Quanti anni compie quest’anno l’elettrone? Se la domanda può suonare un po’ strana visto che si parla di una particella subatomica, la risposta, se possibile, lo è ancora di più. Infatti, se ci si riferisce alla scoperta sperimentale del 1897, condotta dall’inglese John Joseph Thomson, in questi giorni l’elettrone compie 115 anni; se invece vogliamo celebrare l’anniversario della teoria dell’elettrone, pubblicata nel 1892 dal grande Hendrik Antoon Lorentz, le candeline da spegnere diventano 120.
Come ha brillantemente scritto nel numero di giugno di Scientific American il premio Nobel Franck Wilczek, «si potrebbe dire che l’elettrone sia stato concepito nel 1892 e partorito nel 1897». L'elettrone è stata soltanto la prima particella di una lunga serie ad aver avuto una gestazione tutt’altro che scontata. Per citare alcuni tra gli esempi più noti basti pensare al positrone, saltato fuori dai calcoli di Paul Diràc nel 1930 e scoperto da Carl Anderson nel 1932, oppure al neutrino, postulato da Wolfgang Pauli anch’esso nel 1930 e rivelato da Cowan e Reines soltanto nel 1956. Per non parlare, poi, del famigerato bosone di Higgs, teorizzato nel 1964 dal fisico scozzese Peter Higgs, al quale i fisici di mezzo mondo stanno dando ancora la caccia.
L'elettrone di Thomson
A differenza di quanto accadde (o accadrà) per questi illustri successori, il «concepimento» e la «nascita» dell’elettrone ebbero conseguenze molto diverse per la storia della fisica. Quando il 30 aprile 1897 Thomson annunciò alla Royal Institution la scoperta dell’elettrone, la comunità scientifica vide incrinarsi una delle certezze sulle quali si era fondata la scienza dell’ottocento: l’indivisibilità dell’atomo. Lo scienziato inglese aveva condotto degli esperimenti sui raggi catodici generati all’interno dei tubi di Crookes, dei cilindri di vetro posti sottovuoto dove la corrente elettrica circolava generando fasci di luce visibile. Applicando dei campi magnetici, aveva deviato i raggi e dedotto la natura delle particelle: si trattava di corpuscoli circa 2 mila volte più leggeri dell’atomo di idrogeno e caratterizzati da una carica elettrica negativa. Oggi sappiamo che i raggi catodici sono elettroni, ma all’epoca l’esistenza di un’entità più piccola dell’atomo era un vero paradosso.
John Joseph Thomson (Immagine: Wikimedia Commons)
L'elettrone di Lorentz
Potrà forse sembrare strano, ma la portata rivoluzionaria della scoperta di Thomson ha poco a che vedere con la teoria dell’elettrone sviluppata da Lorentz appena cinque anni prima. «Il successo di Lorentz», scrive Wilczek, «è stato quello di purificare il messaggio delle equazioni di Maxwell, separando il segnale dal rumore». Il segnale: quattro equazioni che governano il modo in cui i campi elettrici e magnetici rispondono alla carica elettrica e al suo moto, più un’equazione che specifica la forza che questi campi esercitano sulla carica. Tutto il resto che era contenuto negli scritti di Maxwell era rumore, quasi un «pasticcio» secondo Wilczek. A questo punto, definite le equazioni, sarebbe stato possibile usarle per costruire una descrizione della materia partendo da una carica elettrica elementare? Questa era la sfida della teoria dell’elettrone di Lorentz. A partire dalla quale il fisico olandese e coloro che lo seguirono spiegarono la conduzione dell’elettricità e del calore, il comportamento dei dielettrici, la riflessione e la rifrazione della luce e molto altro ancora.
Einstein e Lorentz a Leiden nel 1921 (Immagine: Wikimedia Commons)
Tante candeline comunque
A dieci anni di distanza dalla formulazione della teoria dell’elettrone, nel 1902, Lorentz riceverà insieme a Pieter Zeeman il premio Nobel “per le loro ricerche sull’influenza del magnetismo sui fenomeni radioattivi”. Qualche anno dopo, nel 1906, anche J.J. Thomson riceverà il premio Nobel “per le sue indagini teoriche e sperimentali sulla conduzione di energia elettrica dei gas”, cioè per la scoperta dell’elettrone. E allora, forse, le candeline da spegnere quest’anno sono solo 115, anche perché come sostiene il premio Nobel Franck Wilczek, «l’elettrone di Lorentz non era semplicemente una particella elementare ipotizzata, ma il fulcro di un’ambiziosa teoria della natura fondata su un semplice ed elegante insieme di equazioni».