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GUGLIELMO MARCONI

ROMEO BASSOLI
Giornalista scientifico

RICERCATORE ATIPICO CON IL SENSO DELLA CONCRETEZZA

Certo, Guglielmo Marconi è stato uno scienziato particolare. Fu uno dei primi a badare, parallelamente al lato scientifico della sua ricerca, anche a quello commerciale e, in particolare, brevettuale. Niente da invidiare a Craig Venter e alla sua Celera di oggi. Ma fu anche uno degli ultimi cavalieri solitari della scienza, un ricercatore che viveva in un mondo dove si potevano realizzare scoperte straordinarie anche fuori dalle strutture accademiche e di ricerca ufficiali. Precedette una svolta nella storia della scienza, ma fu anche, in qualche misura, una figura in via di estinzione.

Si distinse soprattutto per il primo aspetto. Tant'è che Marconi, una volta messo a punto il nucleo operativo delle sue strumentazioni per la comunicazioni a distanza senza fili, andò in Inghilterra per depositarne il brevetto. E sempre nel Regno Unito lavorò per migliorare quel primo risultato, per aumentare la distanza di ricezione dei segnali inviati e per eliminare i problemi di interferenza. Ma non lo fece all'interno di un laboratorio di ricerca di una Università, bensì alla Marconi's Wireless Telegraph Co., la società costituita nel 1897, con un capitale iniziale di 100 mila sterline, per sfruttare il brevetto di Marconi in tutto il mondo tranne che in Italia (infatti il fisico offrì all'Italia l'uso gratuito dei suoi brevetti).

Una figura dunque molto diversa dalle altre che popolavano il panorama della fisica italiana e internazionale e forse proprio per questo Marconi fu spesso criticato, tanto che furono messe in dubbio l'originalità dei sistemi tecnici utilizzati e soprattutto le sue capacità di scienziato.

Lui, del resto, non si comportava da fisico nel senso classico del termine: non aveva compiuto l'iter di studi canonico, affrontando liceo e università. Nato in una famiglia agiata, infatti, fin dall'epoca del liceo aveva usufruito di un precettore privato. Un professore di fisica, Vincenzo Rosa, con il pallino per l'elettricità, che ebbe il merito di introdurre il giovane Guglielmo alla materia. Non era affatto insolito, all'epoca, per un giovanotto della sua estrazione sociale avere un insegnante privato, in grado di prepararlo ad affrontare l'esame di maturità da privatista. Ma quel diploma Marconi non lo prese mai.

Forse fu lo stesso Rosa, probabilmente, che gli trasmise l'amore per il mondo ancora in gran parte inesplorato dell'elettricità. Così, il giovane passava dalle lezioni di Rosa ai primi esperimenti pratici.

Aveva appena vent'anni quando iniziò a seguire le lezioni universitarie del fisico Augusto Righi all'Università di Bologna in qualità di uditore, e negli stessi locali universitari si deve ovviamente presumere che avesse la possibilità di consultare tutti gli articoli scientifici che descrivevano gli avanzamenti della ricerca nel campo delle onde elettromagnetiche.

Forse fu proprio questa vicenda scolastica, non proprio da manuale, che lasciò a Marconi la possibilità di sviluppare la sua creatività. Infatti quando alla fine degli '90 iniziò i suoi primi esperimenti, si trovava nella singolare ma invidiabile condizione di essere libero da quei condizionamenti teorico-accademici che stavano portando la ricerca verso la descrizione della luce come un'onda elettromagnetica. Non vi era, invece, dominante l'idea di tentare di sfruttare le onde elettromagnetiche descritte dalle eleganti equazioni di Maxwell, come mezzo per comunicazioni a lunga distanza.

Facciamo allora un passo indietro nel tempo e vediamo cosa si muoveva nel mondo della fisica negli anni dell'infanzia e della giovinezza di Marconi.


Il congresso di fisica nucleare di Roma del 1931 

UN PERIODO DI FISICA DELLE ONDE

Dopo i geniali esperimenti di Michael Faraday, era stato James Maxwell a porre le basi di una rivoluzionaria interpretazione dei fenomeni elettromagnetici. Nel Treatise on electricity and magnetism del 1873, era riuscito a condensare, dal punto di vista teorico, in quattro equazioni tutta la descrizione dei fenomeni dell'elettromagnetismo classico.

Nell'elegante formalismo matematico, che legava simmetricamente grandezze elettriche e magnetiche, erano contenute tutte quelle applicazioni che nel periodo successivo avrebbero portato all'avvento delle telecomunicazioni. Senza contare che, fisicamente, contenevano il germe di quell'assorbimento all'interno della stessa cornice teorica dei fenomeni elettromagnetici e ottici: la luce visibile diventava quindi un'onda elettromagnetica.

Secondo quanto stabilito nelle equazioni di Maxwell era possibile trasmettere nello spazio onde elettromagnetiche che, al contrario di quanto allora si credeva, dovevano propagarsi con velocità finita pari alla velocità della luce nel vuoto. La luce doveva cioè avere natura elettromagnetica. Questo significava che l'ottica, nel visibile, diventava solo un caso particolare dei fenomeni elettromagnetici.

La nuova teoria aveva avuto l'effetto di produrre un'intensa fase di indagini sperimentali. Infatti, nonostante Maxwell avesse formulato per via matematica l'esistenza delle onde elettromagnetiche, non c'erano prove sperimentali dell'esistenza di queste onde, né tanto meno indicazioni di come potessero essere prodotte e rilevate.

Fu di Heinrich Rudolph Hertz il merito della realizzazione, nel 1886, del primo dispositivo per testare la teoria di Maxwell. Lo strumento di cui si serviva per i suoi esperimenti era rappresentato sostanzialmente da un rocchetto di Ruhmkorff e da una sorta di generatore di potenza ad alta tensione.

Il rocchetto era formato da un circuito primario e uno secondario, connesso a uno spinterogeno, il tutto avvolto ad elica attorno ad un unico nucleo di ferro: quando la corrente nel primario si interrompeva, nel secondario si registrava una tensione che provocava una serie di scintille ad alta frequenza.

Le scintille che si istauravano fra gli elettrodi dello spinterogeno portavano alla propagazione nello spazio di onde elettromagnetiche: questo circuito rappresentava dunque un sistema capace di irradiare impulsi elettromagnetici, in modo del tutto simile a quello che può fare un'antenna. Per captare poi il segnale a distanza Hertz si serviva di un anello di un metallo conduttore i cui estremi funzionavano da spinterometro. Questo, che oggi ci appare una rozza apparecchiatura, fu per Hertz lo strumento fondamentale per dimostrare che le onde elettromagnetiche possono essere focalizzate da opportuni specchi metallici, si rifrangono, interferiscono e mostrano polarizzazione.

Dopo di lui anche altri, fra cui Augusto Righi, all'Università di Bologna, esplorarono le caratteristiche dei fenomeni descritti da Maxwell, tentando di dimostrare l'analogia fra luce, elettricità e magnetismo. Righi, nei suoi laboratori, modificherà l'oscillatore di Hertz andando in una nuova direzione: lavorare con onde più corte di quelle decimetriche di Hertz, per ridurre così la distanza massima a cui si rilevava il segnale. Infatti, contava di riuscire a ottimizzare tutta la sua apparecchiatura per farla entrare nel laboratorio dove poteva studiare senza interferenze le analogie fra luce ed elettromagnetismo. Quello di Righi era un strumento di piccole dimensioni, fondamentale anche per gli scopi didattici che perseguiva. E furono davvero lezioni memorabili, a cui lo stesso Marconi assistette più volte pur non essendo iscritto all'università.

MARCONI, FISICO SPERIMENTATORE

Né Hertz, né tantomeno Righi si erano però mai posti il problema di usare queste onde per la trasmissione a lunga distanza, concentrandosi piuttosto sull'analogia fra luce e fenomeni elettromagnetici. In questo modo però i primi studi stavano andando nella direzione opposta rispetto alle grandi potenzialità offerte dalle equazioni di Maxwell: si studiava il comportamento ottico delle onde elettromagnetiche anziché la natura elettromagnetica della luce.

Infatti, probabilmente qualunque fisico di allora avrebbe subito capito che per comunicazioni a distanza non era il caso di sfruttare radiazioni a lunghezza d'onda decimetrica, come quelle usate da Hertz. Queste onde infatti viaggiano in linea retta e non aggirano gli ostacoli. Purtroppo, quindi, qualunque cosa si frapponga al loro cammino, compresa la curvatura della Terra, blocca la loro propagazione.

Bisognava dunque evitare le onde hertziane e concentrarsi sulle onde lunghe. Ma in quegli anni poco o nulla si sapeva della propagazione delle onde elettromagnetiche alle varie frequenze, ragion per cui la sperimentazione era una conditio sine qua non per l'avanzamento della conoscenza. In un certo senso ci si muoveva a tentoni come chi cammina in un largo vano buio senza sapere bene come trovare la via di uscita.

E fu proprio una ricerca fisica fatta di tentativi, errori e piccoli passi avanti, la costante di tutto il lavoro di Marconi. Nell'esecuzione degli esperimenti la teoria non poteva fare da guida, perché forniva prescrizioni molto generali sul comportamento fisico dei campi elettromagnetici, e la parte di laboratorio che riguardava la propagazione degli impulsi elettromagnetici era terreno inesplorato.

Da questo punto di vista, Marconi mostrò subito le sue indubbie capacità di sperimentatore, capace di assemblare pezzi diversi, di modificarli, cambiarli e sostituirli per raggiungere il risultato. E nonostante, forse, nei primi tentativi non manipolasse in modo ottimale la teoria alla base, aveva sicuramente un'estrema padronanza dei fenomeni che stava sperimentando. In questo era, e forse si sentiva, simile a Faraday. Così in un certo senso, Marconi anticipò quella figura chiave di ingegnere-tecnologo-fisico, fondamentale per i futuri avanzamenti delle conoscenze informatiche.

Ma il grandissimo merito di Marconi fu soprattutto quello di porre il problema in modo diverso rispetto ai suoi colleghi più famosi. Se si fosse trovato il modo di potenziare l'emissione delle onde elettromagnetiche e si fosse messo a punto un sistema affidabile per riceverle e renderle chiaramente percepibili, allora queste onde avrebbero potuto costituire un mezzo per inviare segnali a distanza senza ricorrere ai fili della telegrafia tradizionale. Un obiettivo che come abbiamo visto non faceva invece parte del lavoro dei grandi fisici accademici dell'epoca.

I primi esperimenti di Marconi iniziarono quindi nella tenuta di famiglia di Pontecchio, nelle vicinanze di Bologna, nel 1894, con l'obiettivo preciso di produrre lunghezze d'onda sempre maggiori. Il cuore dell'attrezzatura iniziale consisteva della variante dell'oscillatore di Hertz proposta da Righi, costituito da due sfere di rame immerse parzialmente in olio di vasellina e collegate all'avvolgimento secondario di un rocchetto di induzione il cui circuito primario comprendeva una batteria ed un interruttore. Quando l'interruttore era premuto il circuito si chiudeva, scoccava una scintilla fra le due sfere e si producevano così onde elettromagnetiche. Queste onde venivano rilevate utilizzando come ricevitore un tubo a limatura metallica, collegato a un galvanometro che fungeva da indicatore.

Questo tubo, noto anche come "coesore" era il cuore vero e proprio dell'esperimento di Marconi. Introdotto dieci anni prima dal fisico Temistocle Calzecchi-Onesti, questo dispositivo si basa sulla capacità delle polveri metalliche di divenire buoni conduttori quando sono attraversate da onde elettromagnetiche. Aveva dunque la forma di un piccolo tubo provvisto di due elettrodi e inserito all'interno di un circuito elettrico: questo lasciava circolare nel circuito la corrente elettrica nel momento in cui si trovava in prossimità di una scintilla, proprio come quella che scoccava tra le due sfere dell'oscillatore di Hertz. A questo punto bastava collegarlo a una stampante morse o ad una cuffia telefonica per osservare che le prestazioni di questo sistema erano superiori rispetto a quelle dell'apparecchio messo a punto da Hertz.

Si trattava dunque di affinare il sistema e aumentare la sensibilità e la potenza per percorrere grandi distanze. Così Marconi iniziò a lavorare sul coesore, cambiando la composizione della polvere, fino alla scelta di una miscela di nichel e argento. Non meno importanti furono gli studi per limitare dispersioni inutili e dannose di elettricità all'interno dei circuiti.

Per completare il sistema di trasmissione-ricezione, Marconi poi dispose oscillatore e riflettore nel fuoco di due riflettori parabolici cilindrici, in modo che il fascio di onde inviate dal trasmettitore venissero raccolte da una analoga parabola del ricevitore.

Però questo sistema non permetteva di inviare segnali a distanze superiori di 150-200 metri. Ci voleva uno scatto di qualità. Così nell'estate del 1895 si concentrò su altri esperimenti che portarono poi all'introduzione dell'antenna. In quel periodo, infatti, si accorse che si poteva aumentare la distanza della trasmissione, aumentando le dimensioni delle capacità collegate alle sfere dell'oscillatore e di quelle delle due estremità del coesore. Inoltre, aumentando la distanza delle capacità, sia nel ricevitore che nel trasmettitore, le distanze di trasmissione crescevano ulteriormente.

Due constatazioni, queste, che si rivelarono fondamentali, e costituirono il cuore stesso del famoso "esperimento della collina", in cui Marconi riuscì a trasmettere segnali a oltre due chilometri di distanza, superando l'ostacolo naturale di un colle. Lo scienziato bolognese pose a terra una lastra di metallo collegata a un terminale dell'oscillatore e sollevò su un palo un cubo di ferro collegato all'altro terminale. Poi dispose i terminali del coesore nello stesso modo: questa tecnica, che più tardi chiamò il sistema "a terra", moltiplicava la portata delle trasmissioni.

Così, l'esperimento della collina consacrò nell'autunno del 1895 la nascita delle trasmissioni senza fili. 

Alcuni volumi della biblioteca
della Fondazione Guglielmo Marconi

 

SENZA CONFINI

N. 12039: "perfezionamenti nella trasmissione degli impulsi e degli apparecchi relativi".

Era il 2 luglio 1897 e a questo numero fu affidato il primo brevetto di Marconi, il fisico che aveva scelto di tutelare i diritti d'autore della sua scoperta. Un fisico italiano che per questo aveva preferito l'Inghilterra, una terra dove le attività commerciali e industriali erano molto sviluppate e dove sarebbe stato più semplice ottenere i mezzi finanziari per perfezionare e lanciare la sua scoperta. E poco dopo, infatti, partì la compagnia Wireless Telegraph and Signal Co. Ltd., che dal 1900 prese il nome di Marconi's Wireless Telegraph. Le trasmissioni senza fili erano dunque anche un'impresa commerciale, oltre che una scoperta, in cui Marconi si rivelò molto abile, scegliedosi i collaboratori più validi. Così nell'autunno dello stesso anno ci fu l'impianto delle prime stazioni fisse ad Alun Bay, sull'isola di Wight, e a Bournermouth, dove grazie ad antenne alte 20 metri fu possibile la trasmissione di segnali a oltre 30 chilometri di distanza. E fu proprio questa la tratta scelta per il primo servizio commerciale della compagnia di Marconi, inaugurato nel 1901.

Marconi tuttavia doveva ancora affrontare non pochi problemi per l'applicazione della sua scoperta. Primo fra tutti quello dell'interferenza.

Infatti, in presenza di diverse stazioni collocate all'interno della portata dei segnali, un ricevitore doveva "parlare" a un solo trasmittente e doveva ignorare le scariche elettriche eventualmente presenti in atmosfera. I primi circuiti usati erano infatti poco selettivi e non era difficile incorrere in fenomeni di interferenza. Per superare il problema, dopo svariati tentativi, Marconi capì che era necessario modificare sia il circuito trasmittente che quello ricevente. Spostò sia il coesore che lo spinterometro su un circuito secondario e dispose il tutto in modo tale che, variando il numero delle spire della bobina d'induttanza in serie con l'antenna, quest'ultima risuonasse solo a una determinata frequenza, in accordo con l'antenna con cui doveva avvenire la trasmissione. Inutile dire che fu un successo: nei nuovi sistemi sintonizzati era possibile diminuire l'interferenza e aumentare sensibilmente l'efficienza dei trasmettitori.

Il 26 aprile del 1900 Marconi ottenne il brevetto n. 7777: "telegrafia accordata o sintonizzata e multipla su una sola antenna di nuovo tipo".

Si avvicinava dunque a grandi passi il momento in cui le trasmissioni avrebbero superato la barriera della curvatura terrestre. Ci sarebbe voluto un anno e mezzo e oltre, ma il 12 dicembre 1901, finalmente, un segnale dell'alfabeto morse (la lettera S) viaggiò dall'Inghilterra alla costa canadese, sfruttando un potente trasmettitore installato a Poldhu in Cornovaglia, e una stazione ricevente costituita da un'antenna sollevata oltre i 100 metri di altezza per mezzo di un aquilone, in Terranova. Era la grande svolta, la vittoria dello "scienziato fatto in casa".


Cuffia e detector utilizzati a St. John's, Newfoundland, 1901
(Museo Storico della Fondazione Guglielmo Marconi)