L'uomo alla scoperta dell'universo

Percorso multidisciplinare di Matteo Taglioli

Classe V C Liceo Scientifico Statale N. Copernico - Bologna

a. s. 2007/2008 1

L’uomo alla scoperta dell’universo

Percorso multidisciplinare di Matteo Taglioli

Classe V C Liceo scientifico statale N. Copernico - Bologna

Indice

Materie coinvolte pag. 3

Introduzione pag. 3

Capitolo 1

Il positivismo di John Stuart Mill: il principio di uniformità della natura pag. 4

Capitolo 2

La prima grande unificazione: la comune essenza dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici pag. 5

Capitolo 3

La rivoluzione di Einstein: la sintesi di spazio e tempo, massa ed energia pag. 6

Capitolo 4

L’identità di materia e luce: la meccanica quantistica pag. 8

Capitolo 5

La conciliazione tra meccanica quantistica e relatività: esiste un antimondo? pag. 11

Capitolo 6

L’ultima frontiera dell’unificazione: l’originaria simmetria dell’universo e le sue implicazioni cosmologiche pag. 15

Bibliografia pag. 19 2

Materie coinvolte

• Fisica
• Scienze
• Filosofia

Introduzione

Studiosi di tutto il mondo stanno dedicando uno sforzo ingentissimo al raggiungimento di quello che è il fine ultimo della fisica: unire in una sola concezione l’insieme di tutte le forze fondamentali che si manifestano nella natura, da quelle responsabili del moto dei pianeti a quelle che determinano i fenomeni elettromagnetici, fino alla radioattività e all’energia racchiusa nei nuclei atomici. La realizzazione di questo obiettivo rappresenterebbe il culmine di una delle grandi avventure del pensiero dell’uomo e l’inizio di una nuova era della conoscenza: essere capaci di fornire una spiegazione unificata di tutte le leggi della natura significa, infatti, avvicinarsi all’essenza stessa dell’universo.

Lo scopo di questo percorso multidisciplinare è quello di indagare la nascita di questa tendenza all’unificazione, di come abbia influenzato lo sviluppo della fisica moderna e come questa abbia alimentato la nascita di nuove teorie cosmologiche. 3

Capitolo 1

Il positivismo di John Stuart Mill: il principio di uniformità della natura

Le teorie del filosofo positivista inglese John Stuart Mill (1806 - 1873) riguardo al metodo scientifico rappresentano il fondamento teorico per la nascita della scienza moderna.

Mill sostiene che tutta la conoscenza possibile rientri nei limiti dell’esperienza e che tutte le verità devono avere un’origine empirica: quelle che oltrepassano l’esperienza vanno rifiutate perché fanno uso di speculazioni metafisiche. Inoltre, secondo il filosofo, ogni proposizione è una generalizzazione di casi osservati: infatti, la conoscenza scientifica, sulla base dell’osservazione dei singoli casi, inferisce le caratteristiche universali dei fenomeni.

Egli afferma che la scienza procede attraverso il metodo dell’induzione, il quale si fonda sull’analogia tra fenomeni appartenenti alla medesima classe. Infatti, secondo Mill, è legittimo generalizzare le caratteristiche di un numero limitato di fenomeni osservati in quanto la natura presenta delle uniformità. Essa è governata da leggi in base alle quali la scienza può prevedere i fenomeni del futuro sulla base di quelli osservati nel passato, ossia la scienza può formulare leggi generali della natura.

Il principio di uniformità della natura non è giustificato a priori, ma è basato su precedenti generalizzazioni, ossia è anch’esso un’induzione in quanto tale principio scaturisce dall’osservazione delle somiglianze tra i fenomeni naturali.

Tale principio ha influenzato sia il mondo scientifico contemporaneo sia quello successivo al filosofo inglese, gettando le basi per la nascita della scienza moderna, il cui obiettivo primario è proprio quello di trovare leggi universali della natura che siano in grado di descrivere l’essenza dell’universo e dei suoi fenomeni. 4

Capitolo 2

La prima grande unificazione: la comune essenza dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici

La prima tappa fondamentale del percorso fu l’unificazione di elettricità e magnetismo compiuta da James Clerck Maxwell (1831-1879), che racchiuse nella sintesi di poche equazioni tutte le conoscenze sui fenomeni generati da cariche, correnti elettriche e magneti. Gli effetti e le proprietà note del campo elettrico e di quello magnetico avevano già trovato la forma di leggi espresse matematicamente, principalmente per opera di Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), Andrè-Marie Ampère (1775-1836) e Michael Faraday (1791-1867). Ma nella nuova teoria di Maxwell campo elettrico e campo magnetico risultavano legati in una stretta connessione che non era ravvisabile nelle singole leggi. Anche in questo caso, la sintesi comportava un progresso di conoscenza.

Nella forma unificata data da Maxwell alla spiegazione dei fenomeni elettromagnetici era immediato riconoscere un’analogia con le tipiche equazioni con cui già da tempo veniva descritta la propagazione delle onde (onde meccaniche, sonore, la luce): il campo elettromagnetico era, in realtà, costituito da onde. La velocità di propagazione di tali onde risultava inoltre essere esattamente uguale alla velocità della luce: si scopriva che la luce non era nient’altro che una particolare onda elettromagnetica. Le equazioni di Maxwell fornivano quindi una descrizione unificata non solo di elettricità e magnetismo, ma anche dei fenomeni ottici. Grafico della propagazione del campo elettromagnetico 5

Capitolo 3

La rivoluzione di Einstein: la sintesi di spazio e tempo, massa ed energia

La stessa opera di Maxwell poneva già le premesse di un’ulteriore rivoluzione concettuale, quella con cui Albert Einstein avrebbe ridefinito i concetti di spazio e tempo. La natura ondulatoria del campo elettromagnetico sembrava presupporre l’esistenza di un proprio mezzo di propagazione, in analogia con le altre forme conosciute di onda: il suono si propaga attraverso l’aria, l’acqua stessa è il mezzo che, fluttuando, propaga le onde del mare. Tuttavia nessun esperimento fu mai in grado di dimostrare l’esistenza del presunto invisibile mezzo di propagazione delle onde elettromagnetiche, il cosiddetto etere luminifero.

Albert Einstein

Esisteva poi un grande problema concettuale. Era noto sin dai tempi di Galileo che le leggi che descrivono il moto dei corpi sono indipendenti dal sistema di riferimento, a patto di utilizzare semplici equazioni di trasformazione delle coordinate, le cosiddette trasformazioni di Galileo, quando ci si sposta da un sistema di riferimento ad un altro in moto rispetto al primo. Le leggi dell’elettromagnetismo, invece, sembravano non godere della stessa proprietà: cambiando sistema di riferimento e applicando le trasformazioni di Galileo, le equazioni di Maxwell cambiavano completamente forma, implicando che esperimenti compiuti su cariche elettriche o magneti posti in luoghi diversi della superficie terrestre avrebbero dovuto dare risultati diversi.

Il mondo scientifico dovette confrontarsi con una situazione paradossale: da un lato la teoria dell’elettromagnetismo, che stava ottenendo spettacolari successi, sembrava essere valida così com’era stata formulata da Maxwell solo in un particolare sistema di riferimento – era naturale pensare che tale sistema di riferimento privilegiato fosse proprio l’etere –, d’altra parte gli esperimenti mostravano che, al contrario, i fenomeni elettromagnetici erano identici in qualunque laboratorio fossero studiati. Difficile da accettare era la stessa apparente diversità di comportamento di elettromagnetismo e meccanica dei corpi agli occhi di uno spettatore che cambiasse la propria prospettiva di osservazione: com’era possibile che coesistessero geometrie spaziali di natura diversa a seconda del tipo di fenomeno osservato? 6

Fu proprio l’idea che l’indipendenza delle leggi fisiche dal punto di vista dell’osservatore dovesse valere per tutti i fenomeni lo stimolo da cui partì Einstein (1879-1955) per formulare nel 1905 la teoria della relatività ristretta. La teoria risolveva ogni apparente contraddizione concettuale abbandonando definitivamente il concetto di etere e sostituendolo con un postulato di notevole audacia intellettuale, oggi diventato uno dei fondamentali della scienza: contrariamente alla velocità di un oggetto ordinario, che può apparire minore o maggiore per un osservatore che si muova rispetto a esso, la velocità della luce nel vuoto ha la particolarità di essere costante e uguale per qualsiasi osservatore. Da questa ipotesi derivavano nuove equazioni di trasformazione delle coordinate, le trasformazioni di Lorentz, che, sostituendo quelle di Galileo, rendevano le leggi dell’elettromagnetismo, al pari di quelle della meccanica dei corpi, indipendenti dal sistema di riferimento.

La teoria di Einstein operava allo stesso tempo tre grandi unificazioni di preesistenti concetti fisici. Da un lato, essa riconciliava tra di loro due mondi fino allora distinti, la meccanica e l’elettromagnetismo, dimostrando che entrambi potevano essere descritti nell’ambito di una comune geometria e prospettiva dello spazio. Allo stesso tempo, il nuovo concetto di spazio risultava indissolubilmente legato a quello di tempo: ad essi si sostituiva la nozione unica di spazio-tempo quadridimensionale, che diventava la sede naturale di osservazione e descrizione dei fenomeni fisici. Infine, il concetto di massa di un corpo veniva reinterpretato come una delle possibili manifestazioni dell’energia. L’equivalenza di massa ed energia – sintetizzata dall’equazione E= mc² – implicava inoltre che il principio di conservazione della massa era da considerarsi non più come una legge rigorosa della natura, ma come un’approssimazione valida in specifici ambiti di utilizzo: essendo possibili trasformazioni di massa in energia e viceversa, diventavano ammissibili i fenomeni di creazione e distruzione di quantità di materia.