L'Evoluzione della Fisica
-Natalucci Alessio
Scritto da Albert Einstein e Leopold Infeld nel 1938
Si pongono come obiettivo quello di dare delle idee sulla Fisica e illustrare il processo storico della loro formazione
L'evoluzione di queste idee fondamentali è lenta e faticosa
Ritenuto da loro una semplice
conversazione fra i lettori e gli autori
Il loro intento è indurre il lettore a meditare sull'eterna lotta condotta dall'intelletto umano per giungere a una migliore comprensione delle leggi che governano i fenomeni fisici
Definito dagli autori un libro popolare poiché non richiede particolare conoscenze bensì un alto livello intellettuale
Dopo la scrittura del libro sono state scoperte intere famiglie di particelle, risonanze e antiparticelle
Scoperte anche nel campo degli Acceleratori di Particelle Plasmi e Rivelatori
I Problemi della Fisica di oggi sono legati al fatto che le particelle elementari della materia sono soggette a quattro tipi di interazioni fondamentali:
Interazioni Forti, Deboli,
Elettromagnetiche e
Gravitazionali
Probabile l'esistenza di nuove particelle, interazioni e intere classi di particelle
------------------Parte Prima------------------
L'ascesa dell'interpretazione meccanicistica
Il "romanzo giallo perfetto" nella fisica si può paragonare alla "spiegazione della natura"
Dove i romanzi gialli sono paragonati alla natura e i lettori agli scienziati
Da Galileo e Newton in poi i mezzi e i metodi d'indagine sono stati sempre più accresciuti e perfezionati
Uno dei problemi fondamentali era quello del "moto" (ossia dei moti che possiamo osservare intorno a noi, come un sasso lanciato in aria o un carrello spinto lungo la strada)
Per capire questi fenomeni è consigliabile cominciare dai casi più semplici per poi passare a quelli più complessi
Si inizia considerando un corpo a riposo (ossia privo di moto)
Per cambiarne la posizione occorre esercitare su di esso un'azione qualsiasi
Si può quindi concludere che "quanto è maggiore è l'azione esercitata su un corpo, tanto maggiore è anche la sua velocità" (la velocità è essenzialmente legata all'azione)
Ragionaento derivato dall'intuzione è erroneo
La scoperta e l'uso del ragionaento scientifico da parte di Galileo è uno dei più importanti avvenienti nella storia del pensiero umano
Segna l'inizio della Fisica
Esaminiamo perchè l'intuizione sbaglia
Immaginiamo un caso ideale in cui un uomo, esercitando una determinata forza, muova un carrello a quattro ruote
Quest'ultimo, dopo una certa distanza si fermerà. Ci si deve ora domandare come si potrebbe accrescere questa distanza senza variare l'intensità della forza
Si possono valutare due diverse soluzioni: ungere le ruote o spianare perfettamente la strada
In questo modo le "influenze o resistenze esterne" saranno ridotte
Di effetti di tutto ciò sono definiti "attrito", in una situazione ideale in cui la strada è perfettamente liscia e l'attrito è quindi pari a zero, il carrello non si fermerà mai (la definiamo situazione ideale poichè è materialmente impossibile eliminiare l'attrito e le influenze esterne)
Secondo la nuova teoria (corretta) di Galileo, "un corpo sul quale non agisce nessuna forza esterna, si muove uniformemente (vale a dire sempre con la stessa velocità e lungo una linea retta
viene enunciata successivamente da Newton come "Legge d'Inerzia"
"Ogni corpo persevera nel suo stato di riposo, oppure di moto rettilineo uniforme, a meno che non sia costretto a cambiare tale stato da forze agenti su di esso"
Ci si può quindi domandare, "Se la velocità non è indice delle forze esterne agenti su un corpo, qual è tale indice?"
A tale quesito risponde nuovamente Galileo, esaminando nuovamente la situazione ideale del carrello su strada senza attrito, si può comprendere che non è la velocità la conseguenza dello spingere o tirare, bensì la "variazione della velocità" o "accelerazione"
Il legame tra forza e variazione di velocità o accelerazione costituisce la base della meccanica classica di Newton. Sono dunque Forza e Accelerazione i duce concetti liberano le parti principali della meccanica classica
I due concetti fondamentali della Meccanica Classica si affermano essere "Forza" e "Accelerazione"
Tutti i moti considerati fin'ora sono rettilinei (ovvero si effettuano su linee rette)
Passando dal Moto Rettilineo al Curvilineo si incontrano nuove difficoltà
In entrambi i casi per caratterizzare una velocità è necessaria sia una direzione quanto un numero
Per fare ciò si può ricorrere ai "vettori", attraverso di essi si possono rappresentare graficamente tutte le quantità che possiedono sia una grandezza che una direzione
Il simbolo per rappresentarle è quello della freccia
Attraverso i vettori è possibile rappresentare la variazione di velocità che un corpo subisce in seguito ad una forza, mediante un vettore tratteggiato
Si può quindi rappresentare la velocità mediante "un vettore la cui lunghezza è espressa in unità prestabilite e ci dà la misura della velocità e la cui direzione è quella del moto"
Newton proseguendo gli studi formulò quella che oggi viene chiamata "Legge della Gravitazione"
In questa legge afferma che la forza di attrazione di due corpi dipende dalla distanza che li separa l'uno dall'altro, difatti la forza diminuisce quando la distanza aumenta
Quanto detto fin'ora non basta però per descrivere dei moti più complessi, come ad esempio quello dei pianeti
Sono necessarie due congetture supplementari per giungere a conclusioni qualitative riguardo il moto dei pianeti
Una di esse (La legge del movimento di Newton) è di carattere generale e stabilisce "una relazione fra la forza e la variazione di velocità"
L'altra (La sua Legge di Gravitazione) è di carattere particolare e stabilisce "una precisa dipendenza tra una forza di data specie e la distanza tra due corpi"
Newton riconobbe inoltre che il moto dei sassi in caduta e quello della Luna sono casi particolari della "forza gravitazionale universale"; la quale è sempre in azione fra due corpi qualsiasi
Fino a 350 anni fa un importante concetto della Meccanica era sfuggito agli studiosi, quello della "Massa"
Ritornando all'esperimento ideale del carrello spinto su una strada senza attrito
Per quante volte ripeteremo l'esperimento, la velocità del carrello rimarrà sempre la medesima
Se invece nel carrello vuoto aggiungiamo un carico, cambiando quindi il valore del peso, noteremo che la velocità rispetto a prima diminuirà
Possiamo perciò dire che "la velocità dipende dalla massa del corpo e che è tanto minore quanto maggiore è la massa"
Vi sono due diversi modi per misurare il valore della massa di un corpo
Con il primo metodo più che determinare il valore della massa di un corpo si misura quante volte la massa di un corpo è più grande di un altra
Prendiamo in esempio due masse a riposo, applicando ad esse due forze identiche si noterà che la velocità della prima massa sarà il triplo della velocità della seconda; si può quindi affermare che la prima massa è tre volte inferiore della seconda
"massa inerte"
Questa identità e distinzione tra massa inerte e pesante è fondamentale per la formulazione della teoria della relatività
Con il secondo metodo si va a misurare direttamente il valore della massa stessa e non della variazione tra due masse
Questo avviene semplicemente mediante l'uso della bilancia
"massa pesante"
Deduciamo quindi che il primo caso è del tutto indipendente dalla gravità terrestre mentre il secondo è basato proprio sull'esistenza di questa forza (senza di essa non si potrebbe eseguire alcuna misurazione
Nonostante ciò, mettendo in relazione i risultati delle due misurazioni, per quante volte queste possano ripetersi, i risultati saranno sempre uguali tra loro
Per descrivere dei fenomeni calorifici ricorriamo a due concetti basilari: "temperatura" e "calore"
Comunemente l'uomo attraverso il proprio senso tattile può rendersi conto un corpo è freddo o caldo
Tuttavia questo è criterio puramente qualitativo, difatti immergendo prima una mano in un recipiente con acqua calda e l'altra mano in un recipiente d'acqua fredda in seguito, immergendo entrambe le mani in un recipiente d'acqua tiepida, riceveremo feedback differenti (dalla prima un messaggio di freddo, dalla seconda un messaggio di caldo)
L'unico modo per poter realmente conoscere la temperatura di un corpo (e sapere quindi se è freddo o caldo) è attraverso il termometro, strumento inventato da Galileo
Inizialmente si faceva fatica a distinguere temperatura e calore, risolse la situazione lo scozzese Black attraverso delle conferenze più di due secoli fa
Per rendere più chiara la questione prendiamo in esempio il termometro nella bocca di una persona malata.
Ragionando si potrebbe supporre che, dopo essere stato a contatto con il malato, il termometro adesso condivida la stessa temperatura del malato. Tuttavia quest'affermazione non è corretta: questi due condivideranno la stessa quantità di calore, ma non la temperatura
Vi è però una condizione particolare del Calore
Prendiamo in esempio un recipiente con un chilogrammo d'acqua e uno di mercurio scaldati allo stesso modo, ossia con una fiamma identica. Quest'ultimo recipiente impiegherà molto meno tempo ad elevare la sua temperatura di un grado rispetto al primo
Si denota quindi che "le temperature di masse uguali ma di sostanze differenti richiedano quantità di "calore" differenti"
Diciamo quindi che ogni sostanza ha una propria "capacità calorifera", ovvero un proprio "calore specifico"
Ci si può domandare quindi se il calore è da considerarsi una sostanza, è risaputo però che una sostanza è considerato come qualcosa che non può ne crearsi ne distruggersi
Fin dall'antichità mediante vari metodi l'uomo ha creato il calore, risulta quindi impossibile poter considerare il calore una sostanza
Prendiamo in esempio l'attrazione delle Montagne Russe
Consideriamo nuovamente il caso in cui il vagone dell'attrazione effettua il suo moto con attrito pari a zero
Se il vagoncino partirà ad un altezza di 30 metri dal livello del suolo si constaterà che esso, con la presenza dell'attrito, potrà percorrere liberamente tutti i tracciati che vorrà ma con l'unica limitazione che non superi mai l'altezza dei 30 metri, se vorrà concludere il suo percorso
Si potrà constatare che mentre la distanza dal suolo diminuisce, la velocità del vagoncino aumenterà
Nel suo punto più alto il vagoncino ha velocità zero mentre la distanza dal suolo è di 30 metri, mentre nel suo punto più basso la velocità è massima mentre la distanza è nulla
In termini fisici queste correlazioni si possono spiegare mediante l'energia potenziale e cinetica
"Nel punto più alto il vagoncino possiede energia potenziale, ma è privo di energia cinetica o moto"
"Nel punto più basso il vagoncino possiede il massimo di energia cinetica, ma è privo di energia potenziale"
La somma delle due energie non varia ed è conosciuta con il nome di "costante del moto"
Nelle vere attrazioni, con la presenza dell'attrito avviene ugualmente un continuo scambio fra energia e potenziale
La differenza rispetto all'esperimento ideale sta nel fatto che qui la somma non rimane costante ma tende a diminuire. Insieme alla diminuzione riscontriamo anche la creazione di calore
Da qui si può quindi assumere come il calore possa essere considerato una forma di energia e diventa quindi la somma di tre fattori (energia potenziale, cinetica e calore) a rimanere costante
Il medico tedesco Meyer fu il primo che ritenne possibile considerare il calore come forma d'energia, e ciò venne confermato dal birraio Inglese Joule
Joule prese per vera la congettura del calore come forma d'energia e cercò di determinare il relativo tasso di scambio
Ovvero quanto calore si può ricavare da una data quantità di energia meccanica
Inventò per questo motivo un meccanismo simile ad un orologio a pesi: per caricarlo si s'innalzano due pesi (conferendo così energia potenziale), se dopo ciò l'orologio rimane indisturbato, si potrà considerare un sistema isolato
Con il passare del tempo i pesi inizieranno a scendere fino a raggiungere il loro punto più basso (mutando l'energia potenziale in cinetica). In tal modo i pesi azionano un mulinello a palette posto in un recipiente d'acqua, le quali girando scalderanno l'acqua del recipiente
Misurando la variazione di temperatura dell'acqua e conoscendo in anticipo il calore specifico dell'acqua, ha calcolato la quantità di calore assorbito
Ad oggi le sue scoperte possono essere espresse con questa affermazione:
"L'energia potenziale di 0,427 chilogrammi sollevati di 1 metro dal suolo equivale a 1 caloria, cioè alla quantità di calore occorrente per innalzare, a pressione atmosferica normale, da 14,5 a 15,5 gradi Celsius la temperatura di 1 grammo d'acqua
Si riconobbe in seguito come l'energia meccanica e calorifera sono solo due delle molte forme che l'energia può assumere
Detto ciò si possono ribadire i due concetti di "sostanza", ovvero " materia" ed "energia"
"Entrambi obbediscono a leggi di conservazione, ma la materia possiede peso mentre l'energia no"
-------------------Parte Seconda------------------
Decadenza dell'interpretazione meccanicistica
Mediante tre semplici esperimenti possiamo osservare come e perché una teoria nasca
Nel 1° esperimento prendiamo una verga metallica, sostenuta da un piede di vetro. Appese ad essa, sulle due estremità, vi sono due sottilissime foglioline d’oro pendenti da un’asticella metallica (noto come elettroscopio)
"Muniamoci di una bacchetta di gomma dura e di una pezza di flanella. Strofiniamo vigorosamente la bacchetta di gomma con la flanella e tocchiamo la verga. Vedremo allora le foglioline divergere immediatamente e continuare a rimaner divaricate anche dopo l’allontanamento della bacchetta di gomma"
Da questi tre esperimenti possiamo comprendere alcuni concetti base
Esistono due fluidi elettrici, uno è chiamato positivo (+), l’altro negativo (-)
Fluidi elettrici della stesso tipo si respingono mentre quelli del tipo opposto si attraggono.
Un corpo è elettricamente neutro se i fluidi elettrici, positivi e negativi, sono presenti al suo interno nella stessa quantità
"Esistono due specie di corpi, quelli nei quali i fluidi elettrici possono muoversi liberamente e quelli nei quali non possono farlo. I primi vengono detti conduttori e i secondi isolanti"
Per il 2° esperimento si utilizzano gli stessi oggetti del primo,avendo cura che le foglioline dell’elettroscopio
non siano divaricate
"Strofiniamo la bacchetta di gomma con la flanella, questa volta però la bacchetta di gomma non sarà contatto con la verga ma soltanto avvicinata. Le foglioline divergeranno come prima ma non appena la bacchetta verrà allontanata, invece di continuare ad aprirsi come nel primo caso, ricadranno subito in posizione di riposo"
Per quest’esperimento ci serve una verga
metallica composta di due parti disgiungibili.
"Strofiniamo la bacchetta di gomma con la flanella e avviciniamola alla verga (ancora unita), avremo lo stesso fenomeno di prima. Disgiungiamo ora le due parti della verga,allontanando la bacchetta di gomma, le foglioline continueranno a rimanere divaricate, invece di rimettersi in posizione di riposo come nell'esperimento precedente"
Verranno descritte le caratteristiche dei Fluidi Elettrici
Come prima, partendo da alcuni esperimenti si può comprendere la teoria che è presente dietro quest'ultimi
Nel 1° esperimento prendiamo due calamite lineari, una la teniamo in mano, l'altra è invece sospesa in aria, nel suo baricentro
Avvicinando la calamità che si ha in mano a quella sospesa in aria, in particolare all'estrema destra di quest'ultima, si noterà una forte attrazione tra le due
Questa attrazione andrà scemando avvicinando la calamita al baricentro dell'altra, procedendo verso l'altra estremità noteremo che le due calamite inizieranno a respingersi invece di attrarsi
Scopriamo quindi l'esistenza nelle calamite di due poli, posti alle estremità
Nel 1° esperimento si è scoperta l'esistenza dei poli. Ci si può domandare se è in qualche modo possibile isolarne uno. L'intuito ci porta a credere che sia possibile farlo, spezzando una calamita
Il risultato che si ottiene è inatteso: "quello che era il punto mediano, diventa un polo che si attrae con il polo della calamita che teniamo in mano"
Per spiegare questo fatto possiamo ricorrere alla teoria dei fluidi elettrici e adattarla ai fluidi magnetici
Difatti, come per i flussi elettrici, quelli magnetici possiedono "attrazione" e "repulsione"
Partendo dalla costruzione di un dipolo elettrico (il quale basta per spiegare il primo esperimento, ma non il secondo), "si deve immaginare una calamita formata al suo interno da tanti piccoli dipoli magnetici elementari"
"Questi, non possono essere ulteriormente spezzati in due poli separati. In tal caso nella calamita, considerata come un
tutto, regna l’ordine, poiché tutti i dipoli elementari sono orientati nello stesso senso"
"Si capisce allora perché spezzando una calamita, due nuovi poli appaiano alle nuove estremità"
Uno dei quesiti che si pose Galileo fu a che velocità viaggia la luce
Cercando di comprendere tale quesito mise in atto un modello sperimentale ideato da un suo discepolo
Due uomini, A e B, muniti di una lanterna, si piazzano alla distanza di tre chilometri l'uno dall'altro
Il primo uomo, A, scopre la sua lanterna e come prestabilito l'altro uomo, B, non appena vede la luce scopre a sua volta la lanterna. I due si rendono conto che il segnale da A a B è arrivato in un secondo e viceversa il segnale da B ad A ne ha impiegato un altro. hanno quindi stabilito che la luce viaggia a 3 km/s
Conclusione errata e approssimativa
Con la tecnica sperimentale del suo tempo non c'era alcuna possibilità di scoprire la risposta
Decise quindi di impostare il problema invece di cercare la soluzione di quest'ultimo
Nei secoli successivi moli scienziati tentarono ulteriori esperimenti (Fizeau,Rømer, Michelson), scoprendo che nel vuoto la luce viaggia a circa 300 000 km/s
Continuando a parlare della luce
Uno dei ottici più elementari è che la luce si propaghi in linea retta
Lo si può dimostrare facilmente facendo attraversare una fonte luminosa attraverso un foro
Esaminiamo cosa accade invece quando la luce attraversa la materia
Prendiamo una spessa lastra di vetro e poniamo una fonte di luce dietro di questa. Noteremo come la luce non seguirà una linea retta ma subisce una "deviazione". Questo fenomeno è conosciuto con il nome di "rifrazione"
Un altra importante caratteristica della luce è il colore
Per definizione la luce solare è bianca; ma non appena questa attraversa un prisma, esibisce tutti i colori esistenti nel mondo visibile
Questo arricchisce la teoria della luce come sostanza: difatti non ci sarà un unica sostanza luce, bensì diverse sostanze, una per ogni colore
La serie dei colori componenti la luce solare bianca (scoperta grazie agli esperimenti di Newton) è denominata "spettro solare" o "spettro visibile"
La divisione della luce solare nei suoi componenti si chiama "dispersione della luce"
Secondo Huygens la luce è un'onda, cioè un trasferimento d'energia e non di sostanza
Sappiamo di per sé che il "moto dell'onda" rappresenta il moto di uno stato della materia e non la materia stessa
Prendiamo in esempi per spiegare meglio il concetto un vasto spazio riempito uniformemente da un fluido, al centro di questo vi è una sfera che in continuazione si dilata e si restringe, ovvero varia il suo volume
Quando la sfera si dilata le particelle del mezzo, situate vicino alla sfera, vengono spinte fuori, sformando un involucro sferico (la cui densità è superiore al normale) della sostanza di cui è formato lo spazio in cui la sfera si trova
Contrariamente, quando la sfera si contrae lo strato del mezzo che la circonda subisce una diminuzione di densità. Queste variazioni di densità si propagano per tutto il mezzo
Il moto dell'onda "è il moto di qualche cosa che non è materia, bensì energia, propagata attraverso la materia"
Due concetti fisici fondamentali sono "velocità di propagazione dell'onda" e "lunghezza d'onda"
Il primo è la velocità dell'onda, la quale dipende dal mezzo (aria, acqua ecc.)
il secondo è la lunghezza d'onda e nel caso dell'esempio essa rappresenta la distanza, in un dato istante, tra due involucri vicini aventi massimi o minimi di densità