fisica - liceoweb

FISICA
Introduzione
alla fisica
Autore: prof. Pappalardo Vincenzo
docente di Matematica e Fisica
FISICA&
(Physis = natura)
E = mc2
Unità didattica 1:
IL METODO SPERIMENTALE
BREVE STORIA DELLA FISICA
1. Le prime origini della fisica come
scienza, risalgono alla Grecia del VI
secolo avanti Cristo, quando alcune
scuole del tempo cercarono di
spiegare i fenomeni naturali
attraverso gli elementi primordiali
(terra, acqua, aria e fuoco) o
mediante concetti astratti quali i
numeri della scuola pitagorica.
Si giunge così alla teoria atomistica di Leucippo e
Democrito, secondo la quale tutta la realtà, anima
compresa, è materiale ed è composta di atomi in
continuo movimento in uno spazio vuoto (meccanicismo
atomistico).
2. Tutte queste concezioni sono
state soppiantate, nel secolo IV
avanti Cristo, dal sistema fisicofilosofico di Aristotele, che ha
f o n d a t o l a f i s i c a
sull'osservazione, distinguendo
tra due mondi, quello celeste e
quello terrestre. Il mondo celeste,
incorruttibile e inalterabile, è
costituito da sfere concentriche,
ognuna delle quali sostiene un
pianeta, ed è limitato dalla sfera
delle stelle fisse; i moti delle sfere,
considerati naturali ed eterni,
sono impressi da un motore
primo immobile.
Il mondo terrestre, o
sublunare, d'altra parte,
fermo al centro
dell'Universo, è un
miscuglio di vari
elementi che tendono
a portarsi verso i loro
"luoghi naturali",
rappresentati dalle
sfere concentriche
della terra, dell'acqua,
dell'aria e del fuoco.
I moti conseguenti sono considerati naturali in
contrapposizione a quelli violenti che ostacolano o
deviano gli oggetti dalla realizzazione di questo fine.
3. L'elemento essenziale della fisica aristotelica, è che
qualsiasi moto ha bisogno di una forza per potersi
mantenere. La velocità del movimento risulta
direttamente proporzionale alla forza che lo sostiene e
inversamente proporzionale alla resistenza del mezzo nel
quale si compie. Poiché nel vuoto la resistenza è nulla, in
esso la velocità di un corpo dovrebbe essere infinita. Di
conseguenza, per Aristotele, il vuoto non può esistere.
La concezione aristotelica, per la sua coerenza e
capacità di giustificare il sistema astronomico di
Tolomeo e di fornire una visione finalistica del mondo, ha
avuto per secoli un incontrastato successo.
4. Un momento decisivo del
suo superamento è stato
l'introduzione del sistema
astronomico di Copernico
nel XVI secolo che,
ipotizzando l'eliocentrismo (il
Sole al centro dell'Universo),
era incompatibile con la
fisica di Aristotele.
5. E' stato Galileo Galilei (XVII secolo) a porre
le basi della nuova fisica introducendo il
moderno metodo scientifico.
Il perfezionamento e l'uso sistematico del cannocchiale lo
hanno portato a negare l'esistenza di due mondi
nettamente distinti: il mondo è uno solo e le leggi che si
ricavano studiando i fenomeni terrestri hanno validità in
tutto l'Universo. Alla base della nuova meccanica, Galilei
ha posto due principi fondamentali: il principio d'inerzia e
quello di relatività (galileiana). Il primo scardina la
distinzione aristotelica fra moti naturali e moti violenti. Il
secondo consente di conservare le stesse forme
matematiche delle leggi della meccanica.
6. Più tardi, sulla base dei suoi studi sulla
caduta dei gravi, Isaac Newton (XVII
secolo) ha risolto il problema delle forze
che regolano il moto dei pianeti,
sull'assunzione che la loro origine fosse
la stessa di quelle che provocano la
caduta dei corpi sulla Terra.
Al fine di conferire un solido fondamento alla trattazione
della nuova fisica, nella quale le relazioni tra gli eventi
sono di tipo rigorosamente deterministico (legati da
rapporti di causa ed effetto), Newton ha collocato tutti i
fenomeni naturali in uno spazio e in un tempo assoluti,
uno spazio e un tempo che costituivano, per così dire, il
palcoscenico su cui si svolgono tutti gli eventi.
7. La speranza di unificare tutti i nuovi settori della fisica
all'interno del quadro newtoniano ha trovato, però,
notevoli ostacoli. La nascita della termodinamica (XIX
secolo), legata alla rivoluzione industriale, ha spostato
l'attenzione attorno a nuovi concetti. Un'importante legge
fisica, il secondo principio della termodinamica, ha perso,
in tale contesto, la caratteristica di legge naturale per
assumere quella di legge altamente probabile.
Quantunque la maggior parte dei fisici ritenesse possibile
ricondurre le leggi statistiche nell'ambito delle leggi
ordinarie della meccanica, il principio di causalità
deterministica è stato per la prima volta posto seriamente
in dubbio.
8. Una certa crisi del meccanicismo
newtoniano si ha con l'introduzione
nei singoli settori della fisica di nuove
teorie, quali la teoria ondulatoria della
luce di Fresnel, la teoria matematica
dell'induzione elettromagnetica di
Ampère e il concetto di linea di forza
di Faraday, tutte nel XIX secolo.
Un tentativo di sintesi parziale è stato operato, nel 1873,
da Maxwell, che è arrivato a una teoria unitaria
dell'ottica, dell'elettricità e del magnetismo, fondata sul
concetto di campo e condensata in quattro famosissime
equazioni nelle quali elettricità e magnetismo
apparivano aspetti diversi di un'unica realtà:
l'elettromagnetismo.
9. Negli ultimi decenni del secolo XIX si è intensificata
l'analisi critica dei fondamenti della meccanica
newtoniana e si è posta in dubbio la concezione
secondo cui i principi fondamentali della meccanica
dovessero costituire la base ultima di tutta la fisica. Una
forte difficoltà è derivata dalla scoperta che le equazioni
di Maxwell variano di forma nel passare da un sistema di
riferimento a un altro, in contraddizione con i principi della
meccanica galileiana. La soluzione di questa difficoltà
cruciale ha portato la crisi finale della fisica classica e la
nascita della fisica moderna con la teoria della relatività
di Einstein.
9. Nella teoria della relatività
speciale, del 1905, Einstein
ha introdotto due nuovi
principi fondamentali: il
principio di relatività
(einsteiniana) e il principio
della costanza della velocità
della luce. Tra le implicazioni
di questi principi vi era
quella, importantissima,
della variabilità dello spazio,
del tempo e della massa
con la velocità e la
sostanziale identità tra
massa ed energia.
Questo risultato è stato alla base, qualche decennio più
avanti, della nascente fisica nucleare. Einstein ha
formulato poi, nel 1916, la teoria della relatività generale,
in cui veniva introdotto il principio fondamentale che le
leggi della fisica dovessero valere per qualsiasi sistema
di riferimento dotato di moto qualunque.
10. La teoria einsteiniana non intaccava, però, il quadro
deterministico (validità del principio di causa ed effetto)
della fisica classica. La grande rivoluzione in questo
senso ha avuto inizio con la scoperta di una serie di
fenomeni, quali la radioattività naturale, che sono rimasti
inspiegabili sino all'introduzione, nel 1900, del concetto di
"quanto di energia" di Planck. Questo concetto è entrato
anche nel modello di atomo di Bohr del 1913, modello
che, inoltre, suggeriva di introdurre il dualismo ondacorpuscolo, oltre che per l'energia anche per i
corpuscoli materiali.
Materia ed energia presentavano dunque una duplice
natura di onda e di corpuscolo. Per riunire in un unico
quadro coerente tutti questi fenomeni è nata la
meccanica quantistica, fondata e sostenuta dalla
scuola di Bohr. La fisica classica ha subito così un
mutamento paragonabile alla rivoluzione scientifica di
Galilei e di Newton. La causalità deterministica, pilastro
delle teorie fisiche precedenti, è stata abbandonata in
favore di teorie basate esclusivamente sulla probabilità.
LE TEORIE FISICHE
Tutte le teorie che sono state prodotte prima dell'inizio
del XX secolo fanno parte della fisica classica. Le teorie
principali che la compongono sono:
La meccanica che studia l equilibrio e il movimento dei
corpi; La termodinamica che studia i fenomeni legati alla
temperatura e al calore e le sue trasformazioni; L ottica
ondulatoria che studia le proprietà della luce e la
propagazione delle onde; L elettromagnetismo che
studia i fenomeni elettrici e magnetici.
Le leggi della fisica classica
necessario spingersi oltre i limiti
(scale atomiche e subatomiche,
cui è necessario fare ricorso
moderna.
falliscono quando è
di validità delle stesse
corpi molto veloci), per
alle leggi della fisica
La fisica moderna studia tutti quei fenomeni che
avvengono a scala atomica e subatomica o dove le
velocità sono prossime a quelle della luce; le teorie
principali che la costituiscono sono la meccanica
quantistica e la relatività generale. Fanno parte di questa
categoria tutte le teorie che sono state prodotte a partire
dal XX secolo, per cercare di spiegare alcuni fenomeni
che le teorie classiche non riescono a dimostrare.
Le principali branche che costituiscono la fisica moderna
sono:
! La fisica dello stato solido riguarda lo studio delle
proprietà dei solidi, sia elettroniche, che meccaniche,
ottiche e magnetiche;
!  La fisica nucleare studia il nucleo atomico nei suoi
costituenti protoni e neutroni e le loro interazioni;
!  La fisica delle particelle studia i costituenti
fondamentali e le interazioni fondamentali della materia;
!  L'astrofisica è una scienza che applica la teoria e i
metodi delle altre branche della fisica per studiare gli
oggetti di cui è composto l'universo;
!  La fisica sanitaria è un'attività che riguarda, in
generale, tutti i settori della fisica applicata alla
medicina;
!  La fisica matematica si occupa delle applicazioni della
matematica ai problemi della fisica e dello sviluppo di
metodi matematici adatti alla formulazione di teorie
fisiche ed alle relative applicazioni;
!  La geofisica (anche detta fisica terrestre) è in generale
l'applicazione di misure e metodi fisici allo studio delle
proprietà fisiche del pianeta Terra;
!  L econofisica è l'approccio metodologico utilizzato nel
campo della fisica applicato a problematiche di tipo
economico;
!  La Biofisica dedita allo studio dei problemi biologici
con i metodi propri della fisica.
IL METODO SPERIMENTALE
La fisica:
"  studia i fenomeni naturali (la luce, il moto dei pianeti,
l elettricità e il magnetismo, ecc.);
"  parla di grandezze, cioè di quantità che possono essere
misurate mediante strumenti (la massa si misura la bilancia, la
velocità con un tachimetro, il tempo con un cronometro, ecc);
"  cerca di trovare delle leggi, cioè delle relazioni tra queste
grandezze (per esempio tra la massa e l'energia, lo spazio
percorso ed il tempo impiegato) espresse mediante formule
matematiche.
La Fisica si occupa di tutto ciò che accade in natura, detto
in generale fenomeno, che è possibile studiare attraverso
particolari entità chiamate grandezze fisiche.
Le modalità con cui
vengono analizzati i
fenomeni fisici sono
espresse dal metodo
sperimentale (Galileo
Galilei, XVII sec).
La caratteristica principale del metodo
sperimentale consiste nel fatto che, dopo una
fase iniziale di tipo qualitativo (l'osservazione di
quello che accade), al temine di un certo
percorso si arriva a una sintesi, quasi sempre
tramite l'uso del linguaggio matematico, delle
conoscenze acquisite: la legge fisica. Di
conseguenza, l'approccio diventa
sostanzialmente di tipo quantitativo, con la
possibilità concreta di fare calcoli, previsioni,
progetti.
Quali sono le conseguenze di questo modo di
procedere?
1.  Le cose possono essere diverse da come appaiono,
perchè il nostro intuito ci può ingannare.
2.  E possibile dimostrare che una deter minata
affermazione è eventualmente falsa.
3.  Chiunque deve poter ottenere nel suo laboratorio,
ovunque esso si trovi, gli stessi risultati da noi raggiunti
nel nostro laboratorio (ripetitività dell esperimento).
4.  Una legge o una teoria non sono considerate vere per
sempre, ma soltanto fino a quando non viene
dimostrato che sono false.
Nel ricavare le leggi fisiche che descrivono il comportano
di determinati sistemi fisici, si trascurano, per semplicità,
molti elementi che non influiscono sulla struttura della
legge fisica, ossia si sostituisce il sistema fisico reale con un
modello, cioè una sua descrizione schematica.
Un modello è una descrizione semplificata di un insieme
di fenomeni, che si basa su osservazioni e su leggi
sperimentali.
#  Un modello consente di
fare delle previsioni (la
meccanica di Newton
prevede quando
avvengono le eclissi).
!  Un modello consente di
progettare dispositivi
tecnologici (la teoria della
relatività consente il buon
funzionamento del GPS).
I modelli e le leggi sperimentali hanno un campo di validità e
quindi di applicabilità.
Un modello è considerato valido dagli scienziati se è in
accordo con i dati sperimentali. Se un esperimento
contraddice una legge fisica, allora bisogna elaborare
un nuovo modello (una nuova teoria) che sia in
accordo con l’esperimento. Tuttavia il vecchio modello
non va scartato, perché continua a essere valido,
anche se in un ambito di fenomeni più ristretto.
Attenzione. La nuova teoria elaborata deve contenere in se
quella che ha soppiantato, ossia deve descrivere anche i
fenomeni che descriveva quella precedente.
Legge sperimentale e campo di applicabilità vanno sempre
insieme. Più vasto è il campo di applicabilità più la legge è
significativa, ossia più generale.
ESEMPIO - Fino agli inizi del novecento si pensava che la
meccanica di Newton descrivesse bene tutti i moti. Nel 1905
Einstein ha scoperto che le sue previsioni sono sbagliate
quando i corpi si muovono a velocità vicine a quella della luce.
La teoria della relatività è il modello che gli scienziati oggi
considerano valido per descrivere tutti i moti, e contiene in sé
la meccanica di Newton, nel senso che si riduce ad essa
quando le velocità in gioco sono basse.
I modelli scientifici non sono validi per sempre;
sono validi fino a prova contraria.
Le verità della scienza non sono assolute, ma provvisorie e
migliorabili. I modelli scientifici devono:
1)  basarsi su dati sperimentali, cioè su fatti;
2)  essere esposti alla falsificazione, cioè contenere
affermazioni che possano essere contraddette da
nuovi esperimenti.
Sono queste le regole della scienza, che ne garantiscono
la trasparenza, la solidità e la capacità di integrare
nuove scoperte in modelli sempre più completi e
generali.
Un modello piuttosto
articolato che integra
diverse leggi
sperimentali in un
quadro più vasto e
con un campo di
applicabilità molto
ampio viene detto
teoria.
Le teorie sono provvisoriamente vere.