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A fine ‘800 l’interpretazione dei fenomeni fisici del mondo macroscopico era basata sulle:

• equazioni di Newton per i fenomeni meccanici, acustici e termici che ai primi si riconducevano attraverso l’applicazione della statistica ai sistemi (gas) di molte particelle
• equazioni di Maxwell che descrivevano in modo unitario i fenomeni elettrici, magnetici ed ottici.

Relativamente al primo punto è importante sottolineare che lo studio della meccanica si basa sulla legge di gravitazione universale e sulle tre leggi della dinamica. Da queste è possibile in linea di principio, dedurre con precisione l’evoluzione temporale di un sistema materiale qualunque, purchè se ne conoscano le condizioni iniziali e le caratteristiche meccaniche.

Fin dal ‘700 praticamente nessuno tra gli scienziati metteva in dubbio il fatto che qualunque fenomeno naturale (fisico, chimico, biologico) potesse essere spiegato con le leggi della meccanica classica. Per tutto il periodo che va all’incirca dalla seconda metà del ‘700 sin verso la fine dell’800 la ricerca fisica è caratterizzata dallo sforzo di estendere le sue leggi della meccanica alla spiegazione di tutti i fenomeni naturali.

Esso si realizza pienamente e senza alcuna difficoltà nel settore dell’acustica, poiché in tale periodo l’acustica trova la sua sistemazione teorica come studio meccanico delle onde nei mezzi materiali (Rayleigh 1842-1919).

Con altrettanta pienezza il programma meccanicistico si realizza nel settore della termologia. Negli anni attorno al 1820 nasce la scienza dei rapporti fra calore e produzione di lavoro, la termodinamica (Carnot), mediante la quale sarà possibile rendere conto di una grande quantità di dati sperimentali acquisiti attraverso l’osservazione del funzionamento delle macchine termiche.

Negli anni ’40 viene enunciato il principio di conservazione dell’energia (Mayer, Joule, Helmoltz) valido per qualunque sistema fisico isolato.

Nel 1850-1870 il concetto di calore trova una sua interpretazione definitiva nell’ambito di una descrizione corpuscolare e statistica (Clausius, Maxwell, Boltzmann).

Il primo ostacolo invalicabile sulla strada della realizzazione del programma meccanicistico viene, invece, col progredire durante tutto l’800 degli studi e delle ricerche sull’elettricità e sul magnetismo. In questo campo tuttavia nel corso dell’800 grazie ai contributi di Oersted, Faraday ed infine Maxwell, si profila un quadro teorico nuovo ed unitario che riassume nelle celebri 4 equazioni di Maxwell (1873) tutte le proprietà relative ai fenomeni elettrici e magnetici.

Le equazioni di Maxwell inoltre prevedono che i campi elettrici e magnetici possano propagare nel vuoto e che qui propaghino con la velocità della luce.

Si fa così strada l’ipotesi che la luce non fosse dunque che un caso particolare di onda elettromagnetica: dopo due secoli di controversie sembra chiarirsi in modo definitivo la natura della luce.

Young infatti nell’800 col suo celebre esperimento aveva messo in luce la natura ondulatoria della luce, ma era rimasto aperto il problema sulla natura delle onde luminose e su quale fosse il mezzo in cui tali onde propagassero ( ipotesi dell’etere).

Grazie al lavoro di Maxwell si chiarisce che la luce è un’onda elettromagnetica e che come tale può propagare anche nel vuoto. L’idea dell’etere venne abbandonata definitivamente nei primi anni del ‘900 grazie soprattutto ai lavori di Einstein sulla relatività ristretta. L’ottica diventa così una branca dell’elettromagnetismo .

Crisi della fisica classica

Negli ultimi anni dell’800 ed i primi del ‘900 i fisici scoprono in una serie di fenomeni che non si riescono a spiegare nel quadro precedentemente tracciato:

• Nascita della fisica atomica e nucleare : nel 1897 Thompson scopre l’elettrone. Si comprende che l’atomo non è una particella elementare. Si apre un filone di ricerca completamente nuovo volto a comprendere quale fosse dunque la struttura interna dell’atomo: la fisica atomica.
• Nel 1911 l’esperimento di Rutherford mostra che la materia è addensata in un volume molto piccolo dell’atomo: il nucleo. Si comprende che la materia è sostanzialmente vuota! Il nucleo risulta formato da particelle cariche, i protoni, che secondo le leggi dell’elettromagnetismo dovrebbero respingersi. Si comprende dunque che deve esistere un nuovo tipo di forza fondamentale responsabile della coesione delle particelle del nucleo: la forza nucleare forte. Nasce così la fisica nucleare, volta a comprendere l’origine e le caratteristiche della forza nucleare.

Se la nascita della fisica atomica e nucleare rappresenta un’estensione dell’orizzonte della conoscenza della natura e delle sue leggi, altri fenomeni mettono invece in crisi i due pilastri portanti su cui si reggeva il sistema fino ad allora consolidato: la meccanica newtoniana e l’elettromagnetismo di Maxwell. Infatti:

• Le misure volte a conoscere la velocità della luce misero in evidenza che, contrariamente a quanto previsto dalla legge di composizione delle velocità di Galileo, la velocità della luce sembra avere un valore limite non superabile. Questo fatto indusse Einstein a rivedere il principio di relatività galileiana e da questo lavoro nascerà la nuova relatività di Einstein che scardinerà la visione del mondo e della meccanica Newtoniana.
• Sull’altro versante l’elettromagnetismo classico falliva nell’interpretazione di alcuni fenomeni tra cui: le caratteristiche dell’effetto fotoelettrico e il modello planetario dell’atomo proposto da Rutherford. Il suo modello non descriveva in modo quantitativo lo spettro del corpo nero.

Nel 900 l’interpretazione delle caratteristiche della radiazione emessa dal corpo nero porterà Plank a postulare che gli scambi di energia durante l’emissione e l’assorbimento di radiazione avvenga per pacchetti discreti di energia chiamati “quanti”.

Quindi Einstein postulò che non solo gli scambi energetici avvengono in quanti ma che essi viaggiano nello spazio come particelle (fotoni) dotati di energia e quantità di moto, L’interpretazione dello spettro del corpo nero e dell’effetto fotoelettrico portano così ad attribuire alla radiazione elettromagnetica caratteristiche corpuscolari.

Fisica atomica

Sul versante della fisica atomica invece il superamento delle difficoltà mostrate dal modello di Rutherford portò Bohr a postulare delle regole di quantizzazione che vennero successivamente interpretate da De Broglie attribuendo agli elettroni anche delle caratteristiche ondulatorie. Si apre una delle crisi più profonde e più ricche di sviluppi nell’evoluzione della fisica : sembra crollare la distinzione che era stata netta tra onda e corpuscolo. La radiazione luminosa sembra in alcuni frangenti mostrare caratteristiche corpuscolari, la descrizione della materia su scala atomica deve associare alle particelle proprietà ondulatorie.

Tutti questi problemi trovano una loro definizione nel quadro unitario e rigoroso della meccanica quantistica, che vede il suo fondamento negli anni 1923-1927.

Questa era un po’ di storia della fisica  
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Mentre la cinematica studia il moto dei corpi, a prescindere dalle cause che lo producono, la dinamica studia le cause del moto o meglio le cause che producono una variazione del moto e quindi un’accelerazione.

Parliamo in questo articolo di dinamica del punto materiale, quindi di un corpo di dimensioni e struttura interna trascurabile.

La dinamica si basa su lavori fatti da Galileo Galilei, nella prima metà del 1600, e poi da Isaac Newton, che nel 1687 pubblicò i famosi Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, che contengono i tre principi della dinamica e la legge di gravitazione universale.

Partiamo dal primo principio della dinamica, detto anche principio d’inerzia, o prima legge di Newton.

Galileo Galilei nel 1632 pubblicò il Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, un testo che spiega cos’è il principio di inerzia.

Galileo ci porta un esperimento mentale.

Dice:

“Riserratevi, con qualche amico, nella maggiore stanza, che sia sotto coverta, di alcun gran naviglio”

“Quivi fate d’aver mosche, farfalle e simili animaletti volanti. Siavi anco un gran vaso d’acqua e, dentrovi, dei pescetti. Sospendasi anco in alto qualche secchiello che, a goccia a goccia, vada versando dell’acqua in un altro vaso, di angusta bocca, che sia posto a basso”.

In pratica ci porta sotto coperta di una nave in maniera tale da non avere flussi di aria e ci fa osservare alcuni oggetti.

A questo punto facciamo alcune osservazioni insieme a Galileo.

“Stando ferma la nave, osservate diligentemente come quegli animaletti volanti, con pari velocità, vanno verso tutte le parti della stanza, i pesci si vedranno andar nuotando indifferentemente per tutti i versi e le stille cadenti entreranno tutte nel vaso sottoposto”

“saltando voi, come si dice, a piè giunti uguali spazii passerete verso tutte le parti”.

Queste osservazioni ci sembrano banali. Ora arriva il bello. Cosa facciamo? Facciamo muovere questa nave e dice, in particolare:

“Fate muover la nave con quantasivoglia velocità che, pur che il moto sia uniforme e non fluttuante in qua e in là”.

Questo è il cuore del concetto.

Non fluttuante in qua e in là vuol dire moto rettilineo uniforme.

Cosa succede?

Se il moto della nave è un moto rettilineo uniforme, dice:

“voi non riconoscerete una minima mutazione in tutti li nominati effetti né da alcuno di quelli” cioè da nessuno di essi “potrete comprendere se la nave cammina oppure sta ferma”.

Quindi ci sta dicendo che nessun esperimento scientifico può essere condotto per rispondere a questa domanda: “Siamo sotto coperta in una nave ferma al porto o siamo sotto coperta in una nave che si sta muovendo, pur con velocità costante? non lo possiamo dire. Perché?

“Se facciamo un esperimento scientifico cosa succede?”.

Dice:

“Voi, saltando, passerete nel tavolato i medesimi spazi che prima, né; perché la nave si muova velocissimamente, farete maggior salti verso la poppa che verso la prua benché, nel tempo che voi state in aria, il tavolato sottopostovi scorra verso la parte contraria al vostro salto” come se uno potesse fare un salto più lungo perché nel frattempo, la nave scorre nella direzione opposta.

“Le gocciole cadranno, come prima, nel vaso inferiore, senza caderne pur una verso poppa, benché; mentre la gocciola è per aria, la nave scorra molti palmi”.

“I pesci, nella loro acqua, non con più fatica nuoteranno verso la precedente che verso la susseguente parte del vaso e, finalmente, le farfalle e le mosche continueranno i loro voli indifferentemente verso tutte le parti”.

Quindi non possiamo vedere nessun cambiamento nei fenomeni fisici ma perché avviene questo? Perché, con nave ferma oppure nave che si muove di velocità uniforme, costante, in modulo direzione e verso, non vediamo alcun cambiamento?

Galileo lo spiega così.

“Di tutta questa corrispondenza di effetti ne è cagione” cioè ne è motivo “l’esser il moto della nave comune a tutte le cose contenute in essa e dall’aria ancora”.

Quindi potremo tradurre il principio d’inerzia in termini moderni dicendo che:

“Un corpo, non soggetto a interazioni con l’ambiente,permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme”.

Questo è un risultato fenomenale perché Aristotele pensava che lo stato naturale dei corpi fosse la quiete e che, per avere un moto rettilineo uniforme, bisognasse sempre imprimere una certa azione, una certa interazione con l’ambiente.

Cosa ha fatto, invece, Galileo?

Ha fatto un’osservazione sperimentale che possiamo fare anche noi qua. Abbiamo uno scivolo, due monete e due superfici diverse, una superficie liscia, carta, e una superficie più ruvida,sughero. Se prendiamo una moneta e la facciamo cadere dalla parte del sughero, vediamo che si fermerà dopo una certa distanza. Se, invece, facciamo cadere la moneta dalla parte della carta percorrerà una distanza molto più lunga.

Se potessimo continuare a fare questo processo, ideale, levigando sempre di più la superficie, il corpo si muoverebbe sempre più lentamente, fino a proseguire nel suo moto rettilineo uniforme. Evidentemente, questo è un passaggio ideale che dobbiamo fare. Nella realtà è difficile pensare a una perfetta assenza di interazioni con l’ambiente.

Qual è la conseguenza?

La conseguenza è che non esiste un sistema di riferimento assoluto, è per questo che il principio di Galileo viene anche chiamato principio di relatività galileiana, ma esistono dei sistemi di riferimento detti “inerziali” dove, cioè, vale il principio d’inerzia.

Un qualsiasi sistema di riferimento inerziale è un sistema di riferimento dove un corpo non soggetto ad interazioni con l’ambiente permane nel suo stato di quiete, se è fermo, o nel suo stato di moto rettilineo uniforme.

Questo era il primo principio della dinamica  
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Tutti conosciamo Galileo come scienziato per le sue scoperte in campo fisico. Ma qual è, invece,  il suo maggior contributo alla filosofia? Senza dubbio l’ideazione del metodo scientifico. Vediamo insieme di cosa si tratta, come funziona e perché è importante.

L’importanza del metodo scientifico

L’individuazione del metodo scientifico è una tappa fondamentale nella storia della cultura umana perché segna il distacco tra scienza e filosofia. Prima della rivoluzione scientifica abbiamo sempre incontrato figure che si sono occupate di filosofia in toto, quindi anche di scienza: se pensiamo, ad esempio, ad Aristotele, sappiamo che nella sua trattazione si è occupato non solo di metafisica o di filosofia politica, ma anche di fisica in senso stretto, cercando di fornire spiegazioni logiche agli eventi del mondo. Se andiamo ancora indietro troviamo figure come Democrito, che vuole spiegare come sono composti gli oggetti e trova la sua teoria negli atomi, fornendoci una spiegazione chiara di come la sua idea possa funzionare. Una figura come Democrito si occupa di fisica, ma è da noi considerato un filosofo, perché i suoi studi non seguono il metodo scientifico, ma si basano solo su deduzioni logiche. 

Con la rivoluzione scientifica, invece, si delinea un metodo ben definito. Da questo momento in poi, soltanto le teorie dimostrate mediante questo metodo saranno considerate come teorie scientifiche, tutto il resto sono solo speculazioni. Avremo ancora figure che si occupano sia di filosofia che di scienza, ma le tratteranno come due discipline ben separate: non si considererà più la fisica come una disciplina filosofica, appunto perché necessita di un metodo differente. 

Il metodo di Galilei

Galilei suddivide il suo metodo in due momenti: 

• il momento risolutivo è quello durante il quale si osservano i fenomeni, misurandoli in modo da avere degli elementi matematici sui quali si formula un’ipotesi, un’idea di quale possa essere la legge che li governa;
• il momento compositivo consiste nella verifica della validità della legge tramite esperimenti, ossia la riproduzione artificiale del fenomeno stesso. 

Se la tesi è avvalorata dagli esperimenti, allora si può ritenere vera, altrimenti viene smentita e si cerca un’altra ipotesi. 

Ma come si giunge a formulare un’ipotesi? Secondo Galileo ci sono due strade:

• La sensata esperienza, ossia l’osservazione mirata dei fenomeni, che risulta fondamentale per poter formulare ipotesi sensate. Questo è un procedimento induttivo, ossia un metodo di ricerca in cui si osservano i singoli fenomeni ed per ipotizzare una legge che li accomuni tutti (es. vedo che per cinque mattine di fila il pullman è in anticipo, deduco che lo sarà sempre, quindi mi presento prima alla fermata).  
• Le necessarie dimostrazioni sono invece i ragionamenti logico-matematici che lo scienziato porta avanti partendo da una sua personale intuizione o supposizione. Si tratta di un procedimento deduttivo, perché parte da premesse generiche e giunge a formulare una tesi precisa. Un esempio è dato proprio da Galilei, con la formulazione del principio di inerzia: egli immagina un piano inclinato sul quale viene appoggiata una sfera di bronzo. Può intuire che essa inizierà a rotolare. Suppone poi che essa si trovi in condizione di assenza di attrito. Può dedurre che la palla rotolerà all’infinito, non avendo niente che la freni. In questo specifico caso, Galileo non può verificare la sua ipotesi con un esperimento in senso stretto, non avendo i mezzi per creare un piano inclinato infinito, né tantomeno per togliervi l’attrito, ma in altri casi nulla impedisce ovviamente di verificare tramite esperimento anche le ipotesi deduttive. In questo caso, la teoria dell’inerzia è avvalorata da questo esperimento mentale. 

Da ciò possiamo intuire che Galileo, nel dibattito tra induttivisti e deduttivisti non prenda una posizione radicale: egli crede che entrambi i metodi siano validi e necessari per la ricerca. Egli sostiene che le sensate esperienze presuppongano sempre le necessarie dimostrazioni, perché nel momento in cui si decide di osservare un fenomeno si ha già una vaga idea di dove cercare, si parte dando per scontato altre teorie; allo stesso tempo anche le necessarie dimostrazioni presuppongono le sensate esperienze, perché essendo noi immersi nel mondo, non possiamo negare che le nostre intuizioni possano emergere grazie all’osservazione dei fenomeni e che possano essere convalidate solo grazie a prove empiriche, a esperimenti.

Questo era il metodo scientifico secondo Galileo
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