lo scrigno di prometeo
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LO SCRIGNO DI PROMETEO COLLANA DI DIDATTICA, DIVULGAZIONE E STORIA DELLA FISICA Direttori Ettore G Università degli Studi di Milano Piero Caldirola International Centre for the Promotion of Science Comitato scientifico Sigfrido B Università degli Studi di Pavia Giovanni F Università degli Studi di Ferrara Marco Alessandro Luigi G Università degli Studi di Milano LO SCRIGNO DI PROMETEO COLLANA DI DIDATTICA, DIVULGAZIONE E STORIA DELLA FISICA La conoscenza completa delle leggi fisiche è la meta più alta a cui possa aspirare un fisico, sia che essa abbia uno scopo puramente utilitario. . . sia che egli vi cerchi la soddisfazione di un profondo bisogno di sapere e la solida base per la sua intuizione della natura. Max P La Fisica ha come scopo capire il rapporto tra l’uomo e la natura, non solo da un punto di vista scientifico, ma anche filosofico, e ha cambiato in modo irreversibile la nostra vita tramite le sue ricadute tecnologiche. La spiegazione e la divulgazione dei concetti che stanno alla sua base, dati quasi per scontati, ma lungi dall’essere noti o compresi da molti, e l’evoluzione delle tecniche sperimentali, che hanno permesso di scoprire le leggi che regolano i fenomeni naturali e delle teorie via via elaborate, sono perciò argomenti di studio e riflessione di rilevanza primaria. Questa collana si rivolge a chi abbia desiderio di approfondire o discutere questi temi ed è aperta a chi voglia collaborarvi con contributi originali. Giovanni Falcone Quando la scienza si poteva immaginare Copyright © MMXV Aracne editrice int.le S.r.l. www.aracneeditrice.it [email protected] via Quarto Negroni, Ariccia (RM) () ---- I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell’Editore. I edizione: settembre Al mio piccolo nipote Jonah Ludwig, ispiratore di tante immagini e stati mentali. Indice Introduzione Capitolo I La nascita della scienza moderna .. La fine del cielo delle stelle fisse, – .. La creazione del primo centro di ricerca, – .. L’importanza del giusto discepolo, – .. Gli anni mirabili dell’astronomia rinascimentale, – .. Galilei e il metodo scientifico, – .. L’osservatore e il sistema isolato, – .. Newton non poteva che essere copernicano, – .. La scelta riduzionista, . Capitolo II La fisica newtoniana .. Località e separazione, – .. Infinito potenziale e attuale, – .. I corpi e lo spazio, – .. Il tempo filosofico e quello geometrico, – .. Concetti e assiomi, – .. Il nesso causale newtoniano, – .. Il moto e i sistemi inerziali, – .. Il determinismo newtoniano, – .. Il problema dei due corpi, . Capitolo III Alla ricerca di un principio teleologico .. La luce e l’etere, – .. Il nuovo principio teleologico, – .. La rifrazione della luce, – .. Dal minor tempo al minor cammino ottico, – .. Il principio di minima azione, – .. Il principio di Hamilton, . Capitolo IV Alla ricerca degli elementi semplici .. L’aria e l’acqua non sono semplici, – .. Lavoisier, – .. Il fluido elastico, . Capitolo V Dell’essere e del divenire .. La sostanza e l’essere, – .. L’energia meccanica, – .. Il calore come calorico, . Quando la scienza si poteva immaginare Capitolo VI Clausius, l’energia e il divenire .. Equilibrio e variabili termodinamiche, – .. L’energia meccanica talvolta rassomiglia al calore, – .. Tra il calorico e l’energia, – .. L’espansione libera, – .. Carnot visto da Clausius, – .. Alla ricerca della nuova sostanza, – .. Non esiste l’essere senza il divenire, – .. L’entropia di Clausius, – .. Il divenire e l’espansione libera, – .. Entropia di un sistema e quella delle sue parti, – ... Il gatto Tibbles, – .. Entropia di mescolamento, – .. Il paradosso di Gibbs, – .. Il Terzo Principio della termodinamica, . Capitolo VII Clausius e la fisica moderna .. Il calore come moto molecolare, – .. Le molecole devono avere una dimensione, – .. Probabilità epistemica e ontologica, – .. La probabilità fa la sua comparsa in fisica, – .. La probabilità di fare una collisione, – .. Il futuro dipende solo dal presente, – .. Il valore medio, – .. L’equiprobabilità a priori, . Capitolo VIII La conoscenza probabilistica diventa scienza .. Maxwell, il fisico teorico, – .. La legge di stabilità statistica, – .. La distribuzione delle velocità molecolari, – .. Il diavoletto di Maxwell, – .. Boltzmann, il fisico–matematico, – .. Ci sono medie e medie, . Capitolo IX Al cuore dell’indagine statistica .. Le condizioni di equiprobabilità a priori, – .. Ontologia e metafisica del mondo microscopico classico, – .. L’esperimento di Bernoulli, – .. L’esperimento di Poisson, – .. La conoscenza scientifica diventa indiziaria, – ... Il diavoletto di Clausius, – ... Il diavoletto smemorato, – .. Il grado di imprevedibilità delle osservazioni, . Capitolo X Il divenire è probabilistico .. Un’equazione rivoluzionaria, – .. L’equazione di continui- Indice tà, – .. L’evoluzione verso l’equilibrio, – .. L’entropia collisionale di Boltzmann, – .. Il modello degli Ehrenfest, – .. Boltzmann si libera del modello collisionale, – .. L’entropia come numero degli stati accessibili al sistema, – .. Sul contare e l’infinito, – .. La funzione esponenziale e quella logaritmica, – .. Entropia e informazione, – .. Il problema delle costanti, – .. Dall’ordine al disordine, – .. L’ambiente, il divenire dei processi e la direzione del tempo, – .. Le fluttuazioni e l’esistenza degli atomi, . Capitolo XI Il tempo, la geometria e lo spazio .. La fine del tempo e dello spazio assoluto, – .. Il programma di Erlangen, – .. Una misura sulla giostra, – .. La geometria di Gauss, Lobachevskij e Bolyai, – .. La rivoluzione di Riemann, – .. La distanza tra due punti vicini, – .. La distanza sulla varietà può cambiare, . Capitolo XII La teoria della gravitazione di Einstein .. Il principio di equivalenza, – .. La teoria della relatività generale, – .. Lo spazio rimane euclideo solo localmente, . Capitolo XIII La logica, l’aritmetica e le macchine .. Il pensiero logico è vicino all’aritmetica, – .. Il pensiero logico è una particolare algebra, – .. Alla ricerca del linguaggio del pensiero logico, – .. Alla ricerca del linguaggio logico dell’aritmetica, – .. Le macchine potrebbero simulare il pensiero logico, – .. Dimostrare equivale a calcolare, . Capitolo XIV Darwin e il divenire dei sistemi biologici .. La simulazione numerica della natura, . Capitolo XV L’inizio della crisi delle ontologie classiche .. La radioattività naturale e l’elettrone, – .. La legge del decadimento radioattivo, – .. Il corpo nero: un nuovo modello teori- Indice co, – .. Planck segue Boltzmann, – .. Planck fissa l’unità elementare dell’energia, – .. Non fu Planck ad inventare la statistica quantistica, – .. L’effetto fotoelettrico, – .. Dove finisce il calore, . Capitolo XVI La duplice natura delle entità materiali .. L’atomo planetario, – .. L’atomo di Bohr, – .. Quando le particelle attraversano la materia, – .. Il principio adiabatico e quello di corrispondenza, – .. Einstein utilizza l’atomo di Bohr, – .. toc=Emissione e direzione casuale della radiazione elettromagnetica, – .. Le particelle di luce esistono, – .. Le onde di materia, . Capitolo XVII La nuova meccanica del mondo microscopico .. Il principio di esclusione di Pauli, – .. Lo spin dell’elettrone, – .. La meccanica delle matrici, – .. L’equazione delle onde di materia, – .. L’interpretazione di Copenaghen, – .. La fine del determinismo secondo Born, – .. Obiettività e realtà nella nuova meccanica, . Capitolo XVIII La fine delle ontologie classiche .. Einstein definisce la statistica dei bosoni, – .. Il principio del calore di Nernst, – .. Spazio delle fasi e principio d’indeterminazione, – .. Fermi e la statistica dei fermioni, – .. Dirac e le statistiche quantiche, – .. Il tratto più caratteristico della nuova meccanica: l’entanglement, – .. Inseparabilità e interazioni quantistiche, – .. La distinguibilità delle particelle e l’estensività dell’entropia, – .. Si deve partire dai mattoni o dalla casa?, . Conclusioni Introduzione Per relazionarci e capire il mondo che ci circonda abbiamo bisogno di imparare diversi linguaggi. Partendo dai linguaggi naturali approdiamo, nel corso della nostra crescita, ai linguaggi logici, quali quello filosofico o matematico. E ci viene insegnato che tutti i linguaggi si possono separare in due distinte categorie, quelli umanistici e quelli scientifici e che nella vita bisogna fare una scelta tra queste due categorie per trovare la giusta collocazione sociale. E così ciascuno di noi, avviandosi verso una specializzazione linguistica, perde le opportunità che offrono gli altri linguaggi. Ha scritto al riguardo il premio Nobel per la fisica, I.I. Rabi (-): La scienza è un’avventura dell’intera specie umana per imparare a vivere e forse ad amare l’universo in cui ci troviamo. Farne parte significa comprendere se stessi, iniziare a sentire che c’è una capacità dentro all’uomo che va ben oltre quella che egli pensava di avere [. . . ]. Io propongo che le scienze siano insegnate a qualunque livello, dal più basso al più alto, in modo umanistico. Dovrebbero essere insegnate con una certa comprensione storica, con una certa comprensione filosofica, con una comprensione sociale e una comprensione umana nel senso della biografia, del carattere delle persone che fecero questa costruzione, i trionfi, i tentativi, le tribolazioni . Anch’io feci la mia scelta linguistica e fu quella scientifica. Poiché la separazione tra le due categorie linguistiche è solo funzionale alla ricerca di un adeguato ruolo sociale, una volta consolidato il mio gruppo di ricerca, ho deciso di approfondire gli aspetti umanistici della mia disciplina. Ho ripreso vecchi libri che avevo letto con grandi sensi di colpa (dovevo pubblicare se volevo fare carriera) e con grande fatica ho imparato a soffermarmi laddove prima non avevo potuto. Poiché per capire un argomento ho sempre dovuto scrivere sull’argomen. D. C, G. H and J. R, Understanding Physics, Springer, New Your, , p. VII. Introduzione to, ho iniziato a pensare di scrivere un libro umanistico sul pensiero scientifico. Dovevo capire come erano emersi i concetti e quali erano i significati anche umanistici che essi esprimevano. Così ho ripercorso gran parte del pensiero scientifico moderno cercando anche elementi che potessero dare unità e continuità ad una narrazione che non poteva essere meramente tecnica. Dovevo tornare alle origini, quando il linguaggio scientifico si era formato separandosi da quello filosofico. Con grande meraviglia, man mano che comprendevo quello che prima avevo solo imparato, trovavo costante conferma di una vicinanza tra la ricerca scientifica e quella filosofica. E la ricerca scientifica, in particolare la fisica, mi appariva sempre più come una ricerca intorno alla natura delle entità materiali e al loro divenire. La fisica, al pari della filosofia, ha delle chiare intuizioni ontologiche circa le entità materiali che non sono particolari, come vuol far crede una certa parte della filosofia, ma sono altrettanto generali come quelle della filosofia. La fisica, come le altre scienze, si differenzia dalla filosofia solo per il differente carattere metafisico della sua ricerca. Scrive il filosofo, A. Varzi: Come i fisici giungono a postulare l’esistenza di certe entità (per esempio i quark) per spiegare determinati fenomeni, [. . . ] così il filosofo può giungere a ipotizzare l’esistenza di certe entità (per esempio le proprietà) al fine di spiegare fenomeni di altra natura; [. . . ] come i fisici mirano a verificare o confutare le loro ipotesi mediante ragionamenti ed esperimenti di laboratorio, [. . . ] così i filosofi mirano a verificare o confutare le proprie ipotesi ontologiche, [. . . ] mediante ragionamenti ed esperimenti di pensiero . La metafisica, in senso moderno, è la ricerca della natura delle entità ontologiche. Alle ipotesi della fisica non viene concesso, a priori, il carattere ontologico perché esse sono troppo particolari e non generali come quelle della filosofia, sostiene il filosofo. E in questo la filosofia moderna non si discosta dalla sua tradizione. La verifica delle ipotesi ontologiche, cioè la ricerca metafisica, è palesemente differente nei due linguaggi. Entrambi usano “ragionamenti”, ma la fisica preferisce . A. V, Ontologia, Laterza, Bari, ; p. . Introduzione ai soli esperimenti di pensiero, anche quelli di laboratorio. In altre parole, la fisica aggiunge un altro tipo di indagine e di verifica. Il nucleo centrale di questo libro narra del sorgere e dell’affermarsi “dell’idea ingenua di realtà che considerava le particelle della fisica atomica come se fossero minuscoli granellini di sabbia” . Ripercorreremo le fasi della fondazione e i primi passi che furono fatti per costruire il nuovo linguaggio scientifico per capire poi come si arrivò alle ipotesi atomiche. Discuteremo delle ipotesi ontologiche sulla natura delle entità microscopiche e del modo in cui le inferenze probabilistiche diventarono conoscenza scientifica. E dovremo capire come si cercò di coniugare la reversibilità delle leggi microscopiche con la irreversibilità dei processi del mondo macroscopico. E la nostra narrazione si concluderà quando il mondo microscopico, pensato a somiglianza del mondo macroscopico, sparì per fare posto ad un nuovo mondo, quello quantistico, che era perfino difficile da immaginare. . M. B, Discorso per il premio Nobel per la fisica, . Capitolo I La nascita della scienza moderna La fisica studia le entità materiali più semplici e come queste si mettono insieme a formare entità sempre più complesse. Ci limiteremo, tuttavia, a narrare di come gli atomi di Democrito siano diventati atomi scientifici e ci fermeremo quando non sapremo più immaginare questi atomi, non riuscendo più ad inquadrarli in nessuna delle categorie concettuali, all’interno delle quali organizziamo la nostra esperienza quotidiana del mondo. Gli oggetti fisici hanno come predicato il cambiamento e di conseguenza possiamo affermare che la fisica studia anche il divenire nella natura. La fisica non indaga il divenire in sé. Il divenire della fisica non è inteso come qualcosa di assoluto perché esso non è indipendente dagli oggetti della sua indagine. Sono i sistemi fisici che sono soggetti al divenire. E non esiste un solo divenire, ma si dovranno indagare diversi divenire. Alcune grandezze fisiche non mutano pur essendo i sistemi sottoposti a cambiamento. Sono quelle che Aristotele chiamava sostanze. La sostanza è ciò che non ha bisogno di nient’altro per esistere. Essa è causa sui: la causa di sé è in se stessa e non in altro. Tuttavia, una prerogativa della sostanza è la possibilità di cambiare, conservandosi. Quindi, il raggiungimento della comprensione e individuazione di una sostanza deve contenere diversi elementi. La sua individuazione, la sua conservazione e il suo divenire. .. La fine del cielo delle stelle fisse Con l’annessione dell’Egitto, nel a.C., tutti i paesi che si affacciavano sul Mediterraneo erano sotto il controllo del nascente impero romano. Nei successivi tre secoli la “pace romana” sarà portata a tutto Quando la scienza si poteva immaginare l’occidente. Dell’antica civiltà ellenica e della sua capitale culturale, Alessandria d’Egitto, nel terzo secolo d. C. rimarrà ben poco. Tuttavia, fu proprio in Alessandria che un astronomo, Claudio Tolomeo, nel d. C., preparò un progetto completo, in maniera più sistematica di quanto fosse stato fatto fino ad allora, sulla determinazione della posizione dei pianeti. E il suo lavoro fu raccolto in un libro. In esso, l’osservazione del moto dei pianeti veniva fatta nella maniera più naturale per allora, ponendo l’origine del sistema di riferimento sulla Terra. La tecnica di descrizione era basata sulla geometria euclidea che richiedeva che tutto fosse fatto con riga e compasso. Era, per l’epoca in cui fu proposta, la scelta più semplice e naturale. Come spesso accade, con il passare del tempo, la proposta tolemaica divenne la visione cosmologica prevalente (visione geocentrica). La descrizione tolemaica riusciva piuttosto bene nel suo compito e nel corso dei secoli la descrizione geocentrica del sistema solare si trasformò in una concezione del mondo. E la chiesa cristiana, una volta diventata chiesa di stato, non poté fare a meno di appropriarsi di questa visione: la concezione tolemaica divenne l’unica visione del mondo compatibile con le Sacre Scritture. Negare la visione geocentrica equivaleva a negare le Sacre Scritture. Per fare proposte quantitative occorrevano astronomi in grado di valutare la tecnica tolemaica e proporre eventuali modifiche. Il primo astronomo che fece una proposta alternativa sul moto dei pianeti del sistema solare fu N. Copernico (-). Nel , nel giorno della morte di Copernico, fu data alle stampe la sua opera “De rivolutionibus orbium coelestium” in cui l’autore sosteneva che si poteva ottenere una descrizione più semplice delle posizioni dei pianeti se l’origine del sistema di riferimento da utilizzare per descrivere il moto dei pianeti si poneva sul Sole (visione eliocentrica). Copernico non era stato il primo ad elaborare una visione del mondo che vedesse al centro dell’universo il Sole, tuttavia fu il primo che, dopo tanti secoli, aveva elaborato un sistema quantitativo per descrivere il moto dei pianeti. Per una serie di motivi che cercheremo di delineare, la scelta tra il sistema geocentrico di Tolomeo e quello eliocentrico di Copernico divenne l’argomento del dibattito scientifico (e non solo) e si concluse con la nascita della scienza fisica, il cui metodo, nel corso dei secoli, divenne il paradigma di ogni conoscenza scientifica. Sono stati scritti fiumi di parole, scritti una miriade di libri, analizzati numerosi . La nascita della scienza moderna aspetti delle radici della rivoluzione che portò alla nascita del mestiere di scienziato nel senso moderno del termine. Innanzitutto, la nascita della scienza fisica e del suo metodo non furono l’opera di un solo individuo ma di una intera comunità di filosofi, astronomi e governanti illuminati. Citarli tutti e mostrare il loro contributo è un’impresa ardua per chiunque. Non rimane che essere parziali e proporre la propria personale visione, che essendo sintetica, è sicuramente piena di lacune. Lo scopo della presentazione sarà quello di individuare i caratteri distintivi della conoscenza scientifica classica. Sostenere che la scienza fisica sia nata nel sedicesimo secolo non vuol dire affermare che prima di allora non vi sia mai stata alcuna forma di conoscenza scientifica , anche diffusa. Solo che essa si realizzò, nel sedicesimo secolo, nella forma che poi si sarebbe sviluppata nei secoli successivi per arrivare fino ad oggi. Non definiremo i caratteri che distingueranno la conoscenza scientifica e con essa il metodo scientifico ma li faremo emergere analizzando quello che oggi chiamiamo il problema di Keplero: il moto dei pianeti del sistema solare. Inizieremo dalla “presa dati” di Tycho Brahe (-), come si dice oggi, poi passeremo “all’analisi dei dati” fatta da Keplero (-) per arrivare alla formulazione della “teoria” di Newton (-) che seppe spiegarli. La figura di Galileo Galilei (-) apparirà in quel ruolo centrale che tutti gli riconoscono. .. La creazione del primo centro di ricerca Per poter decidere tra due visioni contrapposte del moto dei pianeti occorreva avere dati certi. L’astronomo danese, Tycho Brahe, si era reso conto che sia Tolomeo che Copernico avevano usato dati astronomici piuttosto approssimati e quindi poco adatti ad avallare una scelta tra il modello geocentrico e quello eliocentrico, per cui decise che era tempo di prendere dati astronomici molto più precisi. Si rese conto che per prendere i dati con la precisione che voleva raggiungere aveva bisogno degli strumenti adatti. Gli strumenti a cui Brahe pensava erano estremamente costosi e non essendo eccezionalmente ricco non aveva alcuna possibilità di costruire i suoi strumenti. Allora si . L. R, La rivoluzione dimenticata, Feltrinelli, Milano .
