La fisica del Novecento di Stefano Gattei (Università di Milano)  Un nuovo universo  Albert Einstein e la relatività  La teoria dei quanti  Il principio d'indeterminazione  I bookmark di ReS     Un nuovo universo La fisica del secolo scorso è ancora troppo recente perché se ne possa dare un quadro e una valutazione complessiva, come è invece risultato possibile fare per i secoli precedenti. Risulta più difficile comprendere le linee di sviluppo della scienza fisica recente, e in particolare le sue fortissime connessioni con la filosofia, la religione e altre aree di sviluppo intellettuale e sociale. Non è dunque possibile offrire altro se non alcune osservazioni di carattere generale sul crollo del quadro offerto, per secoli, dalla fisica classica e sull'emergere di quella che sembra a tutti gli effetti essere una nuova visione della natura dell'universo stesso. Verso la metà degli anni Novanta dell'Ottocento vennero osservati alcuni fenomeni totalmente inaspettati, i quali, insieme a numerosi risultati sperimentali che si erano andati accumulando negli anni, costituirono il trampolino di lancio per la profonda trasformazione di vasti ambiti delle scienze fisiche che ha segnato il XX secolo. Le ricerche, in Germania, di William Röntgen sui raggi catodici (attentamente studiati nel secolo precedente) portarono alla sua scoperta di un fenomeno totalmente inatteso, i raggi X. Poche settimane più tardi, il francese Henri Becquerel, seguendo la linea di ricerche di Röntgen, scoprì la radioattività dell'uranio, un elemento noto da oltre cinquant'anni. In Inghilterra, le ricerche molto più tradizionali di J. J. Thompson sulla natura dei raggi catodici lo portarono, nel 1897, a una dimostrazione convincente (una delle molte, in quel momento) dell'esistenza di una particella subatomica, l'elettrone.   Albert Einstein e la relatività Nel 1905, Einstein pubblicò una breve memoria che assunse il significato di una svolta storica per la fisica: essa segnò infatti la nascita della teoria della relatività ristretta (o speciale), cui pochi anni dopo il matematico Hermann Minkowsky conferì una più elegante veste formale attraverso un'interpretazione geometrica, che sostituiva ai due concetti distinti di spazio e di tempo il concetto di continuo spazio-temporale. Due i postulati alla base della nuova teoria: il principio relativistico galileiano esteso ai fenomeni elettromagnetici e l'assunzione che la velocità della luce nel vuoto sia costante per qualunque osservatore, indipendentemente dal moto della sorgente luminosa. Questi due postulati resero superfluo ogni riferimento a un ipotetico etere luminifero immobile, ma richiesero al contempo l'abbandono della tradizionale concezione dello spazio e del tempo fondata sull'idea di un continuo spaziale che "scorre" all'interno di un continuo temporale, conducendo così coerentemente all'assunzione di un continuo spazio-temporale (cronotopo), in cui distanze spaziali e intervalli di tempo variano al variare del sistema di riferimento. Il tempo divenne semplicemente la quarta coordinata, oltre alle tre spaziali, in un nuovo sistema di riferimento. In un nuovo lavoro del 1916, Einstein diede corpo alla teoria generale della relatività, che estese il principio di relatività a sistemi accelerati e condusse alla formulazione di una teoria della gravitazione concettualmente molto diversa da quella di Newton. La relatività generale costituì l'applicazione coerente dei principi della fisica del continuo: come nell'elettromagnetismo, in essa non trovavano posto le azioni a distanza, e in luogo di una forza gravitazionale newtoniana, che si esplica attraverso lo spazio inerte, veniva introdotto un continuo quadridimensionale a curvatura variabile (già studiato da Riemann nell'Ottocento e detto conseguentemente "varietà riemanniana"), la cui curvatura è prodotta dalla presenza di materia, allo stesso modo in cui nella teoria di Maxwell la configurazione del campo era prodotta dalle cariche elettriche. Nel nuovo continuo spazio-temporale non sono immaginabili delle rette euclidee, ma è possibile tracciarvi delle linee geodetiche, che si identificano con le traiettorie dei corpi che si muovono liberamente: l'orbita di un pianeta non è più la traiettoria che esso compie in quanto attratto dalla forza gravitazionale esercitata dal Sole, ma è una geodetica dello spazio-tempo.   La teoria dei quanti Optando quindi per la fisica del continuo, la relatività risolse il contrasto fra modello newtoniano ed elettromagnetismo. L'incompatibilità tra meccanica statistica ed elettromagnetismo trovò invece soluzione nella teoria dei quanti che, almeno in prima istanza, sembrava ricollegarsi ai modelli propri della fisica del discreto. Nel 1900, Max Planck avanzò la proposta di quantizzare l'energia assorbita o emessa dagli oscillatori: dopo aver tentato invano di giustificare con procedimenti classici l'emissione di corpo nero, egli si rese conto che i conti sarebbero tornati se si fosse immaginato che ciascuno oscillatore potesse emettere o assorbire energia solo in quantità discrete, la cui grandezza è data dalla frequenza dell'onda moltiplicata per una costante (h, detta "costante di Planck"). Era cioè necessario trattare l'energia come se avesse una struttura granulare. Nel 1905, sulla base di questa proposta, Einstein riuscì a spiegare l'effetto fotoelettrico scoperto da Hertz nel 1887, ipotizzando che la luce stessa fosse costituita da quanti indivisibili (i fotoni). Ma la proposta di Planck portò anche alla soluzione di altre questioni, come quelle relative alla stabilità, alla dimensione e allo spettro dell'atomo, che risultavano inspiegabili all'interno del modello planetario di Rutherford. Nel 1913, il fisico danese Niels Bohr, proponendo la quantizzazione delle orbite degli elettroni, riuscì a fornire contemporaneamente una soluzione alle tre difficoltà per l'atomo di idrogeno. Bohr suppose infatti che l'elettrone potesse muoversi soltanto in alcune orbite stazionarie, corrispondenti a numeri interi di quanti di azione, a ciascuna delle quali corrispondeva un livello energetico definito. Il modello di Bohr non riusciva però a spiegare la struttura di atomi più pesanti dell'idrogeno. La soluzione venne fornita dal "principio di esclusione", proposto da Wolfgang Pauli nel 1924: una stessa orbita (o stato quantico) non può essere occupata da più di due elettroni con gli stessi numeri quantici. Sulla base di questo principio diventò possibile fornire una descrizione della distribuzione degli elettroni nei diversi strati, dando così piena spiegazione del sistema periodico degli elementi atomici ideato da Mendeleev mezzo secolo prima. La quantizzazione dell'energia e la scoperta del fotone suscitarono però incertezze sulla natura della luce, che sembrava possedere nello stesso tempo il carattere di un corpuscolo e quello di un'onda. Tale dualità fra natura corpuscolare e ondulatoria, che sembrava in un primo tempo riguardare solo l'energia, venne estesa anche all'elettrone dal fisico francese Louis de Broglie (1924). Questa ipotesi, che si accordava con quella delle orbite stazionarie di Bohr, costituì un controllo indipendente della solidità della nuova teoria quantistica. Due anni più tardi, nel 1926, Erwin Schrödinger scrisse l'equazione dell'onda di de Broglie, ma rimaneva ancora oscuro quale significato fisico dovesse esserle attribuito. Fra le diverse tesi prevalse quella di Max Born, il quale propose di interpretare le funzioni d'onda non come la rappresentazione matematica di una traiettoria, ma come la misura della probabilità di trovare un elettrone in un dato punto (si tratta della cosiddetta "interpretazione di Copenhagen" della meccanica quantistica, ancor oggi dominante, nonostante le molte voci di dissenso). Pochi mesi prima che Schödinger formulasse la propria equazione, Werner Heisenberg aveva chiarito le transizioni degli elettroni, che davano luogo a emissioni e assorbimenti di onde elettromagnetiche, attraverso un approccio radicalmente diverso. Anziché descrivere le orbite degli elettroni, di fatto non osservabili, egli sostenne che ci si dovesse concentrare unicamente sulle transizioni delle particelle da uno stato all'altro. Tali transizioni, pienamente definite dai due livelli energetici iniziale e finale, risultarono rappresentabili mediante matrici: il calcolo matriciale fornì così un altro strumento per lo studio delle radiazioni dell'elettrone, diverso rispetto all'equazione di Schrödinger ma a essa equivalente.   Il principio d'indeterminazione E sempre su basi puramente matematiche Heisenberg formulò il "principio di indeterminazione", secondo cui è impossibile determinare contemporaneamente, con precisione arbitraria, la posizione e la quantità di moto di un elettrone: il prodotto delle incertezze con cui si misurano tali grandezze deve essere uguale o maggiore della costante h. Risultava pertanto esclusa, in via di principio, ogni possibilità di conoscenza completa delle condizioni iniziali degli eventi spazio-temporali dalla quale ricavare, secondo la legge causale e il determinismo, tutti i successivi stati assoluti e obiettivi del mondo: falliva definitivamente il programma ideale del meccanicismo elaborato da Laplace un secolo prima. Il Novecento si aprì quindi con la dissoluzione del programma scientifico con cui si era aperto il secolo precedente, e al contempo propose nuovi problemi, non solo alla scienza ma anche alla riflessione filosofica sull'impresa scientifica. Se infatti l'interpretazione di Copenhagen (che accoglie l'interpretazione di Heisenberg e non quella di Schrödinger) non comporta la sua adesione all'idealismo o al fenomenismo, o comunque a filosofie che neghino l'oggettività scientifica, è indubbio che le posizioni filosofiche dei teorici di Copenhagen, criticate da Planck, Einstein e Schrödinger, appaiono inconciliabili con un modello di spiegazione generale che intenda fornire la descrizione completa di ogni situazione reale, che si suppone esistere indipendentemente da ogni atto di osservazione. Alle obiezioni sollevate da più parti, tanto in campo fisico quanto in sede filosofica, i fisici di Copenhagen hanno fatto fronte appoggiandosi anche a un altro principio teorico, formulato da Bohr nello stesso anno, il 1927, in cui Heisenberg formulava quello di indeterminazione: il "principio di complementarità", secondo cui i modelli ondulatorio e corpuscolare andrebbero considerati come descrizioni parimenti legittime e necessarie dei fenomeni della microfisica. Definito da Schrödinger il mascheramento verbale di una sconfitta teorica, tale principio è invece considerato da Bohr e dai suoi seguaci non solo una soluzione del tradizionale dualismo onda-corpuscolo, ma anche un criterio estensibile alla ricerca biologica, per esempio allo scopo di abbracciare in una visione unitaria gli aspetti fisico-chimici e propriamente vitali presentati dai fenomeni biologici.   I bookmark di ReS History of Science Society Si tratta della maggiore associazione di storia della scienza al mondo. Il suo sito web contiene materiale, motori di ricerca, avvisi di convegni e conferenze, e numerosi link a siti di interesse (fra cui le principali riviste del settore, organi dell'associazione: Isis e Osiris). (in inglese) http://www.hssonline.org/main_pg.html American Institute of Physics È il sito più ricco di informazioni per chi si interesse alla fisica e alla storia della fisica. Particolarmente ricche sono le pagine dedicate alle risorse online. Attraverso la home page è possibile accedere ad archivi fotografici come gli Emilio Segrè Visual Archives, a materiale didattico di vario tipo e a siti che offrono la possibilità di scaricare gratuitamente i testi originali di molte opere fondamentali della storia della disciplina. È inoltre possibile iscriversi alla newsletter dell'associazione, per ricevere informazioni relative a convegni e pubblicazioni, o per prendere parte a una discussione fra specialisti. (in inglese) http://www.aip.org/ History of Physics Group Il gruppo, fondato nel 1984, si pone come obiettivo la conservazione e la trasmissione delle grandi testimonianze - scritte, orali o strumentali - della fisica anglosassone. Lo scopo è mostrare come la storia possa essere efficacemente usata per la comprensione, l'insegnamento e la diffusione della fisica. Molto interessante è la discussion list, cui è possibile iscriversi gratuitamente: la sua filosofia di fondo assume la fondamentale unità dell'impresa scientifica e si pone come forum per l'interazione di campi di ricerca diversi e spesso divisi rigidamente. (in inglese) http://www.iop.org/IOP/Groups/HP/ American Physical Society Un'altra associazione molto importante, con ulteriori link, informazioni e materiale. (in inglese) http://www.aps.org/ Echo Virtual Center Portale per la storia della scienza, in cui i vari link vengono continuamente aggiornati e arricchiti. (in inglese) http://echo.gmu.edu/center/ Vi e' piaciuto questo articolo? Avete dei commenti da fare? Scriveteci