Post date: Sep 21, 2016 4:57:29 PM

1 Cos'è la Fisica

La Fisica è una scienza che si occupa di descrivere i fenomeni naturali. Ma "descrivere" cosa significa? E fino a che punto ci possiamo fidare di questa "descrizione"? Soltanto un secolo fa era diffusa, nell'opinione pubblica, una fede assoluta nelle possibilità della scienza di risolvere ogni problema quotidiano. La convinzione che l'innovazione tecnologica avrebbe elevato l'Uomo ad uno stadio più elevato era radicata. Si arrivava a pensare che un matematico “infinitamente abile” avrebbe saputo predire il destino di ogni atomo dell'universo. Oggi viviamo una situazione opposta. Anche se il ritmo dell'innovazione tecnologica è più incalzante che mai, anche se è evidente il ruolo della scienza nelle trasformazioni che la società sta vivendo, la fiducia nella scienza si è in gran parte persa. Il termine scienza è stato prima esteso a materie, pur rispettabilissime, che con il metodo scientifico non hanno niente a che fare, come le scienze della comunicazione o le scienze infermieristiche; poi ha iniziato a comprendere argomenti dichiaratamente antiscientifici, come le scienze occulte, le scienze divinatorie o le scienze orientali.

La colpa di questo stato di cose è in buona parte della comunità scientifica, che proprio all'inizio del '900 ha cominciato a pubblicizzare più i paradossi creati dalle nuove teorie che le lacune che venivano colmate.

L'immagine degli scienziati è diventata sempre più quella di depositari di un sapere inaccessibile; quella della scienza sempre più autoreferenziale.

Dov'è il limite tra lo scienziato, creatore di paradossi, e il mago, comunicatore con l'occulto?

Da quattro secoli, la risposta è univoca: la scienza segue il metodo scientifico.

Ma neanche il metodo scientifico gode di buona stampa. La comunicazione di massa scova puntualmente qualche scienziato che cerca di dimostrare che questa o quella legge fisica è falsa. Se neanche gli esperti sono d'accordo, come possiamo fidarci della Fisica e delle sue leggi?

In realtà, quello che la stampa non spiega è che quello scienziato strambo, che disperatamente lotta per dimostrare che tutta la comunità scientifica si è sempre sbagliata, è il pilastro su cui poggia il metodo scientifico. Questo non vuol dire che abbia ragione!

Per ogni Fisico che propone una legge, altri cercano di inventare esperimenti e situazioni in cui questa legge non viene verificata. E tutte le leggi fisiche vengono considerate valide solo fino a quando non vengono falsificate.

Si narra che Aristotele, uno dei padri fondatori della scienza greca, abbia affermato un giorno che le donne hanno meno denti degli uomini. Da scienziati moderni, noi sottoporremmo questa affermazione a verifica sperimentalee concluderemmo che è falsa, ma la scienza greca non funzionava in questo modo. Valeva il principio di autorità, e naturalmente Aristotele era il più autorevole di tutti.

Le leggi fisiche oggi accettate sono state sottoposte a tali e tante verifiche, che quasi tutti gli scienziati metterebbero la mano sul fuoco riguardo alla loro validità.

Modelli e leggi

Ma cosa intendiamo per legge fisica? Nella accezione moderna, è una relazione che lega due (o più)quantità misurabili come:. Di solito è espressa in linguaggio matematico (algebrico), ma non è stato sempre così: nel medioevo ad esempio, il linguaggio della scienza era il disegno piuttosto che l'algebra.

La caratteristica più importante delle leggi fisiche è che ci permettono di fare previsioni. Sono queste previsioni che vengono verificate con l'esperimento.

Il cardine della relazione tra mondo fisico e linguaggio matematico è il concetto di modello.

In questo libro, useremo la parola "modello" in un'accezione molto generale: Un modello è una sorta di "realtà virtuale", descritta da precise regole (matematiche).

Almeno nelle scienze esatte, come la Fisica, il modello è costruito in modo da poter essere trattato con il metodo ipotetico-deduttivo. Questo vuol dire che i risultati all'interno del modello sono dimostrabili come teoremi matematici. In altre parole, all'interno del modello le leggi valgono in maniera esatta.

Alcuni modelli descrivono la realtà fisica solo in maniera molto approssimativa, altri sono così precisi che è facile confonderli con la realtà.

Spesso un modello riflette la nostra concezione del fenomeno fisico che studiamo e contiene quegli ingredienti che noi pensiamo siano cruciali.

Quando un modello è particolarmente completo e aderente alla realtà, prende il nome di teoria fisica. Non dobbiamo commettere l'errore di confonderlo con la realtà fisica.

La legge fisica si riferisce quindi al mondo reale, mentre il teorema matematico ad un modello (i matematici direbbero un sistema assiomatico). La legge fisica è falsificabile, e in questo caso concludiamo che c'è uno scollamento tra realtà e modello, perché il teorema, in quanto dimostrato, è certamente valido all'interno del modello.

Prendiamo come esempio l' uomo vitruviano di Leonardo: questo disegno rappresenta le proporzioni ideali del corpo umano. Consideriamo due uomini vitruviani. Se il primo è più alto dell'altro per il 10%, anche il suo avambraccio sarà più lungo del 10%. L'uomo vitruviano è quindi un modello matematico secondo il quale, ad es., la lunghezza dell'avambraccio è in una precisa proporzione con l'altezza. Leonardo voleva dirci che tutti gli uomini rispettano esattamente queste proporzioni? Ovviamente no. Siamo noi che possiamo avvicinarci o meno all'uomo ideale pensato da Leonardo. Possiamo però dire che l'uomo vitruviano è "un buon modello" e utilizzarlo ad esempio nel disegnare un capo di vestiario.

Buon modello vuol dire che l'errore che commettiamo confondendo modello e realtà è più piccolo dell'errore che commettiamo nelle nostre misure sperimentali.

Un modello non deve forzatamente essere aderente alla realtà, può limitarsi ad afferrarne alcuni aspetti, che ai nostri fini sono sufficienti.

Nella moderna tecnologia, uno dei modelli più utilizzati in assoluto è quello di conduttore ohmico cioè di un conduttore elettrico che verifica la legge di Ohm (), la quale afferma che la quantità di corrente che passa attraverso un dato corpo è proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi, e che la costante di proporzionalità R è caratteristica del corpo stesso. Questo semplice modello di conduttore è alla base della progettazione di tutti gli apparati elettronici che ci circondano, ma rigorosamente parlando non descrive nessun corpo reale. Semplicemente, si tratta di una approssimazione utile a prevedere teoricamente il comportamento di un circuito e tanto ci basta.

Il conduttore ohmico è il tipo di modello più semplice che possiamo pensare: si tratta di un'unica legge. Altri modelli sono molto più ricchi, e da un nucleo di regole inziali è possibile dimostrare al loro interno una quantità sbalorditiva di proprietà. È il caso della geometria euclidea, che da 5 regole base (gli assiomi di Euclide) fa discendere tutte le proprietà delle figure geometriche.

La geometria euclidea è una teoria matematica, ma diventa fisica nel momento in cui pretendiamo di descrivere la realtà fisica per mezzo di essa. Se ad esempio, per calcolare l'area della stanza in cui siamo, moltiplico la lunghezza di due lati consecutivi, sto descrivendo la realtà fisica con il modello della geometria piana applicato al pavimento della mia stanza; e approssimando la stanza con un rettangolo.

Quando un fisico parla di un determinato fenomeno, non sempre rende esplicito il modello cui si riferisce. In questo manuale cercheremo di evitare questa pratica per tenere sempre distinto il piano della realtà fisica da quello del modello su cui faremi i calcoli.

Persino fisici grandissimi, come Newton ad esempio, hanno confuso i loro modelli con la realtà, e così continuano a fare i loro seguaci. È un peccato di orgoglio e di ingenuità e finora si è risolto regolarmente in un errore. Nessuna delle teorie fisiche accreditate di descrivere esattamente il mondo reale ha poi resistito agli attacchi del metodo sperimentale e non c'è ragione di ritenere che lo stesso non succederà a quelle attuali.

Meglio pensare ai modelli come descrizioni, alcune davvero precise, della realtà. Nello stesso modo in cui una carta geografica è una rappresentazione del territorio, ma non riporta ogni particolare del territorio stesso, così una teoria fisica è una rappresentazione di un fenomeno fisico e ne coglie solo l'essenza.

Fino all'affermazione della teoria della relatività, agli inizi del secolo scorso, i fisici erano convinti di vivere in uno spazio euclideo, infinito, dove due rette parallele non si incontrano mai. In altre parole, lo spazio euclideo, quello che studiamo a scuola quando parliamo di geometria, è stato considerato un modello fisico valido per oltre due millenni. Si è però visto, attraverso alcuni esperimenti, che questo spazio non bastava a descrivere i fenomeni relativistici: il modello della fisica classica, con le leggi di Newton e la relatività di Galilei era stato falsificato! E prontamente sostituito da teorie alternative.

Oggi quindi sappiamo con certezza che la fisica classica non descrive esattamente la realtà. Ma la descrizione è comunque così accurata che il modello della fisica classica viene utilizzato tuttora ogni qualvolta che le velocità in gioco sono trascurabili rispetto alla velocità della luce e che le lunghezze in gioco sono maggiori di qualche micron. Anche in questo corso, ci muoveremo solo nell'ambito della fisica classica.

Nel momento in cui i primi esperimenti hanno cominciato a mettere in crisi la fisica newtoniana, i fisici hanno iniziato a proporre modelli alternativi. Alcuni di questi sono così accurati che attendono a tutt'oggi di essere falsificati.

Nascita e morte di una legge fisica

La fisica moderna nasce con l'adozione del metodo di Galilei. Il metodo sperimentale nella forma attuale è dovuto a Popper.

Il metodo sperimentale prevede un preciso percorso logico perché una semplice osservazione si trasformi in una legge fisica.

• 1. Il primo passo è l'osservazione di un sistema fisico. Senza bisogno di un'idea preconcetta o di un riferimento teorico, ci accorgiamo che il nostro sistema gode di qualche proprietà. (Ad esempio, misuriamo gli angoli interni di alcuni terreni triangolari e ci accorgiano che la loro somma è costante).

  2. A questo punto, formuliamo una congettura: ci chiediamo cioè se la proprietà che abbiamo osservato sia valida in generale. Una congettura (i fisici usano spesso la parola ipotesi) è un'affermazione di cui ancora non abbiamo un vero riscontro: pensiamo che sia vera, ma potrebbe essere falsa. (L'affermazione "in tutti i terreni di forma triangolare, la somma degli angoli interni è 180o" è un esempio di congettura).