare quella molecola a cui si riferisce. E’ quindi la condizione forzata di polarizzazione che fornisce alla molecola le proprietà di essere conduttrice? La molecole di per sé lo sarebbe indipendentemente da polarizzazioni, o da induzioni? Da quello che Faraday dice non sì capisce ed il fatto che egli non spieghi questa differenza di stato è ancora, secondo me, una prova del suo muoversi con circospezione tra tradizione e rinnovamento. Una annotazione importante la si può ancora ricavare da questa XIV serie dell ‘E.R.E. La tesi che Faraday porta avanti in tutte le sue ricerche è quella dell’identità delle forze elettriche e magnetiche e comunque egli è alle ricerca di un unica causa all’origine dei vari fenomeni che le natura ci presenta (in questo seguendo Bo scovich che per primo, appunto, cercò di ricondurre tutti i fenomeni esistenti in natura ad un’unica spiegazione).
Questa condizione fa affermere a Faraday, di passaggio e quasi per caso, che “le particelle di un dielettrico isolante, sotto induzione, possono essere paragonate ad una serie di piccoli aghi magnetici” (2) realizzando così, almeno intenzionalmente, un tentativo di unificazione fra elettricità e magnetismo. Ovviamente sia le ricerche sperimentali che le speculazioni teoriche di Faraday non passano sotto silenzio ed insieme ai riconoscimenti, non mancano critiche anche aspre a tutti i sui lavori. Valga per tutte 1a disputa che Faraday ebbe con R. Hare (3) tra il 1840 ed il 1841.
Le obiezioni che Hare mosse a Faraday, relativamente alla problematica di cui ci stiamo occupando, in una lunga lettera (4) dura e puntigliosa, sono sostanzialmente tre e tutte sulla poca chiarezza di alcuni termini usati da Faraday.


(1) E.R.E. 1669.

(2) E.R.E. 1679 – “… the particles of an insulating dielectric whilst under induction may be compared to a series of small magnetic needles …” 

(3) Professore di chimica all’università di Pennsylvania.

(4) S.C. 242 “… What is a sensible distance, if half an incà is not? … As the theory which you have proposed, gives great importance to the idea of polarity, I regret that you have not defined the meaning which you attach to this word …”


Hare ricorda dapprima che l’induzione, secondo Faraday, è l’azione di particelle contigue cioè non di particelle a sensibili distanze, ed osserva che c’è contraddizione con quanto Faraday sostiene nel paragrafo 1615 dell’E.R.E. dove si parla di una particella che agisce sulla sfera di quelle circostanti alla distanza di un mezzo pollice. Hare chiede quindi: come è possibile questa azione ad una distanza di mezzo pollice se l’induzione è tra particelle contigue? “Cos’è una distanza sensibile se mezzo pollice non lo è? (nota precedente n° 4).
Altra obiezione mossa da Hare è la seguente: “Poiché la teoria che lei ha proposto dà grande importanza all’idea di polarità, mi rammarico che non abbia definito il senso che dà a questa parola…”(nota precedente n°4).
Ultima obiezione nasce dalla considerazione che, come Hare crede di interpretare da Faraday, poiché ciascuna particella polarizzata deve avere almeno due poli, questo comporta che l’idea della polarità richiede che ci siano in ogni corpo che la possiede due
opposti poli. “Ma se tutto questo è vero, come può esserci una particella eccitata positivamente?”(1)
Faraday rispose a queste obiezioni con una lettera (2) altrettanto lunga a puntigliosa, in cui riafferma sostanzialmente il suo modo di vedere, che ci interessa in quanto chiarisce alcuna questioni che riguardano il tema in discussione. 

Egli parte dal riconoscimento che l’uso della parola “carica” è equivoco ed allora specifica che “semplice carica non implica … polarità nel corpo caricato. Mentre carica induttiva … la implica” (2). Dopo di che continua rimandando Hare ad  una nota che lo stesso Faraday aveva apposto al paragrafo 1665 dell’E.R.E. in cui in sostanza si affermava che particelle contigue sono quelle vicine non quelle che si toccano. Fatta questa precisazione Faraday aggiunge che “su quel punto riguardante particelle contigue e induzione attraverso mezzo pollice di vuoto” (2) non vede perché sia in contraddizione con se stesso o con ogni fatto o legge naturale e conclude affermando che, pur non essendo per lui l’azione attraverso il vuoto una azione di induzione ordinaria, come quella che si ha attraverso particelle contigue, non vede perché non debba avvenire allo stesso modo (3).
La replica (4) di Hare non si fa attendere.
Il chimico americano prende atto del fatto che Faraday ha scelto male il termine  “contigue” e osserva che le induzioni non possono essere ordinarie e straordinarie ma solo di un unico tipo. Ciò che aggiunge di nuovo è la seguente affermazione: “è provato che, in accordo con le sue teorie, l’induzione elettrica richiede l’intervento di materia; ma lei ammette che essa agisce attraverso il vuoto, e, naturalmente, agisce senza la presenza di materia ponderabile …” (2) di conseguenza, secondo Hare, Faraday è più che mai in contraddizione con se stesso.

Nell’ulteriore risposta (5) Faraday chiude seccato questa corrispondenza ritenendola inutile e dispendiosa dì tempo.
E’ interessante, a conclusione di questo paragrafo, fare qualche osservazione di carattere generale che prende spunto da questa controversia con Hare ma che è riferita ad ogni controversia che Faraday ha sostenuto.
E’ indubbio che gran parte delle dispute che si accendono tra chi tenta di dare nuove interpretazioni ai fenomeni naturali e chi invece vuole mantenere il punto di vista del passato, quello accettato dalla scienza ufficiale, nascono, oltreché per differenze di carattere pregiudiziale, soprattutto per motivi di linguaggio. Ed il linguaggio è certamente un momento importante della comunicazione delle idee. Si pensi allora al grave disagio di chi, in una situazione dì tradizione, se non di conservazione, deve comunicare agli altri, ed in particolare a questi altri, i risultati dei suoi lavori che vanno ad intaccare, o quantomeno non sono in linea con le scienza ufficiale. Ebbene questa comunicazione deve necessariamente avvenire con le parole che la vecchie scienza utilizzava in un altro senso, o con più significati, o, in ogni caso, con l’introduzione di parole nuove che, proprio per la loro novità ingenerano immediate reazioni di scetticismo, quando non di ostilità. E’ infetti già difficile, particolarmente nella fisica, comprendere appieno il senso di vecchie parole in relazione a specifici fatti, immaginiamo le difficoltà di far intendere, a chi viene per la prima volta a conoscenze e della parola e dal fatto in un medesimo, ad esempio, articolo, il significato di nuove parole che ancora non sono collegabili a fatti riconosciuti. 
Faraday la sente tutta intera questa difficoltà. Egli, da acuto ricercatore qual è, sa cogliere immediatamente il nocciolo del problema e, proprio nella lettera di risposta alle critiche di Hare, che ci ha dato lo spunto per questa digressione, fa conoscere tutto intero il suo disagio. Egli afferma: “… l’impressione conclusiva che ne ho avuta è che debbo aver espresso in un modo imperfetto il mio pensiero, ma ho la speranza che, quando avrò espresso con maggiore chiarezza le mie parole, potrò guadagnarmi la sua approvazione. Penso che molte parole nel linguaggio della scienza elettrica abbiano più di un significato; e la loro interpretazione varia ancora, più o meno, a seconda dei vari filosofi, cosicché (le stesse parole) non implicano esattamente la stessa idea in menti di uomini differenti: queste (parole), quando sono forzate nel loro uso, per esprimere (un’idea) con tutta la brevità che si concilia con uno che desidera realmente far conoscere il proprio pensiero, rendono con difficoltà (quell’idea) …” (6).


(1) Ibidem. “… But if all thia be true, how can there be a positively excited particle …”

(2) S.C. 245 – “… simple charge therefore does not imply polarity in the body charged. Inductive charge…does…”.
“… So on this point respecting contiguous perticles and induction across half an inch of vacuum, I do not see that I am in contradiction white myself or with any natural law or fact…”.

(3) C’è qui, evidentemente, il riconoscimento da parte di Faraday della possibilità di un’azione a distanza sensibile, in un modo non specificato, con principi analoghi a quelli dell’azione a contatto da particella a particella. E’ probabile che la suggestione di questa insufficienza della sua teoria abbia spinto Faraday ad indagare meglio e, come si vedrà, la successiva speculazione di Faraday “Sulla natura delle materia” supererà questo scoglio.

(4) S.C. 258 -“… It is then proved that, agreeably to your doctrine, electrical induction requires the intervention of matter; but you admit that it acts across a vacuum, and, of course, acts without the presence of ponderable matter….”. 

(5) E.R.E. Vol. 2°, pag. 275.

(6) S.O. 245 (aprile 1840) “… the resulting impression on my mind is, that I must have expressed my meaning imperfectly, and I have a hope that when more clearly stated my words may gain your approbation. I feel that many of the words in the language of electrical science possess much meening; and yet their interpretation by different philosophers often varies more or less, so that they do not carry exactly the same idea to the minds of different men: this often renders it difficult, when such words force themselves into use, to express with brevity as much as, and no more than, one really wishes to say …”.


LA PRIMA SPECULAZIONE DI FARADAY SULLA NATURA DELLA MATERIA.
CONTINUA IL DIBATTITO


Gli sforzi profusi da Faraday per portare a termine la XIV serie dell’E,R.E. (giugno 1838) lo faranno ammalare costringendolo ad abbandonare per sette anni le sue ricerche sperimentali. In questo lasso di tempo Faraday si concentra soprattutto sul problema della costituzione della materia visto che, nel febbraio del 1844, scrive una lettera (1) a Richard Taylor, direttore del Philosophical Magezine, in cui espone ampiamente le sue idee lasciandosi andare a quelle speculazioni che egli stesso aveva sempre, in linea di principio (ma non in pratica), cercato di evitare per paura che interferissero con l’unica realtà che egli riconosceva, quella sperimentale. Questa lettera segna l’abbandono definitivo, da parte di Faraday, di ogni concezione particellare delle materia. 
Faraday inizia questa sua lettere con una serie di critiche alla teoria atomica ed al suo ammettere spazio vuoto (2) tra atomo ed atomo. (3) 
E’ vero che la teoria atomica interpreta bene i fenomeni chimici e cristallografici, sostiene Faraday, ma poiché si sovrappone ai fatti sperimentali senza esserne distinta, uno 


(1) “Speculazione riguardo la conduzione elettrica e la natura della materia“, Philosophical Magazine, S.3, vol. 24, n. 157, pagg. 136-144.

(2) Altrimenti le sostanze non potrebbero né comprimersi né dilatarsi. 

(3) Atomo, naturalmente, inteso come “qualcosa di materiale con un certo volume”.


studioso può interpretarla “come una affermazione dei fatti stessi,benché sia al più un assunto (1) della cui verità non possiamo dire nulla, qualunque cosa possiamo dire o pensare della sua probabilità”(2).
Faraday riconosce quindi l’utilità dell’ipotesi atomica per la speculazione di alcuni fatti (chimici e cristallografici) ma tiene subito a distinguere le teorie e le ipotesi dal fatti. Gli assunti possono essere certamente molto utili, ma se li assimiliamo ai fatti “essi diventano dei pregiudizi che inevitabilmente interferiscono con un chiaro e sospirato giudizio” (3). In Faraday è quindi sempre presente la preoccupazione di sostenere qualsiasi assunto con esperienze probanti e, gli atomi, oltre a “rispondere ad ogni scopo presente” mostrano delle incungruenze con gli studi sull’elettricità e sulla luce che egli portava avanti: “luce ed elettricità (che) sono due grandi e completi investigatori della struttura molecolare dei corpi” (3).
E’ certo dunque per Faraday che alcuni fatti (chimici e cristallografici) si possono spiegare con la teoria atomica, ma è anche certo che questi fatti non sono strumenti di indagine della struttura atomica. Per poter dunque dire qualcosa egli individua degli strumenti (luce ed elettricità) di indagine e, applicatili alla materia, ne trae alcune conclusioni non prima però di aver citato tre grosse incongruenze a cui porterebbe l’accettazione della teoria atomica:


(1) Per “assunto” Faraday intende l’insieme di “teoria ed ipotesi”.

(2) Ibidem, pag. 137 – “… as a statement of facts themselves, though it is at best but an assumption; of the truth of which we can assert nothing, whatever we may say or think of its probability …”.

(3) Ibidem, pag. 137 – “… becomes a prejudice, and inevitably interferes, more or less with a clear – sigihted judgment …  Light and electricity are “two great and searching inveatigators of the molecular structure of bodies …”. 


1) Secondo la teoria atomica, lo spazio, distinto dalle particelle di materia, deve essere considerato come l’unica parte continua nella materia. Se quindi un isolante non conduce è perché lo spazio è un non conduttore; ma allora anche i conduttori non dovrebbero condurre essendo la loro struttura (spazio continuo +  particelle di materia) uguale a quella degli isolanti.
2) Dividendo il peso specifico dei metalli per il numero atomico, nell’ipotesi di volumi eguali di metallo, otteniamo il numero di atomi per unità di volume. Ebbene, applicando questo ragionamento a vari metalli, si trova che: l’oro è uno dei migliori conduttori pur contenendo il minor numero di atomi per unità di volume; il ferro che contiene il maggior numero di atomi per unità di volume è uno dei peggiori conduttori; il rame che contiene tanti atomi quasi quanti il ferro conduce meglio dell’oro ed ha un potere conduttore circa sei volte quello del ferro. Non essendoci nessuna proporzione né dirette né inversa tra il numero di atomi per unità di volume e potere conduttore i dati riportati sono quanto meno “pieni di perplessità”.
3) La terza incongruenza nasce dal confronto, del numero di atomi, dal peso specifico e dal peso atomico tra potassio (eccellente conduttore), potassa (non conduttore) e potassa idrata (1) (non conduttore). Il potassio ha un’unità elementare monoatomica (l’atomo di potassio), la potassa ha un’unità elementare biatomica (un atomo di potassio + un atomo di ossigeno), la potassa idrata ha un’unità elementare tetratomica (un atomo di potassio +  un atomo di ossigeno + un atomo d’idrogeno  + un atomo di ossigeno (1). I1 peso specifico del potassio è 0,865 mentre il suo peso atomico è 40; il peso specifico della potassa idrata è circa 2 mentre il suo peso atomico è 57. Da questi che, per Faraday, sono fatti segue che “un pezzo di potassio contiene meno potassio di un ugual pezzo della potassa formata da esso e da ossigeno”(2) e lo stesso pezzo di potassio contiene meno atomi di potassio di un ugual pezzo della potassa idrata formata da esso, da ossigeno e da acqua cosicché “se un dato volume di potassio contiene 45-atomi, lo stesso volume di potassa idrata contiene 70 atomi circa del metallo potassio ed inoltre 210 atomi in più di ossigeno ed idrogeno” (2). Conseguenza di ciò è che gli atomi di potassio debbono essere molto distanti tra loro in modo da avere molto più spazio che materia; ed allora lo spazio deve essere un eccellente conduttore; ed allora come si spiegano tutti gli isolanti?


(1) Si tenga conto che Faraday accetta l’opinione più diffusa introdotta da Dalton nel 1808, sulla costituzione chimica dell’acqua, ritenendo quest’ultima formata da un atomo di idrogeno ed uno di ossigeno con formula HO. La formula chimica dell’acqua, così come noi la conosciamo (H2O), sarà stabilita quando sarà accettata l’ipotesi di Avogadro (1811)-Ampére (1814) e cioè circa dieci anni dopo questo lavoro di Faraday. Si osservi che il fisico inglese doveva conoscere almeno nella formulazione amperiana, questa ipotesi, e che comunque egli fa riferimento  alla sua enunciazione più diffusa, per attaccare la teoria atomica.

(2) Ibidem, pag. 139 – “… A piece of potassium contaìns less potassium that an equal piece of the potash formed by it and oxygen … If a given bulk of potassium contains 45 atoms, the same bulk of hydrate of potassa contains 70 atoms nearly of the metal potassium, and besides that, 210 atoms more of oxygen and hydrogen …”.


E’ certamente vero che gli atomi attraggono di più la fantasia che non i centri di forza, sostiene Faraday, ma “se dobbiamo fare degli assunti” è meglio farli “tanto piccoli quanto possibili … ed in questo senso gli atomi di Boscovich mi pare che abbiano un grande vantaggio sulla più usuale nozione di atomo” (1).

Ma cosa sono gli atomi di Boscovich? Essi “sono semplici centri di forze o potenze e non particelle di materia” (1), sono dei “punti matematici” circondati da una “atmosfera di forza di cui sono centri” (1). 

Ecco allora che Faraday comincia a chiarire le sue concezioni:
non c’è materia ma centri di forza che sono soltanto dei punti matematici. La sensazione di materia è data dall’impacchettamento di  più atmosfere di forza e sono le forze intorno ai centri che danno a questi ultimi le proprietà di atomi di materia i quali vengono così ad essere estremamente elastici e compenetrabili. Sono le forze che noi percepiamo e non la materia che è un qualcosa di “astratto [e] di cui non c’è nessuna necessità filosofica” (2). La materia senza forze, è inerte. La vera e propria materia sono le forze le quali, essendo presenti in tutto lo spazio rendono questa materia continua e presente dovunque. Stando le cose in questo modo tutte le contraddizioni che nascevano a proposito della conduzione e dell’isolamento, per Faraday, spariscono (3). Riguardo poi agli “atomi di forza” quella che ordinariamente è intesa come forma, intesa dagli atomisti classici come “definita ed inalterabile”, dovrà ora “essere riferita alla disposizione ed alla relativa intensità della forza” (4) sistemata in ed intorno al centro. Questa forza poi: “o può essere uniforme nella disposizione e nell’intensità in ogni direziono al di fuori di questo …; o, dal centro verso l’esterno, la legge di decrescita della forza può variare in differenti direzioni…; o le forze possono essere disposte in modo tale da rendere l’atomo polare; o esse possono circolare intorno ad esso equatorialmente o a seconde del modo di immaginare atomi magnetici” (4).


(1) Ibidem, pag. 140 “… If we must assume…the safest course appears to be to assume as little as possible, and in that respect the atoms of Boscovich appear to me to have a great advantage over the more usual notion. His atoms, if I understand aright, are mere centres of forces or powers, not particles of matter, in which the powers  themselves reside … is a mere matematical point … [with] … atmosphere of force grouped around it …”.

(2) Ibidem, pag. 141 “…the abstract matter … for which there is no philosophical necessity…”.

(3) Faraday non spiega come. Si può pensare che Faraday assegni ad alcune sostanze la caratteristica di essere isolanti e ad altre quella di essere conduttrici a seconda della disposizione delle atmosfere di forza intorno ai centri.

(4) Ibidem, pag. 142 “… that which is ordinarily referred to under the term shape would now be referred to the disposition and relative intensity of the forces. The power arrenged in and around a centre might be uniform in arrangement and intensity in every direction outwards from that centre, and then a section of equal intensity of force through the radii would be a sphere; or the law of decrease of foree from the centre outwards might vary in differant directions, and then the section of equal intensity might be an oblate or oblong spheroìd or have other forms; or the forces might be disposed so as to make the atom polar; or they might circulate around it equatorially or otherwise, after the manner of imagined magnetic atoms. In fact nothing can be supposed of the diaposition of forces in or about a solid nucleus of matter, which cannot be equally conceived with respect to a center …”.


Questa concezione della materia, che in qualche modo si ricollega a tutta la scuola tedesca leibniziana ed idealista, spiega, secondo Faraday, allo; tesso modo della teoria atomica “classica” i fenomeni cristallografici e chimici (che, come abbiamo detto all’inizio di questo lavoro, possono fare astrazione dell’effettiva dimensione degli atomi) ed inoltre è estremamente feconda per la comprensione di fenomeni quali la conduzione elettrica e l’isolamento (assegnando appunto allo spazio, ora non più vuoto ed inerte, queste proprietà) oltre alle combinazioni chimiche, ed in particolare quelle viste prima del potassio e dei suoi composti (affermando la compenetrazione dei centri di forza atomici in modo da formare un atomo o molecola con forze sistemate o uniformemente intorno ad esse o come la risultante delle forze dei due atomi costituenti) (1). E’ evidente che le implicazioni sono molte: innanzitutto c’è un più argomentato rifiuto della teoria dell’azione a distanza con 1’affermazione dell’azione a contatto e quindi ci sono tutti i germi della teoria di campo che Faraday affronta con maggiori dettagli nelle ultime righe di questa lettera:
“Questa concezione sulla costituzione della materie sembrerebbe condurre necessariamente alla conclusione che la materia riempie tutto lo spazio o, almeno, tutto lo spazio a cui si estende la gravitazione (includendo, il sole ed il sistema solare); poiché la gravitazione è una proprietà della materia che dipende da una certa forza, ed è questa forza che costituisce la materia.
In questa concezione la materia non è solo mutuamente compenetrabile, ma ciascun atomo si estende, per così dire, attraverso l’intero sistema solare, pur conservando il proprio centro di forza.
Questo, a prima vista, sembra allinearsi molto armoniosamente can le investigazioni matematiche di Mossotti (2)…e con il vecchio adagio la materia non può agire dove essa non è. Ma non ho alcuna intenzione di entrare in considerazioni di questo tipo, o su quali relazioni questa ipotesi avrebbe con la teoria dalla luce e del supposto etere”(3).
Per sua stessa ammissione Faraday ha costruito une teoria della materia che è indipendente dell’etere ed in pratica, anche se fa riferimento a Mossotti, sostituisce questa entità, che egli non può riconoscere in quanto non sostenuta da alcuna evidenza sperimentale, e che invece Mossotti ammetteva, con le forze e linee di forza a cui assegna, come ho già detto, una realtà fisica. (4)
Con la fomulazione di questa teoria Faraday si mette quindi in contrasto sia con gli atomisti, che volevano atomi e vuoto, sia con chi riteneva che l’etere (continuo e composto da atomi) dovesse permeare tutto lo spazio; ed infatti la sua lettera al Philosophical Magazine si attirò una quantità di critiche e di obiezioni. 
Le critiche più benevole parlano di “vivida immaginazione”, (5) ma subito si passa a ben altre argomentazioni che riguardano soprattutto il “punto matematico” e la sua atmosfera di forza. Essa più che spiegare, legando insieme fenomeni conosciuti, li rimpiazza risolvendo tutta la materia in un’astrazione metafisica (5); ed, in ogni caso, rimane la solita ambiguità nel linguaggio (che è poi non chiarezza di formulazione o mancanza di specificazione), infatti viene subito da pensare:
a) che cos’è un punto matematico? 
b) se il punto matematico è, come lo intendiamo oggi, una singolarità del campo, in che modo si concilia con la pretesa continuità della materia che dovrebbe riempire, appunto,  tutto lo spazio?
c) le idee di punto matematico ed atmosfere di forza sono migliori per interpretare i fenomeni o sono meno in disaccordo con essi?


(1) Su un modo analogo di intendere il legame chimico si era precedentemente espresso anche Davy (vedi P. Williams: The origins of field theory – Random House, 1966; pag.72).

(2) Vedi l’articolo di Mossotti citato.

(3) Ibidem, pagg. 145,146 “… The view now stated of the constitution of matter would seem to involve necessarily the conclusion that matter fills all space, or, at least, all space to which gravitation extends (including the sun and its system); for gravitation is a property of matter dependent on a certain force, and it is this force which constitutes the matter. In that view matter is not merely mutually penetrable, but each atom extends, so to say, throughout the whole of the solar system, yet always retaining its own centre of force. Thia, at first sight, seems to fall in very harmoniously with Mossotti’s mathematical investigation and reference of the phenomena of electricity, cohesion, gravitation, etc. to one force in matter; and also again with the old adage matter cannot act where it is not. But it is no part of my intention to enter into such considerations as these, or what the bearings of this hypothesis would be on the theory of light and the supposed aether…”.

(4) Riporto qui, per comodità, una nota precedentemente fornita. 

Molti degli ultimi lavori di Faraday si occuperanno di questo problema.
Il primo accenno a questa realtà fisica si avrà alla fine della XXVIII serie (ottobre 1851) delle sue”Ricerche sperimentali sulla elettricità” al paragrafo 3175, quindi il concetto verrà sviluppato nell’articolo “Sul carattere fisico delle linee di forza magnetica” (giugno 1852), apparso sul Philosophical Magazine, soprattutto nei paragrafi 3247(fenomeni radianti), 3249 (fenomeni elettrostatici ed elettrodinamici) 3258, 3263, 3264, 3269 sino al 3299 (fenomeni magnetici); ed infine nell’articolo”Sulle linee fisiche di forza magnetica” (giugno 1852), apparso sui Royal Institution Procedings. Relativamente alla realtà fisica delle linee di forza magnetica Faraday fu portato ad affermarla dai risultati di un brillante e semplice esperimento da lui ideato. Muovendo un filo conduttore, collegato con un galvanometro, nelle vicinanze di un magnete, il galvanometro indicava passaggio, di corrente. Faraday non poteva pensare che il mero movimento del filo nel campo magnetico producesse le linee di forza le quali, in qualche modo, dovevano preesistere con la loro, appunto, realtà fisica.

(5) Lettera di T. Mayo a Faraday del 6 marzo 1844: S.C. 279 – “… vivid immagination …”. 


d) ammessa l’atmosfera dì forza, perché al suo centro deve esservi un punto matematico e non un atomo “classico” ? (“Il punto matematico di Faraday o è una semplice negazione, che non ha né grandezza né proprietà, o è esso stesso, dopo tutto, un atomo materiale”) (1);
e) è vero che conosciamo effetti e forze, ma non è possibile pensare queste proprietà disgiunte della materia ? (1)
f) l’ atmosfera di spazio intorno agli atomi materiali non potrebbe essere ritenuta assolutamente indifferente rispetto al potere conduttore ed isolante di una sostanza ? (1)
g) le idee di Faraday sono sostenute da pregiudizi e comunque sono condotte in modo tale da denigrare la teoria atomica; (1)
h) la nuova idea di materia di Faraday è intesa ristretta a quelle forze che si manifestano nelle masse ad insensibili distanze oppure comporta che noi non viviamo soltanto nella materia di cui è costituita la terra ma piuttosto in un miscuglio di tutte le materie solari e planetarie? (2) 

i) finora Faraday aveva sempre sostenuto che, per esempio, i fenomeni di induzione si spiegano mediante l’azione di particelle contigue e non aveva mai fatto cenno a materia priva di ponderabilità mentre ora pare che si riferisca solo a quest’ultima (2);


(1) Ibidem – “… the mathematical point of Dr. Faraday is either a simple negation, as having neither magnitudo nor parts, or is itself, after all, a material atom …”.

(2) Lettera di R. Hare al Philosophical Magazine, S. 3, vol. 26, pagg. 602-607, 1845.


1) benché nell’ idrossido di potassio vi siano più atomi di quelli che vi sono in una uguale massa di potassio è possibile che, nell’ultimo caso, vi sia una maggiore quantità di potenze calorifiche ed elettriche (1). Ed in genere la capacità di condurre di tutti i metalli si può  spiegare “con il loro essere pieni di potenze calorifiche ed elettriche. Quindi le suggestioni di Faraday rispetto alla materialità di quelle che prima sono state designate come le proprietà dei corpi, forniscono gli strumenti per refutare i suoi argomenti contro l’esistenza di atomi ponderadili ed impenetrabili” (1);
m) è vero che gli “agenti fisici”o le forze, che secondo Faraday costituiscono la materia, riempiono lo spazio ma è anche vero che non lo occupano (2);
n) i punti materiali non presentano alcuna condizione intellegibile per originare e rinnovare le forze (2);
o) la sostanza c’è, anche se il termine sostanza è equivoco (2);
p) se le forze elettriche sono le vere responsabili delle reazioni chimiche, quale parte hanno nel fenomeno le sostanze materiali o chimiche?


(1) Ibidem, pag. 606 – “… to their being peculiarly replete with the material powers of heat and electricity.
Hence Faraday’s suggestions respecting the materiality of what has heretofore been designated as the properties of bodies, furnish the means of refuting his arguments against the existence of ponderable impenetrable atoms …”.

(2) Lettera di J. H. Green a Faraday del luglio 1845: S.C. 309.


q) è innegabile che le proprietà di conduzione ed isolamento non appartengono allo spazio; ma non così inevitabile è la conclusione secondo cui un metallo non potrebbe essere un conduttore se non lo fosse lo spazio. Quest’ultima conclusione sarebbe inevitabile come la precedente se noi conoscessimo sperimentalmente che la continuità assoluta è necessaria alla conduzione elettrica. (1)

Insieme alle critiche, vi furono anche proposte alternative alle speculazioni di Faraday. Una spiegazione in termini atomistici delle questioni sollevate da Faraday venne da R. Laming in una breve lettera al Philosophical Magazine(1). Mi sembra interessante citare questa memoria di Laming soprattutto alla luce delle conoscenze moderne. 
Laming parte dalla critica al lavoro di Faraday (2) sostenendo che le proprietà di conduzione ed isolamento sono di gran lunga più comprensibili senza introdurre nessun altro assunto, all’ordinaria teoria atomica, che l’ipotesi secondo cui differenti tipi di atomi sono naturalmente associati con differenti quantità di elettricità (3). Egli osserva poi che, essendo combinata con la materia una gran quantità di elettricità (4), la quantità di elettricità per atomo può ritenersi sufficiente ad invilupparlo. Inoltre, essendo un fatto sperimentale che la forza con cui l’elettricità è attratta dalla materia è più grande a più breve distanza, l’elettricità si avvicinerà sempre più ad una atomo in modo da formare una sfera che ha l’atomo stesso per centro. In accordo con la teoria atomica basta ora pensare una massa di elettricità come  composta da atomi elettrici per concludere che la sfera di elettricità che avvolge l’atomo ai materia ordinaria consisterà di un certo numero di atomi elettrici sistemati in strati concentrici, l’ultimo dei quali può risultare completo o no. 
Se l’ultimo strato risulta non completo siamo nelle condizioni in cui si può avere la conduzione pensandola nel modo seguente: sì supponga una catena di atomi ordinaria disposta tra due corpi elettrizzati di segno opposto; il primo atomo ordinario prenderà gli atomi elettrici che gli mancano, per completare l’ultimo strato, dal corpo elettrizzato che si trova in contatto con lui; il secondo atomo ordinario farà lo stesso con il primo (e così via) mentre il primo continuerà a riformarsi dal corpo elettrizzato. Tutti questi atomi elettrici, che si trasferiscono da atomo ad atomo, andranno a trovare posto nel corpo elettrizzato (di segno opposto) che si trova all’altra estremità della catena (5). 
E’ chiaro che queste idee di Laming riconducono tutto il problema e della conduzione e della costituzione della materia al filone meccanicista in contrasto netto con tutta la “speculazione” di Faraday. In tutto il XIX secolo comunque si dovranno sempre considerare questi due diversi punti di vista (quello meccanicista e quello che comincia ad affermarsi con Faraday) come coesistenti. Anche quando la teoria di campo si affermerà definitivamente con Maxwell, ci sarà sempre un filone di fisici meccanicisti, e non da poco, che porterà avanti, più o meno “underground”, le proprie concezioni. Inoltre gli stessi “innovatori” avranno sempre una forte eredità newtoniana, derivante dalla loro formazione, tale da far spesso coesistere vecchio con nuovo.


(1) Lettera di R. Laming al Philosophical Magazine, S. 3, vol. 27, pag. 420, 1845.

(2) Vedi punto (p) precedentemente citato.

(3) Alla luce del fatto che se ciò non fosse, l’assunto di atomi diversi per diverse sostanze dovrebbe ritenersi ancor meno probabile.

(4) Fatto, questo, sostenuto anche da Faraday.

(5) Laming, in questo modo, spiega bene anche l’affinità chimica che risulta come una specie di incastro tra atomi elettrici di atomi ordinari distinti.


IL SECONDO LAVORO DI FARADAY SULLA NATURA DELLA MATERIA


Dalla pubblicazione del suo lavoro sulla natura della materia Faraday non parlerà più di atomi. Egli è sempre più attratto dalle forze, dal loro conflitto e dalle loro reciproche trasformazioni e naturalmente lega tutto questo alla costituzione della materia (1) pur senza soffermarsi mai sulle obiezioni che, come abbiamo visto, da molte parti gli erano state mosse. In particolare Faraday non spiega che cos’è il suo “punto matematico”.
E’ proprio la ricerca di queste forze che gli farà affrontare una grossa mole di ricerche sperimentali (2).
Tra questi lavori è molto interessante, riguardo i problemi in esame, la XIX (1) serie dell’E.R.E., soprattutto per alcune affermazioni di carattere generale che Faraday fa. Egli sostiene infatti che, della convinzione che le forze possano trasformarsi le une nelle altre, fu condotto “a fare qualche tentativo con l’intento di scoprire il rapporto diretto che può esistere tra la luce e l’elettricità”(3).


(1) E.R.E. 2146. E’ questo il primo paragrafo della serie XIX dell’E.R.E. (novembre 1845) che porta il titolo “Sulla magnetizzazione della luce e 1′ illuminazione delle linee di forza magnetiche“.

(2) La serie XIX, XX e XXI dell’E.R.E. ed un articolo (1845) dal titolo: “Sulle relazioni e caratteri magnetici dei metalli“(vedi E.R.E. vol. III, pag. 444). Sul contenuto di queste ricerche vedi più avanti in nota.

(3) E.R.E. 2147. “…This strong persuasion extended to the powers of light, and led, on a former occasion, to many exertions, having for their object the discovery of the direct relation of light and electricity, and their mutual action in bodies subject jointly to their power; but the results were negative…”.


Molti tentativi che ha fatto sono stati infruttuosi però niente ha potuto indebolire in lui, quella “ferma convinzione che gli deriva da considerazioni filosofiche” (1), finché è riuscito a “magnetizzare ed elettrizzare un raggio di luce e ad illuminare una linea magnetica di forza” (1).
In questi brevi brani si può riconoscere quindi quanto sostenevo all’inizio del lavoro. Faraday non accetta la teoria atomica perché è guidato da pregiudizi di carattere filosofico e questo nonostante le sue molte affermazioni sulla nocività di questi pregiudizi. Egli riconosce se stesso come uno schellinghiano, uno che, muovendosi sulla linea di Oersted, va alla ricerca del conflitto di forze.
E’ certo che le ricerche che Faraday fa a sostegno delle sue idee sulla materia lo convincono sempre di più (2) della giustezza delle sue speculazioni anche se in una lettera (3) al suo amico C. E. Neef, del marzo 1846, si esprime in questi termini “…continuo a sognare con idee di materia e sue forze che non reputo saggio o filosofico mettere in circolazione poiché ritengo che pos sano cambiare con l’evidenza dell’esperimento: ma uso queste idee come stimolo e guida nel corso di nuove indagini e fino ad ora non ho ragione di pentirmi della strada che ho percorso” (1).

Ed ecco che, sostenuto dalle sue Ricerche (4), nel maggio del 1846 Faraday acquista tanta “saggezza e filosofia” da inviare una lettera (5) al Philosophical Magazine in cui, riprendendo gli argomenti del primo lavoro del 1844, sviluppa a fondo le sue idee sulla costituzione della materia costruendo un caposaldo delle teoria di campo.

La lettera riprende là dove ere terminata quella del 1844 (6):


(1) E.R.E. 2148. “… These ineffectual exertions, and many others whìch were never published, could not remove my strong persuasion derived from philosophical considerations; and, therefore, I recently resumed the inquiry by experiment in a most strict and searching manner, and have at last succeeded in magnetizing and electrifying a ray of lighty and in illuminating a magnetic line of force”.

(2) E.R.E. 2225-2226.

(3) S.C. 337. “… I keep dreaming away with views of matter and its powers that I do not think it wise or philosophic to put forth because I hold them so that they may change with the evidence of experiment: but I use these views as stimulants and guides in some degree into the course of new enquiries and I have as yet had no reason to repent the course I have pursued …”.

(4) I lavori che Faraday porta avanti tra il 1844 ed il 1846  (XIX, XX, XXI serie dell’E.R.E.) si occupano: a) dell’azione dei magneti sulla luce; b) dell’azione di correnti elettriche sulla luce; c) dell’azione di magneti su vetro al piombo (rotazione del piano di polarizzazione); d) dell’azione di magneti su altre sostanze che agiscono magneticamente sulla luce; e)dell’azione di magneti su metalli in genere; f) dell’azione di magneti su metalli magnetici e loro composti; g) dell’azione di magneti su aria e gas.

(5) Philosophical Magazìne, S.3, vol. 28, n. l88, pagg. 345-350, 1846.

(6) Prima di riprendere l’argomento “etere”, Faraday aggiunge qualche elemento sul problema della conducibilità: “…That the electric transference depends on the forces or powers of the matter of the wire can hardly be doubted, when we consider the different conductibility of the various metallic and other bodies; the means of affecting it by heat or cold; the way in which conducting bodies by combination enter into the constitution of non-coriducting substances, and the contrary; and the actual existence of one elementary body, carbone both in the conducting and non-conducting state. The power of electric conduction (being a transmission of force equal in velocity to that of light) appears to be tied up in and dependent upon the properties of the matter, and is, as it were, existent in them…”.
Egli sostiene in sostanza che, dalla considerazione delle diverse conducibilità di vari corpi metallici o d’altro tipo, dalla possibilità di influenzarle con il caldo e con il freddo e che corpi conduttori entrano nella costituzione dì sostanze isolanti, non vi può essere dubbio che il trasferimento di elettricità dipende dalle forze che risiedono nella materia del filo conduttore. Ibidem, pag. 346.


si può fare a meno dell’etere se si suppone che “le vibrazioni (che rendono conto della radiazione) possano aver luogo nelle linee di forza che connettono le particelle e quindi masse dì materia vicine” (1).
Queste linee di forza, come ho già detto, hanno per Faraday una realtà fisica (2); esse rappresentano il continuo di forze che riempie il tutto: là dove c’è addensamento di linee di forza c’è materia.
Questa specie di dualità onda-corpuscolo, “materia e radiazione [esistenti] contemporaneamente “(3), di cui indubbiamente Faraday è un precursore, nasce anche dalla comparazione, che il fisico inglese fa tra la velocità della luce nello spazio e la velocità con cui l’elettricità si trasmette in un conduttore (4).
Questo modo di intendere le materia è, ovviamente, sterile per Faraday se si deve ancora ammettere l’etere come sede delle vibrazioni: ci sono le linee di forza, ebbene, siano esse le sede delle vibrazioni dei fenomeni radianti (tenendo conto che “quando ci sono … centri di forza, essi prendono parte al trasporto della forza lungo la linea, ma quando non ce n’è nessuno la linea prosegue attraverso lo spazio”) (5) potendo “agire su queste linee di forza in modo tale che esse possano essere concepite come affette da una specie di urto o vibrazione laterale” (5).
Consideriamo ad esempio due corpi A e B (elettrici o magnetici) mutuamente interagenti e quindi connessi da linee di forza, se noi spostiamo uno dei due corpi di poco, la risultante di forza, avente una direzione invariante rispetto allo spazio, si modificherà (o aumentando al diminuire di quelle vicine, o diminuendo all’aumentare di quelle vicine) con un effetto equivalente ad un disturbo laterale (5).
“Quali linee di forza, si chiede allora Faraday, ci sono in natura che vanno bene per trasportare una tale azione e per soddisfare la teoria vibratoria in luogo dell’etere?”(6). Le linee di forza gravitazionali, per la loro estensione, vanno sicuramente bene e forse vanno bene anche le linee di forza magnetiche, ma allora, ricordando che Mossotti (7) ha mostrato l’origine e la connessione comune di tutte le forze fisiche, Faraday conclude che tutte le linee di forza debbono avere quell’estensione infinita che permette la trasmissione a distanza di vibrazioni che debbono comunque essere laterali e, proprio come la luce e tutte le azioni radianti, occupare tempo. Ecco dunque un attacco all’azione istantanea a distanza che viene proprio qualche riga dopo che Faraday ha citato, per dar forza alle sue teorie, un sostenitore, appunto, dell’azione a distanza: Mossotti. Ebbene, bisogna ancora osservare che questo richiamo di Faraday a Mossotti risulta, anche per altre considerazioni, strumentale. E’ vero che Mossotti ha dimostrato essere possibile un’origine comune delle varie forze, ma è anche vero che ha fatto ciò nell’ipotesi di esistenza di atomi di dimensioni sensibili e di differenza tra materia ponderabile ed imponderabile. Inoltre la concezione di Mossotti implicava materia discontinua con molecole interagenti a distanza istantaneamente e sulla congiungente rettilinea, mentre quella dì Faraday prevedeva una materia continua di punti di Boscovich in cui le azioni si trasmettevano, appunto, per contatto, in un tempo finito e lungo linee curve (8). Infine per Mossotti la materia è immersa e riempita da uno o più eteri mentre per Faraday, in luogo dell’etere, ci “sono le forze dei centri atomici che permeano (e costituiscono ) tutti i corpi, oltre a penetrare tutto lo spazio” (9) , ed in quest’ultimo ci sono solo linee di azione che trasmettono le vibrazioni ad una velocità finita. In definitiva la materia dell’etere e la materia ordinaria sono per Faraday, e contrariamente a Mossotti, simili nella loro costituzione essenziale cioè ambedue costituite da meri centri di forza, con la differenza che la materia ha più forze associate con essa che gli conferiscono le proprietà di solidità e gravitazione. Così Faraday è portato ad affermare: “non percepisco in nessuna parte dello spazio, sia … vuoto sia pieno di materia, niente altro che forze e linee su cui esse si dispiegano” (10).
Faraday era comunque confortato dai lavori sperimentali che lo avevano portato a scrivere questo articolo (11).


(1) Ibidem, pag. 345. “…the vibrations which in a certain theory are assumed to account for radiation and radiant phaenomena may not occur in the lines of force which connect particles, and consequently masses of matter together …”.

(2) Si osservi che, per affermare questa realtà fisica, Faraday ad un certo punto (vedi E.R.E. 3250, nel giugno del 1852, sarà tentato a riaffermare l’etere di cui si era sbarazzato precedentemente nell’articolo “Sulla materia” del 1844 ed in quello “Sui raggi” del 1846 (vedi più avanti). In un successivo articolo (“Sulle linee fisiche di forza magnetica“), sempre del giugno 1852, ritornerà su questa debolezza affermando che “sperimentalmente il puro spazio è magnetico; ma allora l’idea di un tale puro spazio deve includere quella di etere” (vedi. E.R.E., vol. 3, pag. 443) “… Experimentally mere space ia magnetic; but then the idea of such mere space must include that of the aether …”.

(3) Ibidem pag. 346: “. . .Another consideration bearing conjointly on the hypothetical view both of matter and radiation …”.

(4) Quest’ultimo dato Faraday lo ricava dagli esperimenti di Wheatstone.

(5) Ibidem, pag. 348 “… when there are intervening particles of matter (being themselves only centres of force), they take part in carrying on the force through the line, but that when there are none, the line proceeds through space … we can, at all events, affect these lines of force in a manner which may be conceived as partaking of the nature of a shake or lateral vibration …”.

 (6) Ibidem, pag. 348 “… It may be asked, what lines of force are there in nature which are fitted to convey such an action and supply for thè vibrating theory the place of the aether? …”.

(7) Vedi l’articolo di Mossotti già citato.

(8) In proposito vedi anche il commento di A. de la Rive in “Supplement a la Bibliothéque Universelle de Genéve”, tomo II, nota I a pag. 228, 1846. 

(9) Philottphical Magagine, S. 3, vol. 28, n. 188, 1846, citato, pag. 349 “… it is the forces of the atomic centres which pervade (and make) all bodies, and also penetrate all space …”.

(10) Ibidem, pag. 348 “… I do not perceive in any part of space, whether (to use the common phrase) vacant or filled with matter, anything but forces and the lines in which they are exerted …”.

(11) Già citati.


Da questi lavori egli rafforzò la sua ritrosia, già manifestata nella lettera del 1844, ad accettare l’ipotesi “ad hoc” dell’etere che per ora viene soppiantato dalla maggiore “sottigliezza ed estensione” delle linee di forza e che più avanti sarà completamente accantonato, o meglio cooptato, dall ‘ammissione che “sperimentalmente il puro spazio è magnetico; ma allora l’idea di un tale puro spazio deve includere quella di etere”(1).

 Era inevitabile che queste speculazioni di Faraday suscitassero dure reazioni negli ambienti ufficiali. Quello che si imputava a Faraday era soprattutto il suo non distinguere tra materia ponderabile ed imponderabile ed il suo così manifesto attacco alla concezione newtoniana dell’azione a distanza.
Il più duro di questi attacchi venne da G. B. Airy, astronomo reale, in una lettera (2) al Philosophical Magazine in cui si muovono a Faraday varie obiezioni, alcune delle quali relative a termini non correttamente spiegati dallo stesso Faraday e la cui ambiguità lascia ampi spazi alla critica. In sostanza Airy sostiene: a) tra i vari fenomeni che Faraday intende spiegare con la sua teoria di vibrazioni laterali c’è anche quello della diffrazione per la cui spiegazione sono richiesti movimenti ondulatori progressivi in modo tale che il movimento di particelle può essere origine di movimento per altre particelle (3) estendentesi intorno ad esse attraverso un angolo solido molto grande e non attraverso una qualsiasi linea radiale: ebbene è impossibile mettere insieme una teoria di linee radiali soggette ad impulsi laterali con la spiegazione della diffrazione (cioè l’irraggiamento laterale su un grande angolo solido). 
b) La diffrazione ha luogo nell’aria e quest’ultima, per quanto sia tenue, produce rifrazione. Ora, la propagazione delle onde ha luogo attraverso l’aria fino ai suoi massimi confini e, a queste frontiera, il cammino di queste onde sarà soggetto a rifrazione. Visto che è stato abbondantemente dimostrato che ai confini della nostra aria non c’è sensibile rifrazione, da che cosa dipenderebbe quindi questo esatto aggiustamento di due differenti velocità? Esso esisterebbe necessariamente se l’etere, medesimo mezzo vibrante, occupasse tutto lo spazio, aria compresa. E’ quindi oltremodo difficile trovare una teoria di impul si laterali in modo de spiegare questa assenza di rifrazione ai confini dell’aria.           c) La questione della costituzione della materia mediante centri  di forza è analoga alle problematiche sulle Sostanze ed Accidenti e risulta una questione metafisica, estranea al campo della filosofia naturale.  

Tutto si può demandare, secondo Airy, ai centri di forze, ma non la proprietà di inerzia. E l’idea che generalmente uno si fa di sostanza è strettamente legato alla sua inerzia: fintantoché la resistenza alla forza rimane, sembra impossibile li berarsi dall’idea di sostanza. Si può certamente scavalcare questa difficoltà supponendo che anche l’inerzia sia rappresen tabile da centri di forza solo con l’ipotesi aggiuntiva che lo sviluppo della forza dipende in qualche modo dal tempo. Ma, sempre secondo Airy, ciò renderebbe i centri di forza di una complessità molto più grande di quella associata all’idea di sostanza nella teoria materiale. 
Oltre a ciò Airy osserva che ogni matematico si potrà rendere conto della necessità dell’inerzia confrontando fra loro le soluzioni delle equazioni di trasmissione del calore (in cui non è richiesta inerzia) e di trasmissione del suono (in cui è richiesta inerzia) : “il primo risultato certamente non rappresenta niente di somigliante alla legge di diminuzione dell’intensità luminosa; il secondo invece rappresenta la sua generale costanza di intensità” (4). 
d) La descrizione fatta de Faraday del, da lui supposto, etere (con nuclei quasi infinitesimi e con forza quasi infinitamente intensa) è, per Airy, quanto meno inesatta. A lui obietta che, poiché quasi infinitesimo vuol dire finito, il supposto etere in questa descrizione è precisamente della stessa categoria di tutti gli altri fluidi.

Queste, nella sostanza, le obiezioni mosse a Faraday non solo da Airy ma anche da molti altri (5). Ho, tra i diversi, citato Airy perché questa sua lettera è emblematica del come venivano accolte le idee di Faraday negli ambienti scientifici. Fino al 1840 circa, quando Faradey si era limitato a fare lo sperimentatore, in Inghilterra e nel mondo intero la sua fama era enorme. Era la fama di un grosso sperimentatore, di un “praticone”, che viveva nel suo laboratorio solo descrivendo ciò che faceva. I fisici gli rinfacciavano di essere un chimico, i chimici di essere un fisico, ambedue di non conoscere la matematica. Ma tutto ciò andava bene e la scuola inglese, potendosi vantare delle Ricerche Sperimentali di Faraday, non aveva quasi mai posto il problema. Ma Faraday ha l’impudenza di mettersi a teorizzare e questo gli scatena contro tutti, anche chi, come Airy, era stato suo amico ed aveva richiesto la sue consulenza (con varie lettere) per molti anni (6).


(1) Vedi E.R.E.: “On the Physical Lines of Magnatic Force” – Vol. III, pagg. 438-443, giugno 1852 (pag. 443), già citato.

(2) Philosophical Magazine, S. 3, n. 190, Suppl. Vol. 28, pagg. 532-537, 1846.

(3) Non si saprebbero spiegare i fenomeni della diffrazione senza ammettere, secondo la teoria ondulatoria di Huygens e Fresnel, che ogni punto di un’onda luminosa è esso stesso un centro di vibrazione che trasferisce il movimento vibratorio a tutti i punti compresi in un grande angolo solido.

(4) Ibidem, pag. 536 “… the former result certainly does not represent anything like the law of diminution of light; the latter does represent its general costancy of ìntesity … “.

(5) Vedi, su questa stessa linea, le critiche mosse a Fareday da A. de la Rive in “Supplement à la Bibliothéque Universelle de Genéve”, tomo II, pag. 230, nota 1, 1846. 

(6) Vedi S.C., vol. II, pagg. 1039 e 1040 alla voce Airy.


ALCUNE CONSIDERAZIONI SUL METODO (1) DI FARADAY 

Non credo sia possibile, né sia mai stato possibile, che un ricercatore si metta di fronte ai suoi strumenti, operi su di essi per ricavarne dei fenomeni, da cui dedurre delle conseguenze, sul piano teorico, il tutto senza alcuna idea preconcetta.
Allo stesso modo non credo, e tutto il lavoro faradyano nel suo complesso ne è una prova, che questo fosse il metodo di Faraday, anche se, quando lo stesso Faraday ci parla (qua e là nei suoi scritti) del suo modo di indagare la natura, qualche volta troviamo affermazioni che vorrebbero accreditare questo metodo di indagine insieme, però, ad altre affermazioni che lo negano completamente. 
E’ interessante, senza nessuna pretesa esaustiva, cercare di capire dove sta la contraddittorietà delle affermazioni di Faraday enucleando la linea metodologica nella quale egli si è mosso realmente. 
La prima osservazione da fare è che Faraday ha sempre dato una enfasi notevole all’esperimento, pure se strettamente correlato ad un contesto teorico. Per lui solo l’esperimento è probante ed in grado, da solo, di confermare o refutare una teoria (2). In ogni caso l’esperimento ha un valore educativo e conoscitivo di per sé e, come ho già detto, quando Faraday si troverà a rispondere ad una lettera dello studente Ward (1843) sosterrà: “Non ho alcuna esitazione a consigliarle di fare esperimenti a sostegno delle sue teorie, perché, sia che le confermino sia che le confutino, riceverà del bene dai suoi sforzi”(3).
Ma qual è il rapporto tra esperimento e teoria? Dalle cose che in un primo tempo sostiene Faraday, sembra che la teoria debba nascere come conseguenza dell’esperimento; più volte infatti egli negherà il valore delle idee preconcette, affermando di operare fuori di esse, ed altrettante volte sosterrà che egli si è mosso sulla linea di alcune sue convinzioni filosofiche. Probabilmente si riesce a sanare questa contraddizione, che sarà più chiara quando avrò citato dei brani a sostegno della mia tesi, ammettendo che Faraday intendesse per idee preconcette, o pregiudizi, quelle idee, che erano fornite dalla scienza ufficiale e che, effettivamente, non permettevano (e non permettono) mai un salto in avanti nella interpretazione e nella conoscenza della natura.
Le prima presa di posizione di Faraday sulle idee precostituite si ha nella lettera a Ward, or ora citata, in cui il fisico inglese dice allo studente che “una riflessione molto breve sul progresso della filosofia sperimentale le mostrerà che non vi è dìsturbe più grande di teorie precostituite (4). Qualche anno più tardi (1837) oltre a ribadire questo concetto, Faraday traccia anche una linea metodologica attraverso cui ai muovono o dovrebbero muoversi i filosofi naturali; essi debbono andare avanti nelle loro ricerche “zelantemente e prudentemente, combinando esperimenti con analogie, sospettosi delle proprie opinioni


(1) A proposito del “metodo in Faraday” vedi anche l’articolo di P. Williams su “Problems in the Philosophy of Science“, Lakatos, Musgrave Editors, North Holland, 1968.

(2) Vedi i primi paragrafi di ogni serie dell’E.R.E. In essi Faraday sì ripropone sempre “di sottoporre all’esperimento alcune idee” per trovarne conferma. 

(3) S.C. 170 (già citate). 

(4) S.C. 170 (già citata). Sulla stessa negazione di idee precostituite vedi E.R.E. 1642. 


preconcette, affidandosi di più ad un fatto che ad una teoria, non troppo frettolosi nel generalizzare e, soprattutto, disposti ad ogni passo a sottoporre a verifica le proprie opinioni personali, sia con il ragionamento che con 1 ‘esperimento (1). Faraday è coerente con questo modo  di procedere ma nel contempo non rinuncia, pur con tutte le riserve, ad esporre una sua idea, anche quando non è sostenuta da una convincente base sperimentale. Egli è solito far presenti i suoi timori, o all’iniziò o alla fine dei suoi lavori, in una forma spesso simile alla seguente: “infine desidero dire che ho esposto questo particolare mio punto di vista (2) con dubbio e con timore che esso non possa reggere alla prova di un esame generale, perché se non risultasse vero esso sarebbe solo di imbarazzo al progresso della scienza elettrica” (3). E’ vero allora che Faraday avverte quando una sua teoria è azzardata, ma questo lo fa soltanto per non turbare troppo le convinzioni degli scienziati ufficiali del suo tempo. Prova di ciò è che se da una parte, a proposito della costituzione della materia, egli sostiene che “probabilmente ho commesso molti errori nelle pagine precedenti, poiché anche a me stesso le idee su questo punto appaiono solo come l’ombra di una speculazione, e come una di quelle immagini lecite per un po’ di tempo come guida al pensiero ed alla ricerca” (4), dall’altra nega lo stesso valore interpretativo (5) ed euristico (6) alla teoria atomica dichiarando che “poiché essa non è accuratamente distinta dai fatti, spesso appare allo studioso, come una affermazione dei fatti stessi, benché sia al più un assunto della cui verità non possiamo dire nulla, qualunque cosa possiamo dire o pensare della sua probabilità … Ma è sempre prudente e filosofico distinguere, per quanto possiamo, fatto da teoria … e considerando la costante tendenza della mente a restare su un assunto e, quando esso risponde ad ogni scopo presente, dimenticare che è un assunto, dobbiamo ricordare che esso, in questi casi, diventa un pre giudizio ed inevitabilmente interferisce, più o meno, con un evidente giudizio (7). Ecco allora, come avevo anticipato ciò che possiamo pensare essere per Faraday pregiudizio: le convinzioni e le teorie della scienza ufficiale, la quale appunto, all’epoca, aveva nella teoria atomica, come parte integrante del meccanicismo, uno dei suoi punti fermi.


(1) E.R.E. 1161 – “… zealously yet cautiously, combining exptriment with analogy, suspicious of their preconceived notions, paying more respect to a fact than a theory, not too hasty to géneralize, and above all things, willing at every step to crossexamine their own opìnions, both by reasoning and experiment …”.

(2) Relativo, in questo caso, alla capacità induttiva specifica ed all’induzione in generale. 

(3) E.R.E. 1306 (anno: 1838) “… Finally, I beg to say that I put forth my particular view with doubt and fear, lest it should not bear the test of general examination, for unless true it will only embarrass the progress of electrical science …”.

 (4) E.R.E., vol. IlI, pag. 452 (anno: 1846). Sullo stesso tipo di dubbio vedi S.C. 337. “… I thik it likely that I have made many mistakes in thè procedìng pages, for even to myself, my ideas on this point appear only as the shadow of a apeculation, or as one of those ippressions on the mind which are allowable for a time as guides to thought and resaarch …”.

(5) In una lettera al suo amico C.E.Neef del 1846, (S.C. 337), già citata, sullo stesso argomento, Faraday sostiene: “uso queste idee come stimolo e guida nel corso di nuove indagini”.

(6) Più volte Faraday accenna al valore euristico di un’idea. Come esempio vedi le ultime righe del suo lavoro “Sulla Vibrazione dei Raggi” (E.R.E., vol.III, pag. 152) in cui Faraday afferma, tra l’altro: “Chi lavora in ricerche sperimentali sa bene come [le idee] siano numerose e come spesso la loro apparente convenienza e bellezza svanisca davanti al progresso e allo sviluppo della reale verità naturale”. (“… He who labours in experimental inquirìes knows how numerous these are, and how often their apparent fitness and beauty vanish before the progress and development of real natural truth …”).

(7) E.R.E. vol. II, pag. 285 (anno 1844) “… and is not so carefully distinguished from the facts, but that it often appears to him who stands in the position of student, as a statement of the facts themselves, though it is at best but an assumption; of the truth of which we can assert nothing whatever we may say or think of its probability … But it is always safe and philosophic to distinguish, as much as is in our power, fact from theory; … and considering the constant tendency of the mind to rest on an assumption, and, when it answers every present purpose, to forget that it is an assumption,  we ought to remember that it, in such cases, becomes a prejudice, and inevitably ìnterferes, more or less, with a clear-sighted judgement …”.


E l’attacco che Faraday muove alla teoria atomica è un attacco ad una teoria chiusa, la quale, proprio perché è stata assunta dalle scuole scientifiche più importanti, è ormai difficile da rimettere in discussione. Egli infatti non pensa neppure per un attimo a risolvere le incongruenze che derivavano dall’accettazione dell’atomismo; quest’ultimo va rigettato in blocco e sostituito con una teoria autoconsistente. E questa teoria Faraday l’aveva ed era tutta precostituita: gli proveniva dalle suggestioni schellinghiane e boscoviciane che cominciarono ad affascinarlo fin dal suo apprendistato, quando erano argomento di discussione tra il suo maestro Davy e l’amico poeta S. T. Coleridge. Con il passare degli anni Faraday acquisterà una tale autorità, per le sue riconosciute scoperte, da non preoccuparsi più di affermare, pubblicamente, le sue convinzioni filosofiche e di ammettere nel contempo che è guidato da teorie precostituite. E’ della fine del 1845 la XIX serie dell’E.R.E., in apertura della quale Faraday afferma: “fui condotto da questa convinzione [di origine comune e reciproca trasformazione delle forze] (1) a fare qualche tentativo con l’intento di scoprire il rapporto diretto che può esistere tra luce ed elettricità … ma ho ottenuto dei risultati negativi … Questi tentativi infruttuosi, e qualche altro che non ho mai pubblicato non hanno potuto indebolire in me questa ferma convinzione che deriva da considerazioni filosofiche, ed h o ripreso ancora, ultimamente, queste ricerche mediante esperien ze più circoscritte e più decisive, e sono riuscito infine a magnetizzare e ad elettrizzare un raggio di luce, e ad illuminare una linea di forza magnetica” (3). 
Dopo una breve parentesi in cui Faraday sostiene di seguire un metodo puramente sperimentale ed indipendente da qualsiasi pregiudizio (4) egli ritorna sul problema delle idee precostituite affrontandolo con maggiore ampiezza e, penso, con maggiore riferimento al suo proprio modo di procedere nell’indagine sperimentale; ” Mi sono talmente abituato ad usare [le linee di forza], specialmente nelle mie ultime ricerche, che, senza volerlo, posso ora avere un pregiudizio in loro favore e non essere più un giudice imparziale (5) … Non si deve supporre che speculazioni di questo tipo siano inutili o necessariamente dannose alla filosofia naturale, esse devono sempre essere considerate come dubbie e soggette ad errore o cambiamenti; ma sono di grandissimo aiuto nelle mani dello sperimentale e del matematico. Infatti non solo sono utili per rendere più chiara per un certo tempo una idea vaga, dando ad essa una forma più definita che possa essere sottoposta all’esperienza o al calcolo, ma possono anche portare, per via di deduzioni e di correzioni, alla scoperta di nuovi fenomeni, e causare in tal modo un aumento ed un avanzamento della reale verità fisica che, contrariamente alle ipotesi che hanno portato ad essa, diviene conoscenza fondamentale non più soggetta a cambiamento”(6).
Per definitivo riconoscimento di Faraday, quindi, le idee preconcette, sottopposte ad esperimento, lo hanno sempre guidato nel suo lavoro. E queste idee, giuste o sbagliate che fossero, lo hanno sempre condotto ad aprire nuovi campi di ricerca in cui egli trovava, molto spesso, ciò che cercava e, qualche volta, anche ciò che non cercava. Resta la considerazione che, tre le mani di un abile sperimentatore, una teoria, anche la più discutibile, può essere origine di scoperte non previste.


(1) Confronta con la filosofia di Schelling.

(2) E.R.E. 2147 (citato). 

(3) E.R.E. 2148 (citato). Sullo stesso problema dell’unità delle forze vedi anche E.R.E. 2702 (anno 1850) in cui Faraday, guidato dalle stesse considerazioni filosofiche, vuole trovare relazioni tra elettricità e gravita. Egli non riesce in quest’impresa ma porta egualmente a conoscenza dei suoi esperimenti perché “possono essere utili sia come impostazione generale del problema, sia per interessare altre menti a queste considerazioni”, (“… may be useful, both as a general statement of the problems, and as awakening the minds of others to its consideration …”).

(4) E.R.E. 3159 (anno 1851):”Essendo uno sperimentale, mi sento impegnato a lasciare che l’esperimento mi guidi in un qualunque indirizzo di pensiero che dall’esperimento possa essere giustificato; sono infatti convinto che 1’esperimento, come l’analisi, debba portare a pura verità se correttamente interpretato; e sono anche convinto che esso è per sua natura più capace di suggerire nuovi indirizzi di pensiero”. (“… As an experimentalìst, I feel bound to let experiment guide me into any train of thought which it may  juatify; being satisfied that experiment, like analysis, must lead to strict truth if rightly interpreted; and be lieving also, that it is in its nature far more suggestive of new trains of thought …”).

(5) E.R.E. 3174 (anno: 1851): “… I have been so accustomed, indeed, te employ them, and especially in my last researches, that I may, unwittingly, have become prejudiced in their favour, and ceased to be a clear-sighted judge …”.

(6) E.R.E. 3244(anno: 1852): “… It is not to be suppossed for a moment that speculations of this kind are useless, or necessarily hurtful, in matural philosophy. They should ever be held as doubtful, and liable to error and to change; but they are wonderful aids in the bands of the experimentalist and mathematician. For not only are they useful in rendering the vague idea more clear for the time, giving it something like a definite shape, that it may be submitted to experiment and calculation; but they lead on, by deduction and correction, to the discovery of new phaenomena, and so cause an increase and advance of real physical truth, which, unlike the hypothesis that led to it, becomes fundamental knowledge not subject to change …”.
Su problemi di metodo metodo vedi anche la lettera di Faraday a E. Becker (1860) in S.C. 749.


CONCLUSIONE


La digressione, or ora fatta, sul “metodo” in Faraday rende più chiara la formulazione delle sue idee sulla costituzione della materia. Il fisico inglese inizia i suoi lavori con l’accettare, solo verbalmente (nei suoi articoli), la teoria atomica.
Quando, più avanti nelle ricerche e nell’autorità che gli derivava dai suoi successi, si sbarazza dell’idea corpuscolare, meccanicista, di atomo sostituendola con l’idea boscoviciana dei centri di forza e delle atmosfere di forza, lo fa sorretto oltre che dalle sue convinzioni filosofiche (Schelling) da alcune suggestioni (più che indicazioni) sperimentali. Alla fine delle sue ricerche Faraday arriva ad affermare l’esistenza fisica delle linee di forza che, insieme ai centri di forza, costituiscono ogni realtà fisica. E nonostante che l’abitudine all’uso di queste linee di forza gli faccia dire che esse, forse, sono diventate un pregiudizio, rimane la convinzione della correttezza metodologica, convinzione che ho riportato nell’ultima citazione del paragrafo precedente.
Faraday in definitiva si sbarazza sia dell’idea di atomo corpuscolare sia dell’etere. Ma mentre per la sostituzione di quest’ultimo con le vibrazioni delle linee di forza non rimangono dubbi (a parte la polemica di Airy sulle vibrazioni laterali), per la sostituzione dell’atomo materiale con i centri di forza rimane una questione a cui Faraday non ha mai risposto: “Che cos’è un punto matematico?”.
Analogamente per il problema della differenza tra conduttori ed isolanti. La polemica di Faraday sul preteso intervento dello spazio nei problemi di conduzione ed isolamento trova in Mayo una obiezione a cui Faraday non risponde: “Lo spazio non potrebbe essere semplicemente indifferente?”. Quello che Faraday fa, in sostanza, è l’attribuire certe proprietà ad uno spazio per attaccare la teoria atomica, quindi l’assegnare quelle proprietà all’intera materia a seconda della distribuzione in essa di atmosfere di forza. Il problema della conduzione e dell’isolamento rimane perché Faraday sembra risolvere la domanda “Quando un corpo è conduttore?” con la risposta “Quando conduce”.
Quelle che ho citato sono due grosse incongruenze che si presentano a chi legga l’opera di Faraday con qualche attenzione. Evidentemente di questi momenti in cui il fisico inglese o non è chiaro o sorvola sulle obiezioni che gli vengono mosse ve ne sono molti nella sua opera; mi sono soffermato su quelli che più interessavano la tesi che ho annunciato nell’introduzione, elencandone poi vari altri. Nonostante ciò Faraday porta avanti il suo programma con coerenza e determinazione fino alla fine della sua attività di ricerca. Il problema della forza alla base di ogni realtà fisica sarà sempre da lui tenuto presente ed investigato. Ormai gli atomi materiali per lui non esistono più, è inutile ritornarvi sopra.
Por quanto riguarda poi il problema della conduzione e dell’isolamento esso è rimasto da parte non per cattiva volontà ma forse perché era un problema che non poteva essere risolto se non in termini di “Sostanze ed Accidenti”. Non si deve comunque giudicare una teoria in base al suo successo od alla sua attualità. Ogni teoria o speculazione, anche se nasce da pregiudizio, non è, secondo Faraday, necessariamente dannosa:essa deve essere sempre considerata con cautela e, dinamicamente, come soggetta ad essere aggiustata o addirittura sostituita. La rappresentazione modellistica della teoria è servita a Faraday per rendergli più chiara la teoria stessa e per poterla sottoporre all’esperienza. Ma per costituire una qualunque teorie è determinante il contesto teorico e quel tanto di pregiudizio che ha guidato Faraday nei suoi lavori è stato poi fecondo per gli sviluppi e per la notevole quantità di dibattiti che ha generato. 

A parte la disgressione sul metodo dell’ultimo paragrafo, quello che ho fin qui riportato è il dibattito che, intorno alla metà del XIX secolo, si aveva sulle questioni particellari e di campo. Al di là degli sforzi per ricondurre i fenomeni osservati ad una formulazione meccanicista, emergeva evidente una insufficienza della fisica newtoniana.
La resistenza al superamento delle vecchie concezioni si rafforzava anche perché i nuovi fatti sperimentali e le nuove concezioni non avevano trovato una rappresentazione modellistica chiara per 1’interpretazione della realtà fisica che fornisse loro quella “dignità scientifica” che le stesse vecchie concezioni avevano. La teoria dell’azione a distanza aveva avuto i suoi grandi sistematori soprattutto nella scuola continentale ed in particolare in quella francese. Occorreva fare la stessa cosa con la teoria dell’azione a contatto. La teoria del continuo aveva bisogno dei suoi Euler, D’Alembert, Lagrange, Ampère e Laplace. Faraday non era certamente adatto allo scopo: occorrerà l’opera di Maxwell. 

Roberto Renzetti

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