Storia della fisica: dalle origini agli studi attuali

Di Barbara Leone.

La fisica è la scienza che studia i fenomeni naturali al fine di trovare una spiegazione razionale e si basa su due diversi momenti: la teoria e l'esperimento

In senso lato, la fisica è la scienza che studia i fenomeni naturali al fine di trovare una spiegazione razionale, espressa generalmente con un linguaggio matematico. In senso stretto, in contrapposizione soprattutto al campo d'indagine della chimica, è lo studio di tutti quei fenomeni naturali, detti appunto fisici, che non coinvolgono trasformazioni di corpi o di sostanze. La fisica si basa in ugual misura sull'esperimento e sulla teoria. Il primo consiste nella riproduzione dei fenomeni studiati in condizioni controllate e semplificate, ben diverse da quelle complesse e confuse che si hanno nell'osservazione preliminare, alla base di qualunque ricerca. Gli esperimenti portano a relazioni tra grandezze e a misure che vengono confrontate con le previsioni di ipotesi formulate precedentemente. Se queste corrispondono ai risultati degli esperimenti, la relazione matematica tra le grandezze studiate costituisce una legge fisica. Un gruppo organico e coerente di leggi fisiche costituisce una teoria fisica.

Si è oggi orientati a considerare come scopo ultimo della fisica la ricerca di un insieme unificato di leggi, cioè di una teoria unitaria valida in ogni istante della storia dell'Universo e a tutte le scale di grandezza, dal mondo delle particelle subatomiche all'Universo nella sua globalità. I settori in cui una lunga tradizione considera suddivisa la fisica sono la meccanica, l'ottica, l'acustica, la termologia, l'elettromagnetismo. Una suddivisione più generale, introdotta nel XX secolo, distingue, invece, i due grandi settori della fisica classica e della fisica moderna. Alla base della fisica classica ci sono i concetti di spazio e di tempo assoluto e il principio di causa ed effetto. Nella fisica moderna, i concetti di spazio e di tempo assoluti possono essere mantenuti solo se si considerano velocità molto minori di quella della luce e masse molto più piccole delle masse stellari. In caso contrario, si deve far uso delle leggi della relatività speciale e della relatività generale (fisica relativistica).

La sostituzione del principio di causa ed effetto con nuovi principi probabilistici e indeterministici ha portato alla nascita di una fisica sostanzialmente diversa da quella precedente. Si tratta della fisica quantistica, sulla quale si basano la fisica atomica, la fisica nucleare, la fisica delle particelle elementari (oggi strettamente connessa alla cosmologia) e a diverse nuove branche della fisica quali, per esempio, la fisica dei solidi, l'elettronica quantistica, la fisica del plasma. Oggi, la fisica è ben distinta da altre scienze della natura, quali, per esempio, l'astronomia e la geodesia. Continua però a svolgere una funzione determinante sia al loro interno sia nelle varie loro branche, in cui le leggi fisiche svolgono un ruolo tanto importante da dare nome a scienze interdisciplinari quali l'astrofisica, la geofisica, la biofisica ecc.

Storia della Fisica
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). Tutte queste concezioni sono state soppiantate, nel secolo IV avanti Cristo, dal sistema fisico-filosofico di Aristotele, che ha fondato la fisica 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.

L'elemento essenziale della fisica del moto, cioè della meccanica, di Aristotele 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 la capacità di giustificare il sistema astronomico di Tolomeo e di fornire una visione finalistica del mondo, accettata dal cristianesimo, ha avuto per secoli un incontrastato successo. Solo molto più tardi hanno preso consistenza antichi problemi della fisica aristotelica rimasti irrisolti. Un momento decisivo del suo superamento è stato l'introduzione del sistema astronomico di Copernico che, ipotizzando l'eliocentrismo (il Sole al centro dell'Universo), era incompatibile con la fisica di Aristotele.

E' stato Galileo Galilei 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. Più tardi, sulla base dei suoi studi sulla caduta dei gravi, Isaac Newton 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.

La speranza di unificare tutti i nuovi settori della fisica all'interno del quadro newtoniano ha trovato, però, notevoli ostacoli. La nascita della termodinamica, 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. Una certa crisi del meccanicismo newtoniano si ha avuta con l'introduzione nei singoli settori della fisica di nuove teorie, quali la teoria ondulatoria della luce di A. Fresnel, la teoria matematica dell'induzione elettromagnetica di A. M. Ampère e il concetto di linea di forza di M. Faraday.

Un tentativo di sintesi parziale è stato operato, nel 1873, da J. C. 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. 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.

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 della massa dei corpi con la velocità e la sostanziale identità tra massa, m, ed energia, E, affermata nella famosa formula E=mc2, dove c è la velocità della luce. 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.

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, non facilmente interpretabili alla luce della teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell. Anche lo studio teorico della radiazione emessa dal corpo nero portava a risultati paradossali che sono rimasti inspiegabili sino all'introduzione, nel 1900, del concetto di "quanto di energia" di M. Planck. Questo concetto è entrato anche nel modello di atomo di Bohr del 1913, modello che, inoltre, suggeriva di introdurre il dualismo onda-corpuscolo, 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 N. 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.