Crisi di fine secolo e nuova scienza: relatività e fisica quantistica

La crisi di fine secolo e la nuova scienza: relatività e fisica quantistica

Percorso interdisciplinare a cura di

Simeone Monica

Esami di Stato 09-07-2007

La crisi di fine secolo e la nuova scienza: relatività e fisica quantistica

Introduzione Pag. 2

Fisica

La crisi della fisica alla fine dell’Ottocento.

Ipotesi di Einstein: nuovo concetto di spazio e di tempo. Ipotesi di Planck: nascita della fisica quantistica, dualismo onda-particella. Pag. 3

Filosofia

Le teorie di Einstein come modello epistemologico: logica della scoperta scientifica in K. Popper. Pag. 14

Scienze

Gli spettri come strumenti d’indagine e di interpretazione dei fenomeni celesti. Il non-errore di Einstein e il Big Bang come origine dell’universo. Pag. 28

Latino

Plinio il Vecchio: lo scienziato Pag. 36

Storia

La crisi di fine secolo e la svolta liberale Pag. 38

Italiano

La crisi del romanzo italiano del primo Novecento.

Tecniche narrative destrutturate sul piano della struttura e del concetto di spazio e tempo: “Il fu Mattia Pascal” di Pirandello e “La coscienza di Zeno” di Svevo Pag. 43

Inglese

Romanzo: Joyce e Woolf.

Poesia: Eliot Pag. 66

Storia dell’arte

La quarta dimensione nell’arte figurativa: il concetto Pag. 73

1

Introduzione

La serie di eventi e di trasformazioni che hanno caratterizzato la storia di fine Ottocento è accompagnata da un notevole progresso nel campo delle scienze e in modo particolare della Fisica. Le discussioni filosofiche nate di fronte ad una società in costante evoluzione, soprattutto dal punto di vista economico, tecnologico e sociale, portano alla ridefinizione degli stessi fondamenti della filosofia, a partire dal significato di “linguaggio”, di “verità”, di “realtà”, che in un certo senso sono ancora legati alla tradizione filosofica classica. Inoltre, la filosofia è sollecitata dal rapporto con le scienze a ridefinire il proprio ruolo e la propria funzione critica e fondativa; le posizioni si invertono: ora non sono più i filosofi a proporre metodi scientifici o modelli di realtà, ma gli scienziati e i fisici, che con teorie ed esperimenti arrivano ad intaccare le stesse concezioni di spazio e di tempo, fino allora ambito di discussione riservato alla filosofia.

Già verso la metà del secolo, con la formulazione di nuove geometrie non euclidee, si incomincia a dubitare dell’assolutezza della Geometria (da sempre considerata come modello fondamentale di scientificità e razionalità), e quindi dello stesso concetto di matematica e del suo ruolo nelle scienze. Ma non è solo la pura matematica che incomincia a creparsi: di fronte a domande di carattere fondamentale, perché mettono in dubbio l’utilità e il significato della più assoluta delle materie, anche i modelli della fisica da sempre considerati come universalmente validi cominciano a cadere e a non essere più sufficienti. Ed è proprio nella fisica che ci addentreremo ora per analizzarne le “crisi”, e quindi le trasformazioni, che l’hanno interessata tra l’Ottocento e il Novecento.

La crisi del positivismo nelle scienze

Il positivismo aveva stabilito nell’ambito della ricerca scientifica due punti fondamentali:

• 1. La netta separazione tra scienza e filosofia;
• 2. L’assoluta oggettività ed inviolabilità delle leggi scientifiche.

Ma, si sa, ogni filosofia di carattere assolutista come il positivismo è destinata ad essere sottoposta a dure critiche che non tardarono a comparire sotto forma di domande sull’effettiva ragionevolezza del metodo positivistico.

La scienza può superare i suoi limiti metodologici? È davvero possibile, cioè, per un ricercatore soggettivo arrivare all’oggettività dei fatti?

I linguaggi matematici sono davvero in grado di definire la verità e l’effettiva realtà delle cose? La scienza ha una natura convenzionale? 3

L’indagine critica, perciò, riguarda adesso la soggettività del ricercatore, più che l’oggettività dei fatti, e della scienza vengono richiamati i caratteri pratici e utilitaristici, in vista di un utile più che di una definizione metafisica della realtà.

Dietro questi concetti troviamo personaggi come Bergson e diversi filosofi americani come Dewey e James. Bergson sosteneva la fisica dell’utile, che, racchiudendo la realtà in forme e schemi, rendeva più semplice l’approccio pratico degli uomini con il mondo; ma negava lo scientismo, cioè quella tendenza a “scientificizzare” ogni aspetto della vita umana, che è invece libero «slancio vitale» e che supera schemi logici e rigide forme matematiche. Anche Dewey e James si occupano del pragmatismo (cioè dell’aspetto pratico) delle scienze, ma la loro discussione si avvicina a problemi più di carattere epistemologico, andando a spaziare nel campo del linguaggio matematico e del suo significato.

Ma al di là di speculazioni epistemologiche e formali, la crisi del positivismo nelle scienze è molto più evidente quando ci avviciniamo all’importante rivoluzione teoretica della fisica, la quale coincide con la crisi della meccanica classica e le novità introdotte dalla fisica quantistica. La nuova analisi critica si richiama a questi principali punti:

• 1. Il carattere assoluto dello spazio e del tempo, “riveduto e corretto” da Einstein a partire dal 1905;
• 2. L’idea che l’ordine naturale derivi solamente da rapporti di causa ed effetto, attaccata dalla fisica quantistica di Bohr;
• 3. Il determinismo, quindi la capacità di poter prevedere dei fenomeni conoscendo le condizioni iniziali di partenza, sradicato dal noto Principio di indeterminazione di Heisenberg.

Gli elementi della crisi in fisica

Studiando Fisica pare evidente che il suo “scopo” sia quello di ricercare pochi principi unificatori che possano descrivere la totalità della Natura: le leggi di Newton e quelle di Maxwell, ad esempio, si possono considerare tra i più importanti punti di questa ricerca. Il sistema meccanicistico si è sempre regolato sulle leggi di Newton, appunto, per spiegare qualsiasi fenomeno fisico: e anche quando l’esperienza di laboratorio dimostrava l’insufficienza di tale sistema, molti fisici hanno combattuto tenacemente in sua difesa, formulando teorie ed ipotesi che tuttavia hanno favorito la sua crisi – come vedremo.

La termodinamica

Il Principio della relatività galileiana afferma, brevemente, che «il moto assoluto non può essere rivelato»: se un corpo è in movimento, non potremo mai dire se, invece del corpo, in realtà siamo noi a muoverci; a seconda del sistema di riferimento in cui ci troviamo, può essere in moto l’oggetto, il soggetto o entrambi. In questo principio 4 riconosciamo una sorta di simmetria: da una parte il corpo in moto, dall’altra il sistema di riferimento in moto. E questa simmetria si ripete anche nel Principio di gravitazione universale (l’attrazione tra le masse è reciproca e quindi simmetrica ed universale) o nelle Leggi di Newton. Il meccanicismo si basa fondamentalmente su questi principi “di simmetria”, che, in quanto tali, sono stati considerati sempre validi a spiegare ogni fenomeno fisico. Ma questa “simmetria” della natura, che si rispecchia nella meccanica classica, è destinata ad essere abbandonata: gli studi compiuti in termodinamica nella prima metà dell’Ottocento hanno portato all’enunciazione dei due famosi principi, quello della conservazione dell’energia (Primo principio della termodinamica) e il Secondo principio della termodinamica. Il primo principio non era in contrasto con la meccanica, che assumeva al proprio interno altri principi di conservazione; il secondo, invece, mostrava un corso naturale e irreversibile degli eventi – mentre, al contrario, nella meccanica classica non era presente tale carattere di irreversibilità: la variabile del tempo rimaneva costante e reversibile, si poteva “tornare indietro nel tempo” ripetendo lo stesso fenomeno nelle stesse condizioni con gli stessi risultati. La termodinamica dimostrò che questo non è possibile: incominciavano a salire i dubbi che la meccanica non fosse quello strumento unificatore della fisica che si cercava.

L’elettromagnetismo

L’effettiva insufficienza della meccanica venne ancora meglio evidenziata quando si scoprirono i fenomeni elettromagnetici. Alla fine del Settecento, quando Coulomb enunciò la sua famosa legge sull’attrazione tra le cariche, sembrava ancora vincere il meccanicismo, vista l’analogia tra la legge di Coulomb e la legge di Newton: la natura poteva ancora essere ricondotta a forze newtoniane. Tuttavia, quando Oersted dimostrò, nel 1820, che la forza agente tra un polo magnetico e un elemento di corrente non è diretta lungo la retta che li congiunge (come nel caso delle forze meccaniche), ma perpendicolare rispetto ad esse, l’analogia con il sistema newtoniano scomparve.

Un colpo più grave al meccanicismo doveva venire dalle ricerche di Faraday, che nel 1831 scoprì l’induzione elettromagnetica: l’azione di un magnete su un corpo conduttore genera in esso delle correnti elettriche. Per la spiegazione di questo fenomeno, Faraday elaborò un importante concetto, quello delle linee di forza.

Attraverso tali forme di rappresentazione dei campi magnetici ed elettrici, Faraday spiegò empiricamente che, oltre ad essere l’interpretazione geometrica di un fenomeno fisico, le linee di forza sono dei veri e propri enti fisici che riempiono, o addirittura costituiscono, lo spazio circostante. A differenza della meccanica classica, che considerava lo spazio come il “palcoscenico” all’interno del quale si muovevano corpi e particelle senza influire sul loro stato o sul loro moto, Faraday dimostrò invece che lo spazio è un vero e proprio ente fisico, pieno e continuo, in cui si trasmettono 5 forze da un punto all’altro. Dopo questa rivoluzione nel concetto di spazio, alla meccanica classica cominciò a mancare veramente il terreno su cui si fondava: le forze elettromagnetiche non avevano nulla a vedere con la massa della materia!

Tuttavia, nel tentativo di salvare i principî di Newton, i fenomeni elettromagnetici avrebbero potuto essere spiegati in base a modelli meccanici del campo: se si ipotizzava l’esistenza di un supporto materiale e fluido delle linee di forza che pervadesse tutto lo spazio, allora le cose si sarebbero salvate e la pace tra i fisici sarebbe ritornata. Su questa strada si pose Maxwell, che si propose proprio di salvare il meccanicismo formulando diversi modelli meccanici: ma il risultato non fu come sperava. Il percorso evolutivo delle teorie di Maxwell si compone di tre tappe:

• 1. Nel 1856, il fisico interpretò le linee di forza come «tubicini» di sezione variabile, pieni di fluido incomprimibile, che si muove in un mezzo di resistenza proporzionale alla velocità: notò analogie tra l’idrodinamica e i fenomeni elettrici, che sembravano perciò ancora spiegabili meccanicisticamente;
• 2. Nel 1861, attraverso l’elaborazione matematica di un altro modello meccanico, totalmente diverso dal primo, (costituito da «vortici materiali» [certo che ce ne aveva di fantasia]), riuscì persino a ricavare le leggi di Ampère e di Faraday (loro ci erano arrivati sperimentalmente);
• 3. Nel 1864, questa volta attraverso considerazioni di pura dinamica, formulò le sue famose quattro leggi.

Qualcosa comunque non quadrava: tre modelli completamente diversi spiegavano uno stesso fenomeno fisico! Inoltre, tutti e tre i modelli si basavano su analogie con la meccanica e i suoi fatti noti, ma non descrivevano la vera e l’unica essenza (che avrebbe dovuto, o, meglio, che speravano, essere meccanica) dell’elettromagnetismo.

I primi passi verso la relatività

Maxwell dimostrò che la luce era formata da onde elettromagnetiche: l’ultima spiaggia per dimostrare il carattere meccanico delle forze elettromagnetiche era quindi in questo senso. Rifacendosi all’analogia con le onde meccaniche, che hanno bisogno di un mezzo (l’aria) per la propagazione, ci si aspettava che un qualche tipo di mezzo fosse il sostegno per la propagazione della luce e delle altre onde elettromagnetiche: l’etere.

Questa “sostanza” doveva avere proprietà insolite:

• 1. Grande rigidità per permettere la propagazione di onde tanto veloci come quelle elettromagnetiche;
• 2. Non fornire nessuna resistenza al moto dei pianeti (che era perfettamente spiegato dalla legge di gravitazione universale). 6

L’esistenza dell’etere poteva tuttavia venire dimostrata sfruttando il principio di relatività galileiana (Relatività meccanica) e il principio di composizione della velocità di un punto in moto rispetto ad un sistema di riferimento inerziale in moto. Secondo la teoria dell’elettromagnetismo di Maxwell, la velocità della luce vale c. Ma in quale sistema di riferimento? Sappiamo infatti che la velocità dipende dal sistema di riferimento in cui ci troviamo. Si pensava che una misura della velocità attraverso un sistema di riferimento in moto rispetto all’etere avrebbe portato ad un risultato maggiore o minore di c: qui si posero come fondamentali gli esperimenti di Michelson e Morley.

Lo scopo dell’esperimento di Michelson e Morley fu quello di determinare la velocità della Terra rispetto all’etere, con la misura della velocità della luce rispetto alla Terra conoscendo le velocità di entrambe rispetto all’etere. Una volta determinata la velocità della Terra rispetto all’etere (v), e conoscendo la velocità della luce rispetto all’etere (c), si sarebbe stati in grado di determinare la velocità della luce rispetto alla Terra. Tale velocità avrebbe dovuto essere diversa da c.

Michelson e Morley inviarono due raggi luminosi, l’uno nella direzione del moto della Terra e l’altro perpendicolarmente al primo. Applicando il principio di composizione della velocità, il primo avrebbe dovuto avere rispetto alla Terra una velocità c-v (data dalla velocità della luce meno la velocità della Terra v), che è inferiore a quella del secondo raggio. I due raggi, mediante un sistema di specchi, arrivano a uno stesso rilevatore. Essi, percorrendo con velocità diverse tragitti di uguale lunghezza, dovrebbero arrivare in tempi diversi al rilevatore. In realtà, i due raggi impiegano lo stesso tempo per raggiungere il rilevatore.

Lorentz tentò di spiegare questo fatto contraddittorio, ed arrivò a dimostrare le formule di trasformazione ipotizzando una «contrazione» della lunghezza dei corpi quando “viaggiano” attraverso l’etere (contrazione peraltro non misurabile, poiché ogni strumento di misurazione sarebbe andato incontro anch’esso a tale processo di contrazione). Il raggio più lento percorre una distanza più corta a causa della contrazione ipotizzata, arrivando al rilevatore simultaneamente al raggio più veloce, che percorre una distanza maggiore, in quanto non soggetta a contrazioni. Si trattava comunque di ipotesi (la contrazione) per giustificare altre ipotesi (l’etere): gli esperimenti di Michelson e Morley avrebbero trovato giustificazione nella teoria della relatività di Einstein.

La rivoluzione nella fisica portata da Einstein

Einstein partì da due postulati per arrivare alla sua teoria della relatività:

• 1. Il moto assoluto uniforme non può essere rivelato;
• 2. La velocità della luce è indipendente dal moto della sorgente. 7

Se il primo postulato è intuitivo e chiaramente evidente (lo aveva già pronunciato Galileo), altrettanto non possiamo dire del secondo, che è controintuitivo: è come se un viaggiatore che cammina su un treno in moto si spostasse alla stessa velocità, sia rispetto a un osservatore che viaggia con lui, sia rispetto a un osservatore fermo sulla Terra! Per accettare il secondo postulato era necessario rimuovere i concetti intuitivi di spazio e di tempo assoluti portanti dalla meccanica classica. Einstein dimostrò che le ampiezze degli intervalli di tempo e di spazio tra due eventi dipendono dal sistema di riferimento nel quale si osservano gli eventi, cioè dalla sua velocità relativa. Le dimensioni di un corpo (cioè il suo «spazio») dipendono dal valore delle coordinate dei suoi estremi misurate nello stesso istante. Dal momento che la luce viaggia in un tempo finito, i “messaggi luminosi” mandati dal corpo in tale istante saranno percepiti in tempi diversi da osservatori che si troveranno su due sistemi di riferimento diversi (l’uno in moto rispetto l’altro): due eventi che sono simultanei rispetto ad un sistema di riferimento non lo sono rispetto ad un altro sistema di riferimento in moto rispetto al primo. In questo modo le strane proprietà matematiche delle formule di Lorentz (la «contrazione dei corpi» è, quindi, una contrazione degli spazi) diventavano conseguenze logiche di procedimenti di misura fisici, ammettendo il postulato della costanza della velocità della luce.

I concetti di spazio e di tempo, abbiamo visto, vengono quindi stravolti e l’universo-macchina di Newton crolla assieme alle teorie del meccanicismo, non più universali ma relative.