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ITCG CATTANEO CON LICEO DALL’AGLIO – via Matilde di Canossa, 3 – Castelnovo ne’ Monti (RE)

Sezione ITI – Corso di Fisica – prof. Massimo Manvilli

Breve introduzione alla Fisica moderna

Un tempo, quando un lampo improvviso

rompeva I’ oscurità, gli uomini

interrogavano gli oracoli per conoscere la

ragione dell'ira divina. .

Oggi, davanti al balenare di un fulmine, gli

interrogativi che l'uomo si pone sono diversi

da quelli dei nostri antenati.

Perché se sentiamo il tuono possiamo essere

certi che c'è stato un lampo?

Perché la radio crepita durante un

temporale?

E possibile localizzare con il radar il punto

in cui è avvenuta una scarica temporalesca? .

A tutte queste domande gli scienziati hanno

saputo dare una risposta, non interrogando gli

oracoli, ma la Natura stessa.

E’ nata così la Fisica (dal greco

“Fisis”=Natura), che ha lo scopo di raccontare

quello che nel corso dei secoli abbiamo imparato

a conoscere intorno al mondo che ci circonda, in

quale modo siamo riusciti a scoprirlo, e di

prepararci la strada a nuove e più difficili

conquiste.

Nella fotografia, una sequenza eccezionaledi fulmini, sopra l'osservatorio astronomicodi Kitt Peak, in Arizon

1.1 � Magia e scienza

I primi uomini credevano che gli eventi fossero dominati da esseri soprannaturali. Gli aruspici leggevano il futuro dalle �viscere degli animali sacrificati e gli stregoni cercavano dicostringere o indurre le divinità a modificare il corso degli eventi con riti magici e danze propiziatrici. Naturalmente, finché gli uomini furono convinti che l'universo fosse governato da divinitàcapricciose, la scienza non poté svilupparsi, perché � fu solo prerogativa di maghi e sacerdoti, che

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avevano interesse a far credere alla gente che qualsiasi tentativo di svelare i segreti della natura

avrebbe fatto adirare le divinità preposte alla nostra salute e alle forze naturali.

I primi indizi di cambiamento che portarono successivamente alla nascita di una scienza "autonoma",

non legata alle pratiche religiose o magiche, risalgono al V secolo a.C.

Furono gli antichi greci ad avviare per primi il movimento destinato a modificare profondamente la

situazione. È opinione comune che questo movimento abbia avuto la sua origine nelle città greche

dell'Asia Minore (l'antica Ionia) e in particolare a Mileto Secondo la tradizione, Talete e, dopo di lui,

Anassimandro e Anassimene furono i primi filosofi dell'antichità ad abbandonare la prospettiva

mistico-religiosa per dedicarsi all’osservazione dei fenomeni naturali.

Per questi filosofi ciascun �evento doveva avere una causa e una data causa doveva produrre sempre

lo stesso effetto (è il cosiddetto “Determinismo”); inoltre l'uomo aveva in sé la capacità di

comprendere per mezzo del ragionamento, senza ricorrere alla magia � o alla rivelazione, le molteplici

vicende della natura: sia quelle regolari come il ciclo delle stagioni e della Luna, l'alternarsi del dì e

della notte e la rivoluzione delle stelle nel cielo, sia quelle irregolari, come inondazioni e terremoti,

tempeste e fulmini, sia quelle rare e più strane, come le eclissi di Sole e di Luna o la formazione degli

arcobaleni dopo un temporale.

Questa convinzione ha trovato negli scienziati d'oggi gli eredi naturali degli antichi filosofi della Ionia.

La ricerca scientifica, infatti, presuppone che i fenomeni della natura obbediscano a regole generali

che conferiscono all'universo una struttura razionale e permettono di fare previsioni.

Nel campo d'indagine proprio della fisica queste regole generali si chiamano leggi fisiche che

permettono di fare previsioni più o meno accurate. Questo è possibile se esse sono espresse in

forma matematica, ossia mediante un'equazione nella quale compaiono i valori delle grandezze dalle

quali dipende lo svolgimento dell'evento osservato. Questa equazione costituisce la formula

matematica della legge ( che rappresenta comunque sempre un “modello matematico”, più o meno

approssimato, della realtà , che può essere modificato o perfezionato nel tempo).

In questo senso la Matematica viene considerata da alcuni non una materia “scientifica” , ma

semplicemente lo studio del linguaggio della natura e dell’universo.

Così si esprime Antonino Zichichi scienziato italiano di fama mondiale, principale protagonista della

moderna ricerca scientifica, fondatore e dirigente del Centro di Cultura scientifica Ettore Majorana,

dotato della straordinaria capacità di spiegare in modo semplice , ma

concettualmente corretto, temi e concetti scientifici complessi, nel libro

“Scienza ed emergenze planetarie” - Ed. Rizzoli, 1996 . :

“… Come diceva Galilei , fare un esperimento, quindi una scoperta, è come riuscire a

decifrare una frase scritta nel libro della Natura. Chi sa leggere il Libro della Natura non

si occupa di studiare le applicazioni possibili di una scoperta. La scienza ha permesso

all’uomo di capire che il creato non si regge sul caso, ma su precise Leggi Fondamentali.

Lo scienziato ama il Libro della Natura : più lo legge e più ne rimane affascinato . ….”

(In questa frase si intuisce fra l’altro la forte distinzione tra Scienza e

Tecnologia su cui l’autore ha sempre insistito, anche nell’ambito delle sue

numerose apparizioni televisive)

1.2 Il metodo sperimentale e la nuova scienza di Galileo

I filosofi greci erano convinti che il funzionamento dell'universo potesse essere compreso con l'aiuto

della sola ragione. Per loro la discussione e la riflessione era tutto quello che occorreva per ap-

profondire qualunque problema.

La convinzione che l'universo fosse razionale e che fosse possibile spiegarne i particolari deducendoli

da principi generali come si fa in matematica (soprattutto in geometria), aiutarono all'inizio i Greci a

liberarsi dalle superstizioni, ma li tennero lontano dai problemi pratici e tecnici, dai quali la scienza

trae la sua linfa vitale con l'osservazione e la sperimentazione.

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Per esempio, Aristotele (Stagira 384 a.C. – Calcide 322 a.C.), il più

grande filosofo dell'antichità, era convinto che la scienza dovesse essere

solo un'attività creativa dello spirito, pura contemplazione che non doveva

porsi come obiettivo la risoluzione di problemi pratici.

Malgrado questa impostazione astratta e aprioristica (cioè basata su principi

generali ritenuti veri senza un adeguato conforto dell'esperienza),

Aristotele fu un abile promotore di ricerche in ogni campo dell'umano

sapere e pervenne a risultati molto importanti per la sua epoca. Fu autore,

tra l’altro anche dell’opera intitolata “La Fisica ” in cui descrive e cerca di

spiegare la meccanica dei vari tipi di movimento.

Egli apparve agli occhi dei contemporanei , degli studiosi e dei suoi seguaci così saggio e geniale che

le sue dottrine e la sua concezione dell’Universo vennero considerate verità assolute e non

modificabili ; la fisica aristotelica infatti, nonostante i suoi non trascurabili errori di fondo, messi

successivamente in evidenza da Galileo Galilei (ed altri) , imperò per circa due millenni!!!

Secondo Aristotele la Terra era immobile al centro dell’universo, circondata da nove sfere

trasparenti concentriche; la prima era quella della luna e l’ultima quella

del “primo motore ” che faceva muovere l’intero creato, cioè Dio (il

cosiddetto “motore immobile ”).

Questa concezione di Dio e di un universo perfetto ed immutabile ben si

adattava alla Bibbia e risultò particolarmente “rassicurante ” anche in

epoca come quella medioevale caratterizzata da grande incertezza.

La grande autorità di Aristotele in tutta l'Europa fu probabilmente la

ragione principale per cui, fino al XVI secolo, si continuò a credere in una

concezione astratta della scienza, inducendo intere generazioni di uomini

e di filosofi a credere di aver risolto molti problemi che invece erano stati

appena impostati.

Aristotele era discepolo di Platone che teorizzava una forma del mondo sferica con ogni movimento

circolare a velocità costante in quanto la forma sferica era perfetta, omogenea dal centro fino agli

estremi, e I'omogeneo era infinitamente più bello del disuguale.

Con Aristotele quindi il sapere “si cristallizza ” , bloccando anche le tesi dei pitagorici che avevano

ipotizzato il movimento del nostro pianeta attorno al sole e degli atomisti che postulavano un

universo infinito, e tale rimarrà fino ai tempi di Copernico e Galileo .

Da un racconto di Galileo Galilei"Mi trovai un giorno a casa di un medico, molto stimato in Venezia, dove alcuni per interesse scientifico e altrisoltanto per curiosità si radunavano talvolta per esaminare qualche 'pezzo anatomico'. E accadde un giorno che siandava ricercando l'origine e la nascita dei nervi: argomento sul quale si trovavano in contrasto i medici di due scuolediverse. Lo studioso del corpo umano che presentava quei pezzi fece osservare il ceppo dei nervi che, partendo dalcervello e passando attraverso la nuca, si andava poi distendendo per lo spinale (cioè per la spina dorsale e sidiramava per tutto il corpo, mentre solo un filo sottilissimo arrivava al cuore. Quindi, rivolto a un filosofo, glidomandò se fosse convinto che i nervi partono dal cervello e non dal cuore. I1 filosofo rispose: 'Voi mi avete dimostratoquesto fatto con argomenti molto convincenti, e se i libri di Aristotele non fossero di parere contrario, bisognerebbe darviragione'" (!!!!) (rid. e adatt. da Storia figurata delle invenzioni, di U. Eco e G.B. Zorzoli, Bompiani.)

Dobbiamo soprattutto al grande scienziato Galileo Galilei (Pisa 1564 – Arcetri

1642) il merito ed il coraggio di aver rotto con la tradizione aristotelica,

rivendicando di fronte ai filosofi il valore dell'esperienza.

Per Galileo, come per gli scienziati moderni, la sola discussione non basta per svelare

i segreti della natura, perché bisogna provare con i fatti i nostri ragionamenti: solo le

idee e i ragionamenti che possono essere controllati empiricamente hanno valore

per la scienza. Con lui nasceva un nuovo metodo per interrogare la natura, il

cosiddetto metodo sperimentale, che apriva un solco tra la scienza aristotelica e

“ la nuova scienza ” di Galileo �.

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Tale metodo può essere schematizzato in quattro fasi : 1-Osservazione

2- Esperienza

3- Ipotesi

4- verifica

Definisce quindi una nuova e razionale metodologia di ricerca scientifica che prevede la riproduzione

artificiale di un fenomeno, con dispositivi appositamente costruiti, in modo da giungere ad una

valutazione quantitativa (mediante misure) e��������������������������������������������������������� quindi alla formulazione matematica di una o più leggi.

Secondo Galileo il compito della Fisica non era di spiegare il perché un fenomeno accade , ma capire

come accade e quali sono le regole che ne determinano lo svolgimento in modo da renderlo

prevedibile e quindi controllabile (.. e magari anche sfruttabile a nostro vantaggio).

Contro Galileo crebbe, giorno dopo giorno, l’avversione degli �������aristotelici �che vedevano

pericolosamente minati, dalle nuove scoperte ed argomentazioni dello scienziato che scardinavano i

fondamenti della filosofia dominante, i loro privilegi accademici.

La scienza dei fatti si avvia a diventare la scienza per tutti e non un patrimonio di conoscenze

appannaggio di una ristretta schiera di “eletti”.

Il forte sostegno alla teoria eliocentrica copernicana (pubblicata dal polacco

Nicolò Copernico nel “De rivolutionibus Orbium celestium” nel 1543),

supportato dalle sue famose osservazioni astronomiche col cannocchiale, nei

confronti di quella tolemaica (pubblicata nel famoso

“ Almagesto” da Tolomeo, vissuto nel II secolo d.C. ad Alessandria d’Egitto )

determinò l’avversione degli ambienti ecclesiastici che, nonostante la grande

ammirazione nutrita nei suoi confronti dal papa Urbano VIII e la sua

ritrattazione in tarda età, culminò nella condanna alla prigione a vita,

commutata poi negli arresti domiciliari fino alla morte avvenuta ad Arcetri .

Nikolaj Kopernik

1.3 La moderna ricerca scientifica

Il punto essenziale della impostazione moderna del metodo sperimentale di Galileo sta nella possibilità

che abbiamo di "confutare" empiricamente le nostre ipotesi sottoponendole alla prova dei fatti. In

questo senso, il lavoro di uno scienziato moderno che accetta il metodo di Galileo è simile a quello di

un detective alle prese con un problema poliziesco da risolvere.

Ecco cosa scrivono in proposito A. Einstein e L. Infeld in “L'evoluzione della fisica “(Boringhieri):

"[...] in quasi tutti i romanzi gialli viene il momento in cui l'investigatore ha raccolto

tutti gli indizi occorrenti per arrivare, per lo meno, a una certa tappa della sua

soluzione. Quei fatti sembrano spesso strani, incoerenti e senza alcun rapporto tra

loro. Ciò malgrado l'acuto detective si rende conto che per il momento non è il

caso di spingere più oltre le ricerche e che soltanto la pura riflessione perverrà a

stabilire una correlazione tra i fatti accertati. Egli si mette allora a suonare i violino

o si sprofonda nella sua poltrona fumando la pipa, e, vedi miracolo, ad un tratto

scopre la correlazione. Anzi, non soltanto trova una correlazione fra gli indizi che

gli sono già noti, ma si rende altresì conto che devono essersi prodotti alcuni

avvenimenti non ancora constatati. E siccome ora vede chiaramente da che lato

bisogna cercare, può, se gli garba, awiarsi a raccogliere ulteriori conferme della su

teoria." Albert Einstein

Allo stesso modo uno scienziato, impegnato nella soluzione critica di un problema riguardante la

natura, per uscire dalle difficoltà in cui si trova, ricorre alla formulazione di supposizioni, basate

naturalmente sulle osservazioni e sulle conoscenze di cui dispone, sotto forma di ipotesi definite che

potrebbero condurre a una soluzione; quindi esamina le conseguenze logiche della sua teoria e se ne

serve per fare previsioni che devono essere verificate alla luce dei risultati di future osservazioni.

Se gli esperimenti, una volta eseguiti, non concordano con le previsioni della teoria, allora questa è

sbagliata e deve essere abbandonata.

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Se, invece, le previsioni trovano una conferma nei fatti (cioè negli esperimenti realizzati secondo le

specifiche del loro ideatore anche in altri laboratori e da altri scienziati), la teoria ha tem-

poraneamente superato il controllo e ce ne possiamo servire per prevedere nuovi esperimenti e

sottoporla a nuovi e ulteriori verifiche. Naturalmente un controllo positivo può sostenere una teoria

solo temporaneamente perché può sempre accadere che essa sia scalzata, prima o poi, da qualche

fatto nuovo, come in verità è avvenuto tante volte nella storia della scienza.

Fino a quando ciò non si verifica non abbiamo però alcuna ragione per dubitare della teoria e

possiamo dire che essa è "corroborata" dall'esperienza passata.

Da quanto detto emerge chiaramente che la soluzione di un problema scientifico (come la verifica di

una certa teoria) differisce da quella di un problema poliziesco in un particolare importante : nel caso

poliziesco, una volta individuato il colpevole, il caso viene chiuso, nell'indagine scientifica di un

problema, invece, anche quando una teoria appare confermata dai fatti, la ricerca continua per

trovare nuovi elementi che permettano di penetrare più profondamente nei suoi segreti.

Per questo si dice che la ricerca scientifica è una ricerca aperta ; nella ricerca scientifica la parola

"fine" non esiste. Un'ipotesi che oggi sembra verosimile, può rivelarsi infondata in futuro, ed essere

modificata.

Liberamente tratto da :

- “Astronomia” di Mario Cavedon -Ed. Orsa Maggiore

- “Fisica sperimentale” L. Miano ed A. Corti - Fabbri ed.

- “Enciclopedia multimediale Gedea” De Agostini“

- “Enciclopedia Multimediale Rizzoli-Larousse” Mondadori Rizzoli

- “Lezioni di Fisica” - P. Alberico - Minerva Italica “

- Corso di Fisica sperimentale “A. Caforio e A. Ferilli - Ed. Le Monnier

- “Atlante della storia dell’ Astronomia”a cura di Luigi Viazzo -Ed. Demetra