Este dificil să ne imaginăm viaţa fără telefoane mobile, radio şi televiziune. Descoperirea undelor electromagnetice care fac posibilă parte din tehnologia modernă a avut la bază o teorie abstractă care a împlinit anul acesta 150 de ani. Cunoştinţele noastre privind existenţa acestor unde reprezintă un rezultat direct al teoriei electromagnetismului propusă de James Clerk Maxwell în ianuarie 1865.

 




Electromagnetismul a fost descoperit mai întâi în forma sa fizică, apoi şi teoretic. În jurul anului 1820 fizicianul danez Hans Oersted a observat că atunci când se aplică un curent electric, un magnet aflat în apropiere, cum ar fi acul unei busole, se mişcă, ca şi cum curentul electric ar fi, în sine, un magnet.



Apoi, în 1831, în anul în care Maxwell se năştea în Edinburgh, fizicianul şi chimistul englez Michael Faraday descoperea că dacă mişti un magnet prin interiorul unei înfăşurări de fire se creează un curent electric în fire, fără ajutorul unei baterii ori al altei surse de electricitate.


O statuie a lui James Maxwell din Edinburgh, Scoţia


Faraday a fost atât de surprins de această abilitate de a crea electricitate prin mişcarea magneţilor, încât a creat un mic prototip al unui generator electric. El, de asemenea, a creat un prototip al unui motor electric, dar vor fi necesare zeci de ani pentru ca inginerii să poată crea motoare şi generatoare funcţionale.

Cu toate acestea, tehnologii rudimentare au început să fie create aproape imediat după descoperirea fenomenului electromagnetismului. O realizare remarcabilă a fost telegraful - primul sistem global de telecomunicaţii de mare viteză.


Cum funcţionează electromagnetismul?


Fără o înţelegere teoretică adecvată a electromagnetismului era dificil să fie rezolvate probleme tehnice ca supraîncălzirea firelor de telegraf ori distorsiunea semnalului pe distanţe lungi.

Nu că teoria nu a progresat: fizicienii au stabilit aspecte cheie ale comportamentului sarcinilor electrice şi ale curentului. Începuseră să cuantifice complexele interacţiuni magnetice şi electrice presupuse de electromagnetism.

Dar niciunul nu a putut crea o teorie solidă care să combine toate legile electricităţii şi ale magnetismului într-o abordare unitară. O asemenea teorie urma nu doar să realizeze un sumar al rezultatelor experimentelor realizate, ci şi să spună cum electricitatea şi magnetismul funcţionau împreună pentru a produce electromagnetismul.

Unul dintre obstacolele majore era reprezentat de faptul că nimeni nu ştia cum forţele electrice şi forţele magnetice se transmiteau prin spaţiu.

Majoritatea fizicienilor presupunea că aceste forţe acţionau instantaneu: dacă ţii un magnet lângă un cui de fier, pare că magnetul atrage cuiul instantaneu. Nu vezi/auzi/simţi nimic în spaţiul dintre magnet şi cui; aşa că părea că forţa magnetică acţionează la distanţă.

Prin urmarea, părea că forţa magnetică "sare" de la magnet la cui în mod direct, exact cum părea că gravitaţia se deplasează în adâncimea spaţiului, de la Soare la Pământ.

Succesul matematicii gravitaţionale a lui Newton părea să sprijine o asemenea abordare. De exemplu, pentru a arăta că gravitaţia generează mişcarea planetară, suficient a fost doar ca legile matematice newtoniene să deducă forma orbitelor planetare şi să se realizeze comparaţia dintre orbitele observate de astronomi cu cele deduse pe baza calculului matematic.

Nu era necesar să se ştie cum ajunge gravitaţia de la Soare la planete ori de la Pământ la un corp aflat în cădere, pentru că nu există nici o necesitate matematică pentru a şti ce se întâmplă în spaţiul dintre două corpuri care interacţionează.

Mulţi dintre discipolii lui Newton credeau că forţa gravitaţională nu se propaga prin spaţiu şi timp, ci pur şi simplu "sărea" de la Soare la o planetă, de la obiect la obiect.

Solidele conexiuni matematice dintre gravitaţie, electricitate şi magnetism au întărit ideea acţiunii la distanţă a electromagnetismului.

Faraday nu era însă convins. El era autodidact şi nu înţelegea matematicile complicate utilizate de către fizicienii importanţi ai zilei pentru a descrie electricitatea şi magnetismul şi acţiunea la distanţă.

Dar Faraday a avut o abordare mai practică a subiectului, fiind de părere că trebuie să existe un fel de câmp care umple spaţiul din jurul obiectelor electrice şi magnetice, câmp care asistă propagarea forţelor.


Un pic de analiză matematică


Maxwell a fost de acord în mod intuitiv cu Faraday şi a încercat să identifice limbajul matematic potrivit pentru as acoperi conceptul de câmp. Analiza matematică (în special integrale ale liniilor şi spaţiilor şi integrale de volum ale spaţiilor finite) a reprezentat principalul instrument utilizat de teoreticienii acţiunii la distanţă.

Dar Maxwell a ales calculul diferenţial pentru a descrie ce se întâmplă în fiecare punct al spaţiului dintre obiectele care interacţionează.

Un motiv pentru care el a crezut că lucrurile au loc în acest spaţiu l-a constituit exemplul lui Faraday privind distribuţia piliturii de fier pe o bucată de hârtie plasată deasupra unui magnet. Pilitura se va aranja după un model specific, în funcţie de plasarea magnetului.


Pilitura de fier arată câmpul magnetic al magnetului situat sub coala de hârtie


Ideea lui Faraday era că forţa magnetului afecta hârtia - şi, de aceea, spaţiul din jurul magnetului - chiar şi când pilitura nu era încă aşezată în apropierea magnetului. Cu alte cuvinte, magnetul crea un "câmp de forţă", iar acest acest câmp făcea posibilă afectarea piliturii de fier de către magnet.

 

 

Enigma luminii

Exista şi o altă controversă în acele vremuri - privind natura luminii. Era cunoscut că lumina traversa spaţiul cu o viteză finită; aşadar, nu "sărea" instantaneu de la sursă la ochii noştri.

Dar nimeni nu ştia acum 150 de ani natura luminii, din ce este aceasta creată.

Majoritatea fizicienilor era de acord că lumina traversa spaţiul ca o undă, dar nu ştiau din ce sunt create aceste unde şi cum călătoreau ele dintr-un loc în altul. Maxwell era pe care să rezolve aceste enigme.

Prin diferenţierea acestor ecuaţii diferenţiale parţiale, el a obţinut ecuaţii matematice ale undelor, iar aceste ecuaţii sugerau că unde fizice acţionau pretudindeni în spaţiu, nu doar în puncte anume.

Cu alte cuvinte, Maxwell deducea matematic faptul că semnalele electromagnetice nu erau transmise instantaneu, ci prin intermediul spaţiului, sub formă de unde. Dar nu doar ca unde prin fire, ci şi ca unde care călătoreau prin aer.

Dar mai era ceva: aceste unde electromagnetice matematice călătoreau prin aer cu viteza luminii, deşi calculele lui Maxwell erau bazate exclusiv pe fenomene electromagnetice. Acest fapt i-a generat următoarele gânduri: "pare că avem argumente puternice să concluzionăm că lumină însăşi (incluzând căldura radiantă şi alte forme de radiaţie) reprezintă o "perturbare" electromagnetică sub forma undelor propagate prin câmpul electromagnetic, în acord cu legile electromagnetismului".

Aşadar, printr-o intuiţie extraordinară, Maxwell a unificat nu doar electricitatea şi magnetismul, ci şi lumina, căldura şi "alte forme de radiaţi".


Multiplele culori ale luminii vizibile sunt parte din spectrul electromagnetic


În 1888, la circa 25 de ani după ce teoria lui Maxwell a fost publicată, fizicianul german Heinrich Hertz a reuşit să genereze unde electromagnetice wireless în laborator (fiind primul om care a realizat acest lucru), verificând astfel predicţia lui Maxwell.

Au fost necesare alte două decade pentru apariţia radioului, aşa cum îl ştim noi, dar undele radio ale lui Hertz au confirmat existenţa "altor forme de radiaţie". Aceste radiaţii, incluzând undele ultraviolete, microundele şi undele radio, au lungimi de undă diferite de lumina vizibilă ori undele infraroşii - singurele forme de radiaţie electromagnetică pe care le vedem/simţim în mod direct.


Spectrul electromagnetic


Astăzi electromagnetismul stă la baza modului de viaţă modern şi ne-a permit crearea unor dispozitive extraordinare, cu care ne-am obişnuit rapid. Ne-a permis să luminăm nopţile şi să comunicăm (aproape) instantaneu oriunde pe glob, prin intermediul telefonului mobil ori fix, al radioului ori al televiziunii.

Electromagnetismul ne permite să "vedem" în interiorul corpului nostru prin intermediul razelor X şi al dispozitivelor cu rezonanţă magnetică. Ne permite să observăm Universul cu ajutorul telescoapelor, şi nu doar în spectrul luminii vizibile. Wi-fi-ul este o invenţie (australiană) care are la bază cercetarea în domeniul astronomiei în zona undelor radio.

Cunoştinţele privind natura electromagnetică a luminii au fost îmbogăţite în anul 1905, când Albert Einstein a descoperit că lumina are o natură duală: cuantă şi undă.

ONU, în semn de recunoaştere a importanţei pentru omenire a dezvoltării teoriei electromagnetismului, a declarat anul 2015 Anul internaţional al luminii şi al tehnologiei bazate pe lumină.

Dar acum 150 de ani Maxwell era totalmente revoluţionar în acest domeniu, atât din punct de vedere al conţinutului ideilor, cât şi al stilului. Einstein a acordat o atenţie sporită electromagnetismului, care l-a inspirat în crearea teoriei relativităţii. Astăzi ideea câmpurilor gravitaţionale şi a câmpurilor electromagnetice reprezintă capitole fundamentale ale fizicii.

Nicio mirare că Einstein a afirmat: "Cu James Maxwell s-a încheiat o eră ştiinţifică şi o alta nouă a început".

Citiţi şi articolul nostru dedicat Spectrului electromagnetic.

Traducere şi adaptare după: Celebrating the theory of electromagnetism