Fisica antica e moderna cenni

LA FISICA DEL PASSATO E LA FISICA MODERNA (cenni)
ARISTOTELE E GALILEO, ANTICHI E MODERNI AL CONFRONTO
In altri appunti abbiamo visto che la prima verifica sperimentale della legge di conservazione della massa risale al 1774, anche se tale legge era già stata enunciata da più di 2000 anni. Qual è il motivo per il quale si è dovuto aspettare così tanto affinché uno scienziato decidesse di fare un esperimento per dimostrare con una misura la legge? Ci siamo posti questa domanda in classe e vi abbiamo dato questa risposta: prima del 1600 i fisici non usavano misure ed esperimenti per verificare le loro teorie. Ma allora, in che modo veniva eseguita la ricerca scientifica nel passato? Vediamo di appurarlo andando a leggere alcuni testi di fisica scritti prima del 1600. Iniziamo da un grande pensatore dell’antica Grecia, filosofo e scienziato, le cui idee dominarono il pensiero occidentale durante tutto il Medio-Evo ed oltre, fino al 1.700 inoltrato: Aristotele. Egli si interessò al moto dei corpi: leggiamo adesso un suo brano del libro “Fisica” dove descrive la sua teoria del movimento.
Inoltre, i proiettili si muovono ancora, benché non li tocchi più colui che li ha lanciati, e si
muovono o per reazione, come dicono alcuni, oppure perché l'aria, spinta, spinge a sua
volta con un moto più veloce di quello del movimento del corpo spinto. […]

Inoltre, la nostra asserzione è chiarita anche da quanto segue: invero, noi vediamo che lo
stesso peso e lo stesso corpo si muovono più rapidamente per due cause: o perché è
differente ciò attraverso cui l'oggetto passa (ad esempio, se passa attraverso 1'acqua o la
terra, ovvero attraverso l'acqua o l'aria), oppure perché l'oggetto spostato, qualora gli altri
fattori siano gli stessi, differisce per l'eccesso del peso o della leggerezza.

Ne è causa il mezzo attraverso cui l'oggetto passa, in quanto che esso fa da attrito, […].
E l'attrito è maggiore quando il mezzo è meno divisibile, ossia quando esso ha una densità
maggiore.

In altre parole: secondo Aristotele un corpo viene mantenuto in movimento dalla spinta dell’aria la quale, risucchiata verso la parte posteriore dell’oggetto, lo spinge in avanti (vedi figura). Per quanto riguarda la velocità di movimento, essa è determinata da due cause: il tipo di mezzo attraversato (aria, acqua, terra, ecc.) ed il peso dell’oggetto in questione.

Confrontiamo questo passo con quello scritto da Galileo Galilei, famosissimo scienziato pisano vissuto a cavallo del 1500 e 1600, sempre riguardo al moto degli oggetti. Il brano è tratto dal volume “Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze”, pubblicato da Galileo nel 1635.

 

In un regolo, o vogliàn dir corrente, di legno, lungo circa 12 braccia, e largo per un verso mezzo braccio e per l’altro 3 dita, si era in questa minor larghezza incavato un canaletto, poco più largo d’un dito; tiratolo drittissimo, e, per averlo ben pulito e liscio, incollatovi dentro una carta pecora zannata e lustrata al possibile, si faceva in esso scendere una palla di bronzo durissimo, ben rotondata e pulita.

Elevando sopra il piano orizzontale una delle estremità (del regolo) un braccio o due ad arbitrio, si lasciava (…) scendere per il detto canale la palla, notando (…) il tempo che consumava nello scorrerlo tutto, replicando il medesimo atto molte volte per assicurarsi bene della quantità del tempo (…). Fatta e stabilita precisamente tale operazione, facemmo scender la medesima palla solamente per la quarta parte della lunghezza di esso canale; e misurato il tempo della sua scesa, si trovava sempre puntualissimamente esser la metà dell’altro.

(Galileo ripeterà più volte la misura per distanze diverse con pesi diversi e dedurrà che lo spazio percorso è sempre proporzionale al quadrato del tempo impiegato a percorrerlo. In altri termini, se i tempi sono rappresentati da 1, 2, 3, 4, 5… gli spazi percorsi sono rispettivamente rappresentati da 1, 4, 9, 16, 25…)

Qual è la differenza fondamentale fra i due scritti? Pensateci un attimo… E’ evidente che Aristotele si limita a descrivere quel che accade, proponendo un’ipotesi che giustifichi il movimento ma senza fare alcuna misura né alcun esperimento che ne verifichi l’esattezza (tra parentesi: le ipotesi di Aristotele che sia l’aria a mantenere in moto un oggetto e che la velocità sia determinata dal peso e dalla resistenza del mezzo attraversato risulteranno entrambe errate). Galileo, all’opposto, esegue degli esperimenti precisi che dimostrano con misure che un corpo, cadendo, percorre uno spazio proporzionale al quadrato del tempo. E sarà proprio questa legge matematica che permetterà ai fisici di comprendere qual è l’effetto della gravità sui corpi, come imparerete al III anno di Liceo.

ALTRI DUE STUDIOSI ANTICHI: LUCREZIO E BACONE
Per chiarirci meglio le idee su come veniva eseguita la ricerca fisica nel passato, leggiamo altri due brani, ripresi da due studiosi che già conosciamo: Lucrezio e Bacon. Del primo leggeremo un breve passo dove si portano prove a favore del fatto che la materia è composta da atomi; del secondo un breve scritto dove si dichiara che il calore è dovuto al movimento delle sostanze.

Partiamo da Lucrezio. Al tempo dei Romani non si conosceva quasi nulla della struttura della materia. Vi erano molte teorie al riguardo: una di esse, chiamata teoria atomica, affermava che tutte le sostanze fossero composte da particelle piccolissime, indistruttibili –chiamati atomi- che, unendosi, davano origine a tutti gli oggetti. Lucrezio era un seguace di questa teoria e nel De Rerum Natura descrive le prove a favore della teoria atomica. Ecco il brano:

Per di più, nel corso di molti anni solari l'anello,
a forza d'essere portato, si assottiglia dalla parte che tocca il dito;
lo stillicidio, cadendo sulla pietra, la incava; il ferreo vomere
adunco dell'aratro occultamente si logora nei campi;
e le strade lastricate con pietre, le vediamo consunte
dai piedi della folla; e poi, presso le porte, le statue
di bronzo mostrano che le loro mani destre si assottigliano
al tocco di quelli che spesso salutano e passano oltre.
Che queste cose dunque diminuiscano, noi lo vediamo,
perché son consunte. Ma quali particelle si stacchino in ogni
momento, l'invidiosa natura della vista ci precluse di vederlo.

(In breve: tutti gli oggetti si corrodono lentamente, perdendo ogni volta particelle piccolissime di se stessi; solo alla fine, quando l’usura è continuata per tanto tempo, riusciamo a percepire che l’oggetto si è corroso. Qualcosa è andato via dagli oggetti ma ogni volta di una quantità così piccola che non siamo riusciti a percepirla).

Leggiamo infine dal Novum Organum come Francis Bacon affronta lo studio del calore:

La prima cosa da notare, che il calore è un moto di espansione, per il quale un corpo si dilata ed occupa uno spazio maggiore. La cosa è vista principalmente nella fiamma, dove il fumo o il vapore spesso chiaramente si dilata e si infiamma.

La seconda cosa è una modificazione della precedente, cioè che il calore è un moto di espansione, tendente verso l’esterno, ma allo stesso tempo trasportante il corpo verso l’alto. Poiché non vi è alcun dubbio che ci sono molti moti composti, come quelo di una freccia o di un dardo, che hanno sia un moto rotatorio sia un moto di avanzamento. Allo stesso modo il moto del calore è sia espansivo sia diretto verso l’alto.

La terza cosa è questa: che il calore non è un moto espansivo uniforme di tutto il corpo ma delle piccole particelle del corpo; e questo moto […] è la causa della violenza della fiamma e del calore […].

(seguono esempi di queste affermazioni)

Da questa prima analisi la definizione di calore è brevemente questa: il calore è un moto espansivo dovuto alle particelle più piccole.

Confrontiamo questi due ultimi scritti con quello di Galileo e di Aristotele: cosa possiamo affermare? Aristotele, Lucrezio e Bacon applicano tutti e tre lo stesso criterio di studio: osservano i fenomeni naturali e poi ci ragionano sopra, proponendo teorie plausibili per spiegare ciò che hanno osservato ma senza eseguire alcun esperimento; soltanto Galileo prima compie delle misure e poi deduce le leggi di ciò che ha misurato.

 

LA FISICA ANTICA E’ SOLO QUALITATIVA, LA MODERNA ANCHE QUANTITATIVA
A questo punto ci possiamo chiedere: perché fino al tempo di Galileo praticamente nessuno scienziato pensò di basare la sua ricerca scientifica sugli esperimenti e sulle misure? In altre parole: perché la Fisica è rimasta prevalentemente qualitativa fino a Galileo? Non fu certo la mancanza di strumenti: righelli, bilance ed orologi erano comuni fin dai tempi antichi. Quello che mancò fu l’idea che le leggi della Fisica fossero basate sui numeri; nessuno aveva pensato che le leggi della fisica fossero matematiche. Si pensava che i numeri fossero troppo astratti per potersi adattare ad una scienza concreta come la Fisica: o, all’opposto, che essi fossero solo appannaggio dei contabili e dei mercanti e di conseguenza non potevano essere adatti ad una scienza così nobile come la Fisica. Per quanto riguarda gli esperimenti, quasi nessuno scienziato del passato aveva avuto l’idea di fare misure per verificare le proprie teorie: costruire strumenti ed eseguire esperimenti sembrava fosse qualcosa più da manovali che da veri scienziati. Perciò il metodo scientifico prima del 1.600 spesso si riduceva a questo: osservare i fenomeni e poi cercare delle spiegazioni in base al ragionamento astratto.

Le uniche grandi eccezioni furono una schiera di scienziati, per lo più greci o di scuola greca, vissuti prima o durante il periodo dell’Impero Romano, che eseguirono la ricerca scientifica applicando il metodo geometrico (la matematica nell’antichità non era molto sviluppata): essi cioè partirono da dei postulati che dimostrarono validi grazie ad esperimenti a da quelli ricavarono altre leggi della fisica con teoremi geometrici.  Uno dei primi scienziati ad introdurre questo modo di fare fisica fu… Euclide! che intorno al 300 a.C. scrisse due libri, ‘Ottica’ e ‘Catottrica’ riguardanti rispettivamente la propagazione della luce e la riflessione degli specchi. In seguito è necessario ricordare Archimede di Siracusa, grandissimo fisico ed ingegnere vissuto poco prima del 200 a.C., durante la II guerra punica. Egli eseguì le sue ricerche facendo esperimenti e misure: fra i suoi risultati più brillanti è da ricordare la legge del galleggiamento dei corpi (“legge di Archimede”) e la definizione di peso specifico. Si deve menzionare anche Eratostene (250 a.C.) che per primo misurò la dimensione della Terra con pochissimo errore (inferiore all8%!), Tolomeo (100 d.C.) che ampliò il lavoro sull’Ottica di Euclide, e pochi altri.

LA FISICA ANTICA E’ STATA COMUNQUE ALLA BASE DELLA FISICA MODERNA
E’ da notare che le teorie di Lucrezio e di Bacon sono entrambe giuste: la materia è realmente composta da atomi e molecole mentre il calore è una forma di movimento, come vedremo al IV anno di Liceo. Dirò di più: agli inizi del 1.600, quando si iniziò di nuovo a studiare la fisica, fu proprio l’opera di Lucrezio a suggerire agli scienziati che i corpi sono composti da particelle finissime, che poi furono chiamate molecole; e furono proprio gli scritti di Bacon a convincere gli studiosi che il calore fosse dovuto al moto di particelle piccolissime. Però, come vediamo leggendo i loro scritti, Lucrezio e Bacon furono in grado di dare solo una descrizione generale dei fenomeni, senza trovare vere e proprie leggi: furono gli scienziati del dopo 1.600 che, partendo dalle intuizioni di questi due studiosi, eseguirono esperimenti e misure che confermarono ed approfondirono le teorie.

Uno dei primi scienziati moderni che ebbe l’intuizione che la fisica fosse quantitativa fu il pisano Galileo Galilei. Egli visse a cavallo del 1500 e del 1600: egli ritenne che le leggi fisiche fossero matematiche, cioè basate sui numeri, e che esse potessero essere determinate soltanto eseguendo misure con esperimenti. Fu questa incredibile intuizione – controcorrente fino a quel momento – che determinò la cosiddetta Rivoluzione Scientifica e la nascita della Fisica moderna.