FISICA E FILOSOFIA - BookSprint Edizioni

FISICA E FILOSOFIA
Viaggio nell‟incerto e affascinante mondo della fisica
Giorgio Roncolini
FISICA E FILOSOFIA
Viaggio nell‟incerto e affascinante mondo
della fisica
INTRODUZIONE
Questo libro nasce da una serie di corsi intitolati “Fisica e
Filosofia”, che ho tenuto negli ultimi anni presso
l‟Università della Terza Età di Torino (Unitre).
L‟idea di organizzare dei corsi finalizzati alla
divulgazione, seppure rigorosa, delle più recenti
conquiste della fisica mi è nata a seguito della mia
cessazione dall‟attività lavorativa.
Essendo laureato in fisica ed avendo continuato a
seguirne con passione gli sviluppi, mi era parso
interessante condividere con persone “curiose” le
conoscenze, le riflessioni e la visione del mondo che
nascevano da tali sviluppi.
Per prima cosa ho dato una bella rinfrescata alle mie
conoscenze teoriche, con la lettura di numerosi libri
(divulgativi e tecnici) sui vari argomenti che avrei voluto
trattare e andando ad aggiornarmi frequentando un paio
di corsi universitari sui temi che maggiormente ritenevo
potessero essermi di aiuto. Mi presentavo al docente e
chiedevo il permesso di seguire le sue lezioni, insieme
con i suoi studenti “regolari”, permesso che mi è stato
sempre concesso.
Certo, poter seguire dei corsi universitari, senza obbligo
di esame, senza giudizio finale, rendeva particolarmente
piacevoli le lezioni e forse generava una qualche
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“invidia” negli studenti, tutte persone che avevano quasi
40 anni meno di me.
Fatto questo passaggio ho cominciato a progettare un
primo corso e ne ho sottoposto il programma alla
direttrice dei corsi dell‟Unitre. La prima reazione fu
negativa: mi scrisse che non riteneva il corso adatto,
perché troppo specialistico e forse difficile. Le chiesi un
appuntamento e le illustrai meglio di quanto trasparisse
dal programma il contenuto e soprattutto le finalità e la
metodologia che intendevo utilizzare.
Era mia intenzione illustrare i contenuti della moderna
fisica teorica e discutere come gli scienziati (e i filosofi)
fossero giunti a modificare così radicalmente il modo di
pensare e di descrivere il nostro mondo. Avevo in mente
tre grandi argomenti: la Teoria della Relatività di
Einstein, la Meccanica Quantistica e la Cosmologia.
Avrei sviluppato i temi senza quasi fare ricorso alle
notazioni matematiche, se non in un numero
limitatissimo di casi in cui il formalismo matematico non
sarebbe stato di alcun imbarazzo per il pubblico
(all‟inizio del corso dissi che era sufficiente la
conoscenza delle quattro operazioni e del teorema di
Pitagora, che comunque richiamai); avrei inoltre
corredato i vari risultati con una visione filosofica,
cercando di esporre il significato fisico, logico e culturale
delle varie teorie. Avrei cercato di sottolineare come
molti dei risultati raggiunti rappresentassero delle vere e
proprie ”rivoluzioni culturali”, oltre che scientifiche,
mettendo in crisi numerosi concetti derivati dal buon
senso, dall‟esperienza quotidiana e dalla tradizione dei
fisici. Delle argomentazioni che adottai, mi pare fosse
rimasta colpita dal significato del Principio Antropico,
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spesso invocato in cosmologia, che le illustrai
brevemente.
Si convinse e mi affidò il corso.
Così iniziai il primo corso nell‟autunno 2005, e commisi
il primo errore. Sì, perché cercai di dire troppe cose (mi
parevano tutte così importanti …) e, nel corso dell‟anno,
dovetti più volte modificare il programma per dare spazio
ad approfondimenti che il pubblico richiedeva. Poco alla
volta mi resi conto che bisognava andare più lentamente,
richiamando anche più volte, se necessario, concetti e
considerazione già fatte, senza avere fretta di “andare
avanti”.
Da quel primo corso si sono susseguite, ad oggi, sei
edizioni, ognuno focalizzata su argomenti diversi, avendo
via via aggiunto considerazioni di carattere
epistemologico, di storia del pensiero scientifico, di
filosofia della fisica, considerazioni sul dibattito attorno
al concetto di “reale”, oltre che accenni a quanto in questi
ultimi anni stava avvenendo nel mondo della ricerca
scientifica o semplicemente nel mondo (v. es. l‟incidente
nucleare di Fukushima in Giappone o la creazione dei
presunti mini buchi neri negli esperimenti del Cern a
Ginevra). Da allora una cinquantina di persone ha
annualmente seguito i corsi. In essi abbiamo discusso di
teoria della relatività di Einstein, di fisica quantistica e
dei suoi innumerevoli misteri e interpretazioni, di
cosmologia, di fisica delle particelle e fisica nucleare, di
teoria dei sistemi complessi (come ad esempio la
climatologia e le previsioni del tempo) e del fascino che
alcune teorie esercitano, dello strano mondo delle
“stringhe”, strano perché contempla un mondo con molte
più dimensioni delle tre a noi note.
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Mi ero anche “lanciato”, insieme con uno psicanalista e
un ingegnere-pittore, a svolgere un corso “parallelo” sul
linguaggio della scienza a fronte di quello dell‟arte e
della psicanalisi, ma questo non sarà oggetto di questo
libro.
Questo libro intende esporre in maniera sistematica gran
parte degli argomenti trattati nelle diverse edizioni del
corso ed è rivolto ad un pubblico generico, ma curioso di
conoscere l‟evoluzione del pensiero scientifico dall‟inizio
del „900 ad oggi e spero affascinato dai tanti misteri che,
nonostante i grandiosi successi della moderna fisica
teorica, tutt‟ora permangono ben nascosti in seno alla
Natura.
Il libro, a mio parere, dovrebbe essere di interesse anche
per i ragazzi che frequentano l‟ultimo anno dei licei e dei
loro insegnanti, come materiale di approfondimento e
aggiornamento delle materie scientifiche scolastiche.
Questo libro è dedicato ai tanti “studenti” che hanno
avuto la pazienza di seguire le mie lezioni.
Torino, settembre 2011
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NOTA
Nel testo viene spesso utilizzata, soprattutto per indicare
numeri molto grandi o molto piccoli, la notazione
scientifica, basata sulle potenze di 10.
Questa notazione ha il pregio di essere molto compatta e
di rendere più facili alcuni calcoli.
Così per indicare il numero 1000 (1 seguito da 3 zeri), si
scrive 103, intendendo con ciò 10x10x10.
Così 109=10x10x10x10x10x10x10x10x10 (9 volte)
indica il numero 1 seguito da 9 zeri (1 miliardo), il
numero 1012 indica 1000 miliardi, ecc.
In questa notazione 10 è chiamata la base ed il numeretto
scritto in alto a destra esponente.
E‟ necessario non farsi ingannare da numeri con
esponenti vicini: ad esempio 1021 e 1024, sono l‟uno 1000
volte più grande (o più piccolo) dell‟altro. Al crescere
dell‟esponente di una unità il valore del numero cresce 10
volte.
Allo stesso modo si indica con 10-3 il numero 1/103, e
cioè 0,001, un millesimo; 10-6 un milionesimo; 10-9 un
miliardesimo.
Si possono anche usare basi diverse da 10; una delle più
comuni è il numero 2, usato nell‟informatica.
In questo caso si ha, ad esempio, 2x2 = 22 = 4;
2x2x2x2x2x = 25 = 32.
Il valore di un numero con esponente cresce rapidamente
col valore dell‟esponente. Per convincersene basti questo
esempio. Prendiamo un foglio di carta di spessore 0,1
mm e pieghiamolo in due, lo spessore sarà 0,1x2; se lo
pieghiamo una seconda volta sarà 0,1x2x2 = 0,4 mm; se
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lo pieghiamo 5 volte sarà 0,1x 2x2x2x2x2 = 0,1x25 = 3,2
mm. Quanto diventerà spesso il nostro foglio di carta se
lo pieghiamo 40 volte? Forse non ci crederete, ma 240
vale circa 1012, dunque lo spessore del nostro foglio di
carta è diventato 0,1x1012 mm, cioè circa 100 mila Km
(quasi un terzo della distanza Terra-Luna) !
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“L‟esperienza più bella che
possiamo avere è il mistero. E‟
l‟emozione fondamentale alla base
della vera arte e della vera
scienza. Chi non sa cos‟è e non sa
più sognare o meravigliarsi, è
come morto, e il suo sguardo è
spento.”
(Albert Einstein)
“Siamo una varietà di scimmie su
un pianeta secondario di una stella
insignificante. Ma siamo in grado
di capire l‟Universo.”
(Stephen Hawking)
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1.
LA FISICA DELL’OTTOCENTO E LA
CRISI DI INIZIO NOVECENTO
Alla fine del XIX secolo gli scienziati consideravano
l‟immenso edificio della fisica, eretto nei trecento anni
che vanno da Galileo a quei giorni, pressoché
completato. Tutte le leggi fondamentali della natura
erano state scoperte, ogni fenomeno sembrava
riconducibile a quelle leggi
Si racconta che uno dei massimi scienziati inglesi
dell‟epoca, Lord Kelvin, affermasse che il compito che
restava ai fisici era quello di affinare, con qualche
decimale in più, il valore delle costanti fisiche che
intervengono nelle leggi di natura.
Che cos‟era la fisica di fine „800? Essa era costituita da
tre grandi capitoli.
a). La Meccanica, la scienza cioè del movimento, la cui
formulazione rigorosa (teorico-sperimentale) era stata
iniziata da Galileo e si era sviluppata soprattutto ad opera
di Newton che aveva portato la meccanica ad un punto
altissimo, con la formulazione delle sue tre legge della
dinamica:
- il principio di inerzia (già scoperto da Galileo)
con cui si afferma che un corpo, se non è soggetto
a forze esterne, mantiene il suo stato di moto
rettilineo uniforme;
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- la famosa legge del moto F = ma, ove si afferma
che se ad un corpo di massa m si imprime una
forza F, questo subisce una accelerazione a;
- il principio di azione e reazione, che afferma
che ogni azione genera una reazione uguale e
contraria.
L‟altra notevolissima scoperta di Newton fu la legge di
gravitazione universale. Questa legge, valida in tutto
l‟universo, afferma che due copri di massa m1 e m2,
posti a distanza r, si attirano con una forza F (che quindi
genera un moto accelerato) proporzionale al prodotto
delle masse ed inversamente proporzionale al quadrato
della distanza. In formule:
F G
m1  m 2
r2
Nella precedente formula G è una costante universale1
che prende il nome di costante gravitazionale di Newton.
L‟edificio eretto da Newton era stato poi completato e
molto raffinato dal matematico torinese Joseph-Louis
Lagrange (1736,1813), e dai matematici William Rowan
Hamilton (1805-1865) e Carl Gustav Jacobi (1804-1851).
b). L‟Elettromagnetismo, la scienza cioè dei fenomeni
elettrici e magnetici. Questa branca della fisica si è
sviluppata lungo tutto il XVIII e XIX secolo ad opera
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Universale significa che si ritiene che il suo valore 6,67x10 -11
nt.m2/kg2 sia uguale in tutto l‟universo e in tutti i tempi.
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soprattutto di scienziati quali Volta, Gilbert, Coulomb (il
quale dedusse per le cariche elettriche una relazione del
tutto simile alla legge di gravitazione universale, ove al
posto dei valori delle masse vanno posti quelli delle
cariche elettriche ed al posto della costante gravitazionale
una nuova costante), Ampère, Young, Oersted, Faraday:
culminò con l‟opera di Maxwell che riuscì a racchiudere
il comportamento di tutti i fenomeni elettromagnetici
nelle sua famose quattro equazioni.
Faraday aveva introdotto un nuovo concetto che
diventerà di capitale importanza in tutta la fisica
successiva: il concetto di campo. Vediamo di chiarirne il
significato.
Tutti conosciamo l‟esperimento della
limatura di ferro e della calamita. Le piccole particelle di
ferro si dispongono secondo le linee di forza della
calamita e questo perché la calamita crea tutto intorno a
sé un campo magnetico.
Il campo magnetico è dunque la modificazione delle
proprietà dello spazio indotto dalla presenza di un
magnete. L‟ago della bussola punta a nord perché
reagisce al campo magnetico terrestre. Analogamente il
campo elettrico è la modificazione delle proprietà dello
spazio indotta da cariche elettriche statiche o in
movimento, come quelle di una corrente elettrica.
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