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La crisi della fisica classica

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Verso la fine del XIX secolo sembrava che l'edificio concettuale della Fisica fosse ormai completato. La meccanica newtoniana da un lato e la teoria maxwelliana dell'elettromagnetismo, dall'altro, parevano fornire la chiave di interpretazione e di previsione di tutti i fenomeni, dal moto dei pianeti al comportamento di cariche elettriche.

Esempi eclatanti della capacità di previsione e della potenza dei modelli interpretativi newtoniani e maxwelliani (quelli che oggi chiamiamo della fisica classica) furono la scoperta del pianeta Nettuno, fatta nel 1846 dall'astronomo Galle dell'osservatorio di Berlino, su calcoli di Urbain Leverrier (Plutone fu scoperto nel 1930 su calcoli di Percival Lowell) e la scoperta delle onde elettromagnetiche previste teoricamente da Maxwell (nel 1873) da parte di Hertz (1886).

La seconda metà del secolo XIX è caratterizzata da importanti fenomeni in campo economico, sociale e filosofico, strettamente intrecciati con il trionfo della fisica classica. In campo economico e sociale c'è l'inizio impetuoso della seconda rivoluzione industriale, fondata sull'uso dell'energia elettrica (macchine elettriche nelle industrie ed elettrodomestici, illuminazione pubblica, trasporti ferroviari); in quegli anni si avvia inoltre l'utilizzazione delle onde elettromagnetiche per le trasmissioni (nel 1897 Guglielmo Marconi inventa il radiotelegrafo). In campo filosofico c'è l'affermarsi del positivismo, corrente di pensiero che propone di applicare i procedimenti della scienza ad ogni ramo del sapere ed ai campi della morale, della società e della religione.


L'invenzione del cinema: sequenze dal primo film girato dai fratelli Lumière (28/12/1895)

Solo alcuni fenomeni, apparentemente marginali, erano al di fuori del quadro interpretativo della fisica classica, ma il convincimento di quasi tutti gli scienziati dell'epoca era che prima o poi anche questi trovassero una interpretazione all'interno della fisica classica. I fatti dimostrarono che le cose non stavano così; lo studio sperimentale e teorico dei problemi irrisolti portò al superamento della fisica classica, che da teoria generale in grado di interpretare tutta la realtà fu ridotta al rango di ottimo modello in grado di spiegare e prevedere fenomeni in un limitato ambito di validità.

In effetti, i fenomeni su cui si è sviluppata la fisica classica sono quelli che più direttamente rientrano nell'esperienza comune ed usuale di tutti gli uomini, come la caduta dei gravi ed il moto dei proiettili, il moto dei pianeti, il lento movimento di cariche elettriche nei circuiti. In sostanza la fisica classica è nata e si è sviluppata su fenomeni che riguardano corpi lenti e grandi; in questo ambito essa è un metodo scientifico di prima classe. Non è affatto detto, però, che la fisica classica sia in grado di interpretare altrettanto bene la realtà al di fuori di questo ambito, su fenomeni che coinvolgono velocità paragonabili quella della luce o dimensioni piccole come quelle degli atomi o delle particelle elementari.

E' interessante notare che questa considerazione, della cui validità abbiamo oggi prove evidenti, era per gli scienziati dell'epoca poco credibile, tenendo conto che la fisica newtoniana era nata con l'affermazione che stesse leggi regolano i corpi celesti e quelli terrestri, in contrasto con la preesistente concezione aristotelica.

Uno dei filoni di ricerca che maggiormente contribuì al superamento della fisica classica fu quello relativo alla propagazione ed all'emissione della luce. L'indipendenza della velocità della luce dal sistema di riferimento scelto, dimostrata sperimentalmente da Michelson e Morley nel 1881, metteva in crisi il principio galileiano di composizione delle velocità. Inoltre il principio di relatività galileiana sembrava essere in contrasto con le equazioni di Maxwell che modificano la loro forma nel passaggio da un sistema di riferimento inerziale ad un altro.

Tutto questo portò Albert Einstein a riaffermare il criterio di relatività, mettendo però in crisi la concezione classica dello spazio e del tempo con la teoria della relatività ristretta (1905).

D'altro canto, gli studi sull'emissione della luce da parte di un corpo incandescente (corpo nero), avevano portato Max Planck nel 1900 a ipotizzare che gli atomi eccitati emettessero energia non in modo continuo ma per quantità discrete, gettando così le basi della fisica quantistica che, come vedremo, costituisce un valido modello interpretativo dei fenomeni su scala atomica e subatomica. L'ipotesi quantistica di Planck permise inoltre nel 1905 ad Einstein di interpretare un altro fenomeno classicamente inspiegabile: l'effetto fotoelettrico.

Un altro potente impulso all'affermazione della fisica quantistica nella scala microscopica venne dalle teorie sulla struttura dell'atomo. Nel 1897, infatti, la scoperta dell'elettrone (J.J. Thomson) dimostrò con chiarezza che l'atomo non poteva essere considerato il costituente elementare della materia, ma era a sua volta formato da particelle più semplici. La costruzione di un valido modello atomico e nucleare confermò l'inadeguatezza, su questa scala, della fisica classica e la necessità di interpretare le cose dal punto di vista quantistico.

La crisi della fisica classica fu la premessa di un tumultuoso sviluppo scientifico. I nuovi modelli interpretativi permisero di prevedere nuovi fenomeni ed aprirono la strada al superamento del dualismo tra onda e particella. Nella fisica classica esistono i fenomeni corpuscolari ed i fenomeni ondulatori con una netta separazione tra essi, nel senso che un singolo fenomeno può essere visto o in una chiave oppure nell'altra, senza possibilità di commistione tra esse. Nel mondo microscopico, viceversa, la separazione tra i due punti di vista cade: la radiazione può presentare caratteri corpuscolari e le particelle mostrare aspetti ondulatori. Il comportamento delle onde di materia deve essere descritto da una nuova teoria, la meccanica quantistica (o meccanica ondulatoria) fondata nel 1925 indipendentemente da Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg.

In meno di 30 anni, a partire dal 1900, il panorama della fisica cambiò radicalmente: al posto di un unico modello interpretativo, la fisica classica, si avevano due teorie più generali, la fisica quantistica e la fisica relativistica, una valida per piccole dimensioni, l'altra per velocità elevate. Ciascuna di queste teorie comprende la fisica classica come caso limite, cioè come approssimazione del modello per dimensioni grandi o per velocità piccole.

La saldatura tra fisica quantistica e fisica relativistica avviene nel campo delle piccole dimensioni e delle alte velocità; in questo ambito la teoria interpretativa (fisica quantum-relativistica) costituisce una delle attuali frontiere della scienza.


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