Se siete dei fisici, o vi intendete di fisica, potete smettere immediatamente di leggere!
Naturalmente sto scherzando, ma questa sezione è dedicata soprattutto a chi è interessato a sapere qualcosa su questo mondo non
sapendone niente… Io ci sono entrata da poco, con curiosità, passione e tanta fatica, e vorrei farne partecipi il
maggior numero di persone possibili.
Bisogna dire innanzitutto che la fisica non è quello che tutti si aspettano: non è noiosa, o
astrusa, come vogliono alcuni., ma non è neanche un’arte magica e misteriosa come si pensa.
Per capirla davvero occorre purtroppo imparare una nuova lingua, quella della matematica: certo
sarebbe possibile anche farne a meno, ma le cose diventerebbero incredibilmente laboriose e
molto meno immediate: “La matematica è l’arte di chiamare diversi concetti con lo stesso nome”
e per questo motivo ha tanto successo nell’indagine scientifica, in cui si cerca di ricondurre
problemi a prima vista complicati a modelli conosciuti.
Ma andiamo con ordine: - E se la matematica non la conosciamo? – i
ragionamenti della fisica in generale sono piuttosto semplici, e se non volete andare a fondo nell’analizzare i risultati
probabilmente non ne avrete bisogno.
- Che cos’è la fisica? Uhm, probabilmente a questa domanda avrei dovuto rispondere all’inizio, ma adesso cercherò di rimediare. È una delle scienze più antiche, come ci dice il nome: “physikè” significa infatti naturale, in greco antico. E la fisica è appunto questo: la scienza che studia la natura, e che cerca di spiegare i suoi “miracoli”.
- Quali sono i suoi campi di studio? A questo punto occorre fare una precisazione: la fisica “classica” è una disciplina studiata già nel mondo antico, che ha avuto un grande sviluppo nel Rinascimento, ed è stata canonizzata da grandi pensatori come Newton e Galileo: i suoi rami principali sono la meccanica e lo studio dei mezzi elastici. Nel corso dell’Ottocento è iniziato lo studio sistematico dei fenomeni fino a quel momento ritenuti “magici”, come l’elettricità e il magnetismo. È nel Novecento che che vengono scoperte e formulate le teorie che adesso dominano la scena della ricerca fisica: la teoria della relatività. La meccanica quantistica, la meccanica statistica… Vediamo adesso di che cosa si tratta.
La MECCANICA CLASSICA studia il problema del moto dei corpi estesi, osservabili “ad occhio nudo”. Conoscendo le forze che agiscono su un corpo, si può predire esattamente come si evolverà il suo moto nel tempo. È in grado di dare ottime previsioni nell’ambito del mondo macroscopico. Se se ne volesse dare un’interpretazione filosofica, la si potrebbe definire una scienza “illuminista”: esprime la fiducia che l’universo sia governato dall’ordine, e che l’uomo possa capirlo con l’uso della ragione. La disciplina con cui si analizzano e si risolvono i problemi di meccanica classica è la MECCANICA ANALITICA, una teoria geniale sviluppata nei primi decenni dell’800 da Lagrange (matematico francese di origini italiane) e Hamilton, i cui concetti sono stati poi ripresi ed utilizzati nello sviluppo di tutti le nuove teorie: essa consente di scrivere e risolvere “equazioni del moto” per qualunque sistema.
La TERMODINAMICA è una disciplina piuttosto recente, sviluppatasi nell’Ottocento. Essa studia le proprietà di sistemi fisici composti da molti corpi (soprattutto gas) al variare della temperatura: può ad esempio predire quanto bisogna scaldare un litro d’acqua per portarlo a ebollizione. A differenza della meccanica, non è una disciplina analitica, ma fenomenologica: è governata da una serie di leggi empiriche. La sua evoluzione naturale è la MECCANICA STATISTICA. Nonostante sia una scienza apparentemente inesatta, ha svolto un ruolo cruciale dal punto di vista storico perché ha concentrato l’attenzione degli studiosi sullo studio delle proprietà collettive di sistemi microscopici, quali atomi e molecole, e ha introdotto nella fisica il concetto di statistica e probabilità, che oggi è fondamentale.
L’ELETTROMAGNETISMO è stato studiato a partire dal XIX secolo. La formulazione finale dell’elettromagnetismo “classico” si deve a Maxwell. Come dice il nome, questa disciplina studia i fenomeni elettrici e magnetici, che anche se ad occhio nudo sembrano diversissimi sono in realtà strettamente collegati (ad esempio una bobina di filo percorsa da corrente genera un campo magnetico, capace di attirare aghetti di ferro). Oltre ad esplorare un campo fino a quel momento ritenuto “magico”, lo studio dell’elettromagnetismo ha introdotto nel mondo della fisica alcuni concetti fondamentali: quello di CAMPO, quello dell’esistenza di particelle piccolissime dotate di carica elettrica, gli elettroni, e soprattutto il fatto che la velocità della luce nel vuoto ( c ) ha un valore finito, che non può essere superato da nessun ente fisico.
Dalla necessità di rispondere a questo apparente paradosso nasce la TEORIA DELLA RELATIVITA’, elaborata da Einstein in più riprese nella prima metà del XX secolo. Probabilmente è la teoria fisica più conosciuta, almeno di nome. Nel risolvere il succitato problema, Einstein scopre che sono intimamente collegate tra loro grandezze apparentemente diversissime: lo spazio e il tempo, la massa (volgarmente il “peso”, ma non è così) e l’energia di un corpo (un oggetti che viaggia a velocità molto alte si restringe, cioè diventa più leggero!). La teoria della relatività rappresenta uno dei primi grandiosi tentativi di costruire un sistema che spieghi la realtà con un’unica teoria, che racchiude grandezze molto diverse.
Un po’ meno celebre della teoria della relatività, ma per certi versi più rivoluzionaria, è la MECCANICA QUANTISTICA, una teoria che “distrugge” le certezze del mondo scientifico, già scosse dalla teoria della relatività. Per comprendere il mondo microscopico (atomi e particelle elementari) bisogna inventare un nuovo simbolismo matematico, ma soprattutto bisogna abbandonare i vecchi rassicuranti concetti di “posizione” e “traiettoria” e sostituirli con quelli molto meno intuitivi di “probabilità”, “osservabili” e “funzioni d’onda”. Ma di che cosa si tratta in sostanza? È semplice: la meccanica quantistica prevede che il mondo, che fino a quel momento è stato visto come un oggetto continuo, sia in realtà formato di tanti pezzettini “discreti”: è come se per salire in cima a un palazzo si usasse un ascensore invece che una scala. Mentre con la scala si può raggiungere qualsiasi punto di un palazzo, con un ascensore si possono raggiungere solo alcuni piani. Le particelle più piccole vivono in un mondo in cui non esistono scale, ma solo ascensori. Per di più vivono in un mondo molto misterioso. Osservando un palazzo dall’esterno, possiamo soltanto scommettere sulla probabilità che una particella si trovi ad un piano invece che ad un altro; soltanto scoperchiando il palazzo, compiendo cioè un’osservazione (magari anche con metodi meno violenti!), possiamo sapere con esattezza dove si trova la nostra particella in un determinato momento. A meno di non scoperchiare il mondo intero (il che non è possibile) possiamo solo descrivere i suoi abitanti in termini di probabilità, attraverso le funzioni d’onda. La meccanica quantistica funziona molto bene per descrivere sistemi microscopici, come atomi e molecole, ma diventa complicato, e praticamente impossibile, cercare di descrivere sistemi più grandi “visibili a occhio nudo”; per questo motivo non è stato ancora possibile accettarla come teoria universale, anche se sono in corso vari esperimenti per verificare la sua eventuale validità su scala macroscopica. Ad ogni modo, si tratta di una teoria che ha avuto molto successo: esiste una versione quantistica di ognuna delle discipline che abbiamo analizzato: ci sono la meccanica quantistica classica, quella relativistica, la meccanica statistica quantistica, l’elettrodinamica quantistica e persino la quanto-cromo dinamica! (che non ha nulla a che vedere con i coloro, ma è una scienza che studia che cosa succede all’interno di protoni e neutroni (che a loro volta costituiscono i nuclei degli atomi) e di altre particelle microscopiche).
Per ultima vediamo la MECCANICA STATISTICA, che storicamente è meno recente della meccanica quantistica. Studia i sistemi formati da un gran numero di particelle (milioni di miliardi di miliardi), che è impensabile pensare di descrivere risolvendo le equazioni del moto di ogni singolo componente. In questo caso si studiano le proprietà collettive del sistema, come volume, pressione, temperatura, energia, etc. che possono essere facilmente misurate dall’esterno. La meccanica statistica consente descrizioni accurate del comportamento di alcuni metalli, e spiega alcuni fenomeni di grande interesse pratico come la superconduttività. Proprio per il suo carattere statistico, ha avuto un grande impulso dalla scoperta di calcolatori sempre più potenti, che permettono la simulazione di sistemi complessi. Sembra però che sia una disciplina pericolosa: uno dei miei primi libri di meccanica statistica iniziava così:” L. Boltzmann, che dedicato gran parte della propria vita allo studio della meccanica statistica, è morto suicida nel 1906. P. Eherenfest, che portò avanti il suoi lavoro, morì in modo simile nel 1933. E adesso è il vostro turno di studiare la meccanica statistica!”. Incoraggiante vero?
Avevo in effetti dimenticato di dire una cosa fondamentale, e cioè che il mondo della fisica è tutto così, pieno di persone stravaganti!