La fisica dell’800

Quali sono le leggi che governavano il mondo della fisica nell’800? Quali sono stati i fenomeni che hanno messo in crisi la fisica classica?

Scopriamolo assieme nelle prossime pagine!

A fine ‘800 l’interpretazione dei fenomeni fisici del mondo macroscopico era basata sulle:

• equazioni di Newton per i fenomeni meccanici, acustici e termici che ai primi si riconducevano attraverso l’applicazione della statistica ai sistemi (gas) di molte particelle
• equazioni di Maxwell che descrivevano in modo unitario i fenomeni elettrici, magnetici ed ottici.

Relativamente al primo punto è importante sottolineare che lo studio della meccanica si basa sulla legge di gravitazione universale e sulle tre leggi della dinamica. Da queste è possibile in linea di principio, dedurre con precisione l’evoluzione temporale di un sistema materiale qualunque, purchè se ne conoscano le condizioni iniziali e le caratteristiche meccaniche.

Fin dal ‘700 praticamente nessuno tra gli scienziati metteva in dubbio il fatto che qualunque fenomeno naturale (fisico, chimico, biologico) potesse essere spiegato con le leggi della meccanica classica. Per tutto il periodo che va all’incirca dalla seconda metà del ‘700 sin verso la fine dell’800 la ricerca fisica è caratterizzata dallo sforzo di estendere le sue leggi della meccanica alla spiegazione di tutti i fenomeni naturali.

Esso si realizza pienamente e senza alcuna difficoltà nel settore dell’acustica, poiché in tale periodo l’acustica trova la sua sistemazione teorica come studio meccanico delle onde nei mezzi materiali (Rayleigh 1842-1919).

Con altrettanta pienezza il programma meccanicistico si realizza nel settore della termologia. Negli anni attorno al 1820 nasce la scienza dei rapporti fra calore e produzione di lavoro, la termodinamica (Carnot), mediante la quale sarà possibile rendere conto di una grande quantità di dati sperimentali acquisiti attraverso l’osservazione del funzionamento delle macchine termiche.

Negli anni ’40 viene enunciato il principio di conservazione dell’energia (Mayer, Joule, Helmoltz) valido per qualunque sistema fisico isolato.

Nel 1850-1870 il concetto di calore trova una sua interpretazione definitiva nell’ambito di una descrizione corpuscolare e statistica (Clausius, Maxwell, Boltzmann).

Il primo ostacolo invalicabile sulla strada della realizzazione del programma meccanicistico viene, invece, col progredire durante tutto l’800 degli studi e delle ricerche sull’elettricità e sul magnetismo. In questo campo tuttavia nel corso dell’800 grazie ai contributi di Oersted, Faraday ed infine Maxwell, si profila un quadro teorico nuovo ed unitario che riassume nelle celebri 4 equazioni di Maxwell (1873) tutte le proprietà relative ai fenomeni elettrici e magnetici.

Le equazioni di Maxwell inoltre prevedono che i campi elettrici e magnetici possano propagare nel vuoto e che qui propaghino con la velocità della luce.

Si fa così strada l’ipotesi che la luce non fosse dunque che un caso particolare di onda elettromagnetica: dopo due secoli di controversie sembra chiarirsi in modo definitivo la natura della luce.

Young infatti nell’800 col suo celebre esperimento aveva messo in luce la natura ondulatoria della luce, ma era rimasto aperto il problema sulla natura delle onde luminose e su quale fosse il mezzo in cui tali onde propagassero ( ipotesi dell’etere).

Grazie al lavoro di Maxwell si chiarisce che la luce è un’onda elettromagnetica e che come tale può propagare anche nel vuoto. L’idea dell’etere venne abbandonata definitivamente nei primi anni del ‘900 grazie soprattutto ai lavori di Einstein sulla relatività ristretta. L’ottica diventa così una branca dell’elettromagnetismo .

Crisi della fisica classica

Negli ultimi anni dell’800 ed i primi del ‘900 i fisici scoprono in una serie di fenomeni che non si riescono a spiegare nel quadro precedentemente tracciato:

• Nascita della fisica atomica e nucleare : nel 1897 Thompson scopre l’elettrone. Si comprende che l’atomo non è una particella elementare. Si apre un filone di ricerca completamente nuovo volto a comprendere quale fosse dunque la struttura interna dell’atomo: la fisica atomica.
• Nel 1911 l’esperimento di Rutherford mostra che la materia è addensata in un volume molto piccolo dell’atomo: il nucleo. Si comprende che la materia è sostanzialmente vuota! Il nucleo risulta formato da particelle cariche, i protoni, che secondo le leggi dell’elettromagnetismo dovrebbero respingersi. Si comprende dunque che deve esistere un nuovo tipo di forza fondamentale responsabile della coesione delle particelle del nucleo: la forza nucleare forte. Nasce così la fisica nucleare, volta a comprendere l’origine e le caratteristiche della forza nucleare.

Se la nascita della fisica atomica e nucleare rappresenta un’estensione dell’orizzonte della conoscenza della natura e delle sue leggi, altri fenomeni mettono invece in crisi i due pilastri portanti su cui si reggeva il sistema fino ad allora consolidato: la meccanica newtoniana e l’elettromagnetismo di Maxwell. Infatti:

• Le misure volte a conoscere la velocità della luce misero in evidenza che, contrariamente a quanto previsto dalla legge di composizione delle velocità di Galileo, la velocità della luce sembra avere un valore limite non superabile. Questo fatto indusse Einstein a rivedere il principio di relatività galileiana e da questo lavoro nascerà la nuova relatività di Einstein che scardinerà la visione del mondo e della meccanica Newtoniana.
• Sull’altro versante l’elettromagnetismo classico falliva nell’interpretazione di alcuni fenomeni tra cui: le caratteristiche dell’effetto fotoelettrico e il modello planetario dell’atomo proposto da Rutherford. Il suo modello non descriveva in modo quantitativo lo spettro del corpo nero.

Nel 900 l’interpretazione delle caratteristiche della radiazione emessa dal corpo nero porterà Plank a postulare che gli scambi di energia durante l’emissione e l’assorbimento di radiazione avvenga per pacchetti discreti di energia chiamati “quanti”.

Quindi Einstein postulò che non solo gli scambi energetici avvengono in quanti ma che essi viaggiano nello spazio come particelle (fotoni) dotati di energia e quantità di moto, L’interpretazione dello spettro del corpo nero e dell’effetto fotoelettrico portano così ad attribuire alla radiazione elettromagnetica caratteristiche corpuscolari.

Fisica atomica

Sul versante della fisica atomica invece il superamento delle difficoltà mostrate dal modello di Rutherford portò Bohr a postulare delle regole di quantizzazione che vennero successivamente interpretate da De Broglie attribuendo agli elettroni anche delle caratteristiche ondulatorie. Si apre una delle crisi più profonde e più ricche di sviluppi nell’evoluzione della fisica : sembra crollare la distinzione che era stata netta tra onda e corpuscolo. La radiazione luminosa sembra in alcuni frangenti mostrare caratteristiche corpuscolari, la descrizione della materia su scala atomica deve associare alle particelle proprietà ondulatorie.

Tutti questi problemi trovano una loro definizione nel quadro unitario e rigoroso della meccanica quantistica, che vede il suo fondamento negli anni 1923-1927.

Questa era un po’ di storia della fisica  😉
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