Fisica

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Introduzione

Fisica Scienza che studia i molteplici fenomeni che si manifestano in natura, con lo scopo di formulare delle leggi generali entro le quali questi possano essere inquadrati.

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Il ruolo della fisica

In origine la fisica era una disciplina molto vasta e del tutto generale, nata in risposta all’esigenza umana di dare una spiegazione razionale dei fenomeni naturali. Nell’antichità, infatti, la figura del fisico, del matematico, del filosofo e del biologo erano riunite nella suggestiva immagine dell’uomo di scienza, che si affermava in ugual misura in molti campi del sapere. Con il progresso della conoscenza, tuttavia, si delinearono i confini delle singole discipline scientifiche e ciascuna di esse, benché strettamente legata alle altre, si impose con campo e metodi di indagine propri. La fisica, ad esempio, si distinse gradualmente dalla chimica, che si occupa più specificamente, e con metodi diversi, dello studio dei processi che coinvolgono trasformazioni della natura intima di corpi e sostanze.

Ai nostri giorni, il grado di sviluppo raggiunto nelle scienze impone un’ulteriore specializzazione anche nell’ambito di una sola disciplina: così, pur restando nell’ambito della fisica, la meccanica, che studia le leggi che regolano il moto dei corpi, viene distinta dalla termologia, che si occupa delle modalità di propagazione del calore, o dall’elettromagnetismo, che ha per oggetto lo studio dei fenomeni legati alla presenza di cariche elettriche o di campi magnetici. Tuttavia, poiché i fenomeni che si manifestano in natura, così come le cause che li determinano, non possono essere classificati secondo una struttura rigida e schematica, le linee di demarcazione tra i vari settori della scienza non sono assolutamente nette e le singole discipline si sviluppano parallelamente, avvalendosi dei risultati ottenuti in ambiti solo apparentemente disparati.

Con il progresso scientifico, inoltre, si sono sviluppati campi di studio interdisciplinari che applicano i principi della fisica all’analisi di fenomeni particolari; ne sono esempi la geofisica, che indaga sui fenomeni fisici che riguardano la Terra, l’astrofisica, che studia l’evoluzione delle stelle e le proprietà dello spazio interstellare, o la biofisica che studia i fenomeni biologici sulla base dei principi fisici che li determinano.

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Le origini

Sebbene la fisica abbia iniziato a definirsi come scienza autonoma non prima del XVII secolo, i primi studi e le prime osservazioni dei fenomeni naturali risalgono all’antichità.

Sulla base di attente osservazioni del cielo, i cinesi, i babilonesi, gli egizi e alcune popolazioni precolombiane erano in grado di calcolare la durata del giorno e della notte, di stilare semplici calendari e di prevedere il verificarsi delle eclissi; si trattava comunque di osservazioni di carattere empirico, dettate da esigenze pratiche piuttosto che dalla curiosità dell’uomo per i fenomeni che lo circondano. Questo atteggiamento mutò nel corso del tempo, e con la nascita della filosofia greca si rintracciano i primi tentativi di descrivere e di spiegare razionalmente i fenomeni naturali. Le speculazioni dei filosofi greci sfociarono in due diverse linee di pensiero circa i costituenti fondamentali dell’universo: l’atomismo, promosso da Leucippo e da Democrito nel V secolo a.C., e la teoria degli elementi, proposta da Empedocle e sviluppata in seguito da Aristotele.

Secondo la dottrina aristotelica, nell’universo si distinguono due categorie di corpi: i corpi celesti, costituiti da una sostanza perfetta e immateriale denominata quinta essenza, e i corpi terrestri (o sublunari), mutevoli e corruttibili, composti in misura diversa dai quattro elementi già introdotti nella filosofia di Empedocle: aria, acqua, terra e fuoco. Ciascuno di questi elementi è caratterizzato da un proprio luogo naturale, che spontaneamente tende a raggiungere nel corso del movimento: nel punto più basso dell’universo è collocato il luogo naturale della terra, mentre salendo si incontrano su diversi livelli i luoghi naturali dell’acqua, dell’aria e del fuoco; così il fuoco e l’aria salgono verso l’alto, l’acqua cade dal cielo e scorre lungo i fiumi verso il mare, mentre i corpi solidi, composti in prevalenza dall’elemento terra, cadono verso il basso, con velocità tanto più grande quanto maggiore è la quantità di terra che essi contengono, cioè quanto più elevato è il loro peso.

La teoria di Aristotele offriva in questo modo una spiegazione del moto di caduta libera dei gravi, che oggi sappiamo non essere corretta, ma che comunque provava a utilizzare l’osservazione diretta del mondo sensibile. Una delle più importanti eredità della filosofia naturale aristotelica, infatti, risiede nel fondamento di un metodo scientifico che si proponeva non solo di descrivere i fenomeni naturali, ma anche di darne una spiegazione razionale nell’ambito della dottrina, assegnando all’esperienza e all’osservazione empirica un ruolo fondamentale nello sviluppo della conoscenza.

Durante l’età ellenistica i maggiori contributi al progresso della scienza provennero da pochi uomini d’ingegno: Archimede definì le condizioni di equilibrio dei corpi immersi, pose le basi dell’idrostatica e costruì le prime macchine semplici; Eratostene determinò la lunghezza del raggio terrestre e compilò un catalogo delle stelle conosciute; Ipparco scoprì il fenomeno della precessione degli equinozi e Aristarco di Samo misurò le distanze relative del Sole e della Luna dalla Terra, e fu uno dei primi sostenitori della teoria eliocentrica, ripresa nel XVI secolo da Niccolò Copernico, dopo il lungo dominio del sistema geocentrico elaborato nel II secolo d.C. dall’astronomo alessandrino Tolomeo.

Le basi per una grande rinascita culturale furono tuttavia poste nel corso del Medioevo: numerosi trattati greci furono infatti conservati, tradotti e commentati da studiosi arabi, quali Averroè e Al-Farabi, e in tutta Europa, a partire dall’XI secolo, si assistette alla fondazione delle grandi università. In campo filosofico, Ruggero Bacone invocò il metodo sperimentale come fondamento del sapere scientifico, distaccandosi dal carattere speculativo che aveva contraddistinto la filosofia naturale.

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Fisica classica

È d’uso dividere la storia della fisica in due grandi periodi: la fisica classica e la fisica moderna. Si può collocare la nascita della fisica moderna nel periodo compreso tra la fine del XIX e l’inizio del XX secolo, quando le osservazioni sperimentali iniziarono a mettere in crisi le teorie della fisica classica, fondata sulla meccanica newtoniana e sull’elettromagnetismo di Maxwell. Successivamente, i primi decenni del 1900 vedono la formulazione della teoria della relatività e della meccanica quantistica, che ancora oggi costituiscono l’ossatura su cui poggia l’intera disciplina.