Di Cosa È Formata l'Elettricità Secondo la Meccanica Quantistica?

Il video smonta l'idea comune che l'elettricità sia un fluido che scorre nei cavi come l'acqua nei tubi. Partendo dalla Grecia antica, racconta che Talete di Mileto, intorno al 600 a.C., notò che l'ambra strofinata attirava paglie e piume: da «elektron» deriva l'intero vocabolario elettrico. Nel Settecento Benjamin Franklin propose le cariche positive e negative e la loro conservazione; nel 1785 Coulomb formulò la legge delle forze elettriche. Nel 1897 J.J. Thomson scoprì l'elettrone nel laboratorio Cavendish di Cambridge, e Robert Millikan dimostrò tra il 1909 e il 1913 che la carica è quantizzata in multipli di 1,6×10⁻¹⁹ coulomb. Nei metalli come il rame gli elettroni liberi si muovono caoticamente, ma la loro deriva sotto un campo elettrico è lentissima: circa 0,07 mm al secondo, quasi 200 volte più lenta di una lumaca. Eppure la luce si accende all'istante, perché l'energia non viaggia dentro il filo: scorre nel campo elettromagnetico circostante, come mostrarono Ørsted, Ampère, Faraday con l'induzione del 1831, Maxwell con l'equazione che identifica la luce con un'onda elettromagnetica, Hertz e il vettore di Poynting. Alla scala atomica serve la meccanica quantistica: funzioni d'onda, orbitali, principio di esclusione di Pauli, bande di energia e banda proibita spiegano perché metalli, isolanti (diamante, 5,5 eV) e semiconduttori (silicio, 1,1 eV) conducono diversamente, con doping, lacune, fononi e scattering, fino alla superconduttività scoperta da Kamerlingh Onnes nel 1911 e spiegata dalla teoria BCS con le coppie di Cooper; le ceramiche ad alta temperatura di Bednorz e Müller restano un mistero aperto. Il capitolo finale è l'elettrodinamica quantistica (QED) di Feynman, Schwinger e Tomonaga: fotoni virtuali che mediano le forze, il fattore g dell'elettrone verificato con precisione straordinaria, le fluttuazioni del vuoto (Lamb, Casimir) e la costante di struttura fine, 1/137, ancora inspiegata. Conclusione: l'elettricità non è una sostanza ma un processo quantistico tra cariche e campo elettromagnetico, e noi stessi, con i nostri impulsi nervosi, siamo fenomeni elettrici. Il racconto parte davvero dall'ambra: già ai tempi di Talete i Greci sapevano che strofinata attirava capelli e oggetti leggeri, e che uno strofinio ripetuto poteva persino produrre scintille (it.wikipedia.org/wiki/Storia_dell%27elettricit%C3%A0). Prima di Franklin, fu Charles-François du Fay a distinguere nel Settecento due tipi di elettricità, che definì vetrosa e resinosa: fu poi Franklin a rinominarle positiva e negativa. Fu Stephen Gray a scoprire che i materiali si dividono in conduttori e isolanti, osservando che una bacchetta di metallo strofinata non attira la carta perché le cariche sfuggono attraverso la mano (museogalileo.it). Curiosamente fu Priestley, nel 1766, a intuire per primo la legge dell'inverso del quadrato, che Coulomb dimostrò sperimentalmente con la bilancia di torsione tra il 1785 e il 1791. Sull'esperimento della goccia d'olio vale la pena aggiungere che Millikan ci lavorò per circa quattro anni, ripetendo le misurazioni moltissime volte prima di concludere che la carica assume solo valori interi multipli di quella fondamentale, e che il suo risultato fu una conferma decisiva per i fisici di inizio Novecento, perché dimostrò che la strada della meccanica quantistica era quella giusta (sapere.virgilio.it/scuola/superiori/fisica/fisica-quantistica/esperimento-millikan-quantizzazione-carica). Un ultimo dettaglio: la carica elettrica è una grandezza conservata, non può essere creata né distrutta in nessun processo fisico noto, dalla fisica classica alla relatività fino alla meccanica quantistica (it.wikibooks.org/wiki/Fisica_classica/Carica_elettrica).