origine e sviluppo della relativita

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CAPITOLO IV
1 - LA RIPRESA DELLO SVILUPPO CAPITALISTICO A PARTIRE DAL 1848:
VICENDE POLITICO-ECONOMICO-SOCIALI IN CONNESSIONE CON LO
SVILUPPO TECNICO-SCIENTIFICO (438)
Abbiamo già accennato nel paragrafo 1 del precedente capitolo che la borghesia industriale è la detentrice del
potere economico intorno alla metà del secolo XIX. Le vicende del '48 non fanno altro che sancire questa
egemonia a livello politico. La. Restaurazione delle classi aristocratiche e latifondiste è dovunque battuta e,
nonostante una profonda crisi economica che si abbatte sull 'Europa, il terreno è preparato per l' imponente balzo in
avanti indicato comunemente come seconda rivoluzione industriale.
Dopo il '48 si sente il bisogno di un generale riassestamento dei sistemi politici ed economici dei vari Stati che
passa attraverso un più decisivo ridimensionamento degli strati sociali più conservatori.
" Lo sviluppo capitalistico ha ormai bisogno di una struttura politica liberal-democratica, dell'unificazione dei
mercati nazionali, di un. sistema economioo liberistico, di un aumento delle disponibilità finanziarie e monetarie. Nel
ventennio che segue il 1848, infatti, prendono consistenza o si compiono i processi di unificazione nazionale (in
particolare della Germania intorno alla Prussia e dell'Italia intorno al Piemonte); le borghesie nazionali incrementano
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gli investimenti all'estero, aboliscono le misure protezionistiche allargando e consolidando un'area internazionale di
libero scambio, che incoraggia l'attività imprenditoriale, cui il temporaneo rialzo dei prezzi ed anche l'attività
bellica forniscono un consistente sostegno; si sperimentano nuove forme di credito e si sviluppa un sistema
bancario solido e compatto. Il trattato commerciale franco-britannico del 1860 ispirato alla libertà di commercio è
seguito da tutta una serie di trattati aventi analoga ispirazione." (439) Matura anche l'esigenza di superare la crisi
economica mediante una ripresa della produzione per portarla a livelli superiori a quelli, pure importantissimi,
del passato. D'altra parte le aperture doganali impongono una ristrutturazione industriale finalizzata alla penetrazione,
in regime di concorrenza, sui mercati esteri e, contemporaneamente, alla. difesa dei prodottti nazionali da quelli di
importazione. Si impone quindi un nuovo balzo tecnologico che trasformi l'industria, facendole superare i ristretti
limiti che le erano imposti dal ferro e dal vapore su cui essa essenzialmente si fondava. Occorre inventiva, non più
osservare, descrivere e sottoporre a trattamento teorico dei fenomeni, ma prefigurarli ed inventarli; la metodologia di
ricerca deve mutare: l'uso delle ipotesi, dei modelli e delle analogie si fa sempre più spinto, l'elaborazione
teorica sempre più astratta. In questo contesto le risposte dei tecnici diventano sempre più insoddisfacenti;
nell'ultima metà del secolo è la scienza che si porrà come strumento formidabile per lo sviluppo della tecnica,
finalizzata alla produzione industriale. La scienza, sempre più, acquisterà i connotati di scienza applicata e avrà i più
importanti successi proprio in quei paesi che come la Germania, e gli Stati Uniti cureranno di più questo suo
aspetto (attraverso la particolare struttura educativa, attraverso l'istituzione di laboratori di ricerca direttamente inseriti
nell'industria, attraverso la promozione da parte dello Stato, attraverso lo stretto legame che si va instaurando tra
laboratori universitari ed industria). Si inverte cosi il rapporto scienza-tecnica che fino alla prima metà del secolo
aveva visto quest'ultima. come trainante per tutti i problemi che nascevano nella produzione industriale ed anche
come suggeritrice di tematiche all'elaborazione scientifica. Il nuovo ruolo che la scienza acquista, come fattore
determinante di un nuovo modo di produzione, comporta una specializzazione sempre più spinta nei vari settori di
ricerca, come del resto era richiesto dal tipo di evoluzione che l'industria subiva.
La produzione di macchine per l'industria era stata, fino alla prima metà dell'Ottocento, la costruzione, ancora
essenzialmente di tipo artigianale, di grosse macchine per la grossa industria, con costi molto elevati. Pian piano si
affermò una duplice esigenza, da una parte di produrre macchine più piccole che potessero servire alle esigenze
dell'industria che oggi chiameremmo piccola e media, (440) e dall 'altra di alimentare gli standards di precisione
costruttiva, in modo sii rendere intercambiabili alcuni pezzi ed, in definitiva, in modo da passare alla produzione in
serie. Quindi anche nella costruzione di macchine si richiede una specializzazione sempre più spinta da
raggiungersi con il perfezionamento delle macchine utensili, con l'uso di materiali più adeguati e con un'ingegneria
più accurata.
Vale la pena soffermarsi un istante sulle piccole macchine e sulla produzione in serie.
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Abbiamo già detto che si sentiva l'esigenza di macchine più piccole e meno costose per lo sviluppo della piccola
e media industria che per molti versi sarebbe diventata un supporto formidabile alla grande industria. In genere
quest'ultima delega la costruzione di piccole parti, di accessori, di particolari pezzi, ad una industria più piccola che
per ciò stesso diventa satellite della prima. Ma se il ritmo di produzione delle due è sfasato, se cioè la grande industria
produce più in fretta perché ha a disposizione macchine automatiche più veloci, mentre la piccola industria, essendo
ancora legata a processi artigianali, produce più lentamente, non c'è raccordo possibile. E' quindi necessario
introdurre il nuovo modo di produzione anche in industrie più piccole , da necessario supporto a quelle grandi.
Una macchina ad aria calda (vapore surriscaldato), dovuta allo svedese J. Ericsonn (l803-l889) e basata sul
ciclo di Carnot, fece la sua comparsa nel 1833 ed ebbe una certa diffusione intorno al 1850. Essa fu però abbandonata
per la sua scarsa efficienza. Nel 1860 il belga E. Lenoir (1822-1900) costruì un motore ad accensione elettrica,
alimentato da una miscela esplosiva di gas ed aria, che funzionava come una particolare macchina a vapore. Ebbe
subito successo e se ne costruirono molti esemplari. Nel 1862 il francese A. B. de Rochas (1815-1887) inventa il
ciclo a 4 tempi per il motore a scoppio. Fondamentali per questa scoperta furono i brevetti degli italiani E.
Barsanti (1821-1864) e F. Matteucci (l808-l887), per il motore atmosferico (1854), per il motore bicilindrico a gas
(1856), per il motore a pistoni concorrenti in un'unica camera di scoppio (1858), per il motore a pistone libero
(l859). E' doveroso notare che i motori Barsanti-Matteucoi furono i primi ad essere accoppiati a delle macchine
utensili (cesoia e trapano nelle Officine della Ferrovia a Firenze, 1856) e che solo una non adeguata protezione dei
brevetti permise di assegnare ad altri la paternità del motore a scoppio. In ogni caso, sulla base del ciclo di de
Rochas, i tedeschi H.A. Otto (l832-l88l) ed E. Langen (1833-1895) ottengono un brevetto per un motore
atmosferico identico (ed addirittura più arretrato relativamente alla trasmissione del moto) a quello di BarsantiMatteucci. Questo motore ha il pregio di consumare 2/3 meno del motore Lenoir. " In dieci anni furono vendute
quasi 5.000 macchine atmosferiche da un quarto di cavallo fino a tre cavalli." (441) Il successo fu grandissimo ed
aumentò notevolmente quando, nel 1876, lo stesso Otto costruì il famoso motore silenzioso a quattro tempi,
alimentato dalla solita miscela esplosiva di gas ed aria, che risultava, molto meno pesante ed ingombrante della
macchina atmosferica.
Una caratteristica che mancava ancora alle piccole macchine motrici era la trasportabilità; infatti esse erano
legate, come ad un cordone ombelicale, alla conduttura del gas.
Fu l'altro tedesco G. Daimler (l834-1900) che, nel 1883, costruì un leggero e veloce motore a benzina. Ma il
motore che doveva avere i più clamorosi sviluppi (che poi portarono all'automobile) fu brevettato nel 1885,
indipendentemente da O. Daimler e C. Benz (1844-1929). Da ultimo, alla fine del secolo (l892), vide la luce il motore
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con accensione per compressione di R. Diesel (1858-1913) estremamente versatile sia all'uso in impianti fissi che
mobili, sia in impianti della più disparata potenza.
Connesso con lo sviluppo dei motori a benzina ebbe un grande incremento la richiesta di materia prima, il
petrolio, da cui la benzina ed il gasolio venivano ricavati. A partire dal 1857, quando in Romania venne perforato
il primo pozzo di petrolio e dal 1859 quando iniziarono le prime perforazioni negli Stati Uniti, la produzione di
questa materia prima crebbe sempre di più anche se la sua importanza diventerà fondamentale solo dopo la fine della
prima guerra mondiale.
La richiesta di piccole macchine , a prezzi accessibili, sarà comunque soddisfatta, come vedremo, dalle
applicazioni pratiche della scienza elettrica.
Passiamo ora a discutere brevemente dell'altra esigenza di cui si diceva: l'accuratezza ingegneristica nella
costruzione di macchine per permettere 1'utilizzazione di pezzi intercambiabili.
Le prime macchine a vapore erano state costruite con utensili molto rozzi e con una mano d'opera scarsamente
qualificata. Già Smeaton, nel 1760, doveva lamentarsi molto di questo stato di cose; nelle sue macchine, tra cilindro e
pistone, c'era uno spazio di circa mezzo pollice (su un diametro del cilindro di circa 28 pollici). (442) Questa
approssimazione nella costruzione era responsabile di alte perdite di potenza. Si cercò di porvi rimedio coprendo la
parte superiore del cilindro con uno strato d'acqua ma, nel progetto di Watt, dovendo la macchina funzionare con
cilindro sempre caldo, questo sistema, non poteva essere adottato. Ci furono quindi serie difficoltà per la
realizzazione del progetto di Watt che furono superate solo quando J. Wilkinson (1728-1808) riuscì a brevettare
(1774) un trapano perfezionato che rese possibile la fabbricazione di cilindri di precisione. Il problema era quindi
quello di una sempre maggiore precisione nella progettazione e, soprattutto, nelle macchine per la costruzione di
macchine.
Che sulla strada di ricerca di precisione si marciasse dovunque, lo d imostra il fatto che nel 1765 il costruttore
francese di armi, Le Blanc, introduce, nel processo di fabbricazione dei moschetti, l'intercambiabilità dei pezzi. Ciò
vuol dire che ogni pezzo deve essere esattamente uguale ad un altro di modo che, in caso di rottura del primo, sia
possibile montarne un secondo al suo posto.
Quindi, via. via, vengono realizzate macchine (443) sempre più in grado di costruire pezzi uguali tra loro.
Questo aspetto non è indipendente però dalla ricerca di materiali sempre più affidabili. Si realizzeranno così acciai
sempre più adatti ai fini che si volevano conseguire. E per far questo si dovette anche lavorare sui particolari
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convertitori per produrli (Bessemer, Siemens, Thomas, Martin,...). (444) Per alimentare questi giganteschi "forni" si
ricercano sempre nuove e più affidabili fonti di energia. In tal senso lo sviluppo dell'elettricità è perfettamente
funzionale ad ogni esigenza produttiva. L'elettricità gode della proprietà di essere "localmente" controllabile. Non
serve cioè avere un generatore nel luogo d'uso, ma basta un cavo per trasportare la fonte di energia dove si vuole
(445). Tutte le realizzazioni, le innovazioni, le scoperte subivano imponenti accelerazioni (ad opera essenzialmente
di tedeschi e statunitensi, in connessione con la ripresa dello sviluppo capitalistico dopo le vicende del '48) nell'ultimo
quarto di secolo. L'elettricità in soli 70 anni divenne completamente matura. Ma questo processo riguardò moltissimi
altri settori, tra cui quello chimico, a partire dall'industria dei coloranti (446); quello dell'automazione e dei
miglioramenti dei rendimenti termodinamici (447); insomma, veramente dovunque, si avanzò in modo da cambiare
radicalmente la struttura del mondo produttivo, dei modi di produzione, delle condizioni di vita della gente (448).
Inizia ad emergere con chiarezza lo stretto legame che l'industria instaura con la ricerca da cui attinge a piene
mani. D'altra parte lo stesso mondo scientifico, almeno quello più intraprendente, lavorava direttamente per l'industria
(Weber, Kohlraush, Kirchhoff, Kelvin,...)
Per dare solo un indice di come tutto ciò rivoluzionò l'intero modo di produzione industriale, si pensi che
alla fine del Settecento (1787) il lavoro nei campi di 19 contadini riusciva a produrre un surplus sufficiente ad
alimentare una persona che viveva in città, mentre agli inizi del Novecento (1935) gli stessi 19 contadini riuscivano a
produrre un surplus sufficiente ad. alimentare 66 persone che vivevano in città (i dati sono riferiti agli Stati Uniti). Si
può quindi ben capire come industrializzazione e meccanizzazione dell'agricoltura dovessero andare di pari passo:
sarebbe stato altrimenti impossibile distogliere mano d'opera dai campi per servire alla produzione nell'industria.
Ma per lo sviluppo di tutti i ritrovati tecnici che si andavano accumulando era indispensabile una enorme
disponibilità di capitali.
" Sul piano finanziario l'immissione di nuovo oro sul mercato e l'introduzione della carta moneta aumentano
notevolmente le disponibilità monetarie e, con la caduta del saggio d'interesse, si espande contemporaneamente il
volume del credito ... Le banche commerciali per azioni, nate in Gran Bretagna, si diffondono rapidamente sul
continente, favorendo una grande mobilitò di capitali e una notevole efficienza nell'utilizzazione delle risorse
finanziarie." (449)
Con la crisi poi che graverà su tutta l'Europa a partire dal 1873 fino al 1896 (grande depressione economica dalla
quale solo la Germania riuscì ad uscire quasi indenne) "il sistema bancario e finanziario subisce trasformazioni
profonde per rispondere alle nuove esigenze: da un lato la domanda di capitali per il dilatarsi delle imprese industriali
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con ritmi crescenti di innovazione tecnologica, dall'altro la quota, sempre più elevata di investimenti all'estero. Il
capitale si da' così forme nuove: nascono società finanziarie per azioni i cui rappresentanti siedono nei consigli di
amministrazione delle aziende ed il cui potere di controllo si esercita a tutti i livelli della vita economica, politica e
sociale." (450)
Ma all'interno delle fabbriche non si produceva soltanto con le macchine e con il capitale: occorreva anche la
forza lavoro degli operai. Leggiamo in proposito un brano scritto nel 1844 da un industriale tedesco, F. Harkorts:
" I grandi capitali sono sorti soprattutto attraverso le colpe delle amministrazioni, dei monopoli, dei debiti pubblici e
del deprecato traffico della carta moneta. Essi sono alla base dei giganteschi impianti, conducono alla truffa che va
oltre il bisogno, ed. opprimono le piccole officine, mediante le quali, prima, anche chi non era dotato di mezzi poteva
farsi una strada con la propria diligenza, con una giudiziosa tendenza all'agiatezza. Con l'introduzione delle
macchine, con la suddivisione del lavoro che viene spinta fino all'inverosimile (ad esempio nell'industria degli
orologi esistono 102 rami diversi a cui vengono indirizzati i vari apprendisti), (451) sono necessarie soltanto una
forza limitata ed assai poca intelligenze, e con la concorrenza il salario deve essere limitato al minimo indispensabile
per restare in vita. Se appena si verificano quelle crisi di sovraproduzione, che sempre si ripetono a breve distanza,
le paghe scendono subito al disotto dei limiti minimi; spesso il lavoro cessa completamente per qualche tempo ....
Così come stanno ora le cose i fanciulli vengono impiegati soltanto per deprimere le paghe degli adulti; se i
minorenni verranno eliminati dalla cerchia di coloro che possono lavorare, i più anziani troveranno migliori
compensi per il lavoro delle loro mani. Anch'io appartengo alla categoria dei padroni dell'industria, ma disprezzo di
tutto cuore la creazione di qualsiasi valore e ricchezza che si faccia a spese della dignità umana, ed abbassi la.
classe dei lavoratori. Il compito della macchina è di sollevare l'uomo dalla servitù animalesca, non quello di
creare ulteriore schiavitù." (452)
Harkort concludeva questo brano affermando che, migliorando le condizioni di vita dei lavoratori (case e cibi sani,
riduzione dell'orario di lavoro, educazione scolastica, compartecipazione agli utili, ...), si sarebbe raggiunta una
produzione di gran lunga maggiore. E quanto scriveva Harkort non era che lo specchio di una condizione di vita
operaia veramente insopportabile: bassi salari, completa precarietà del lavoro, giornate lavorative fino a 16 ore,
abitazioni e cibi malsani, mortalità infantile che arrivava fino a 300 per ogni mille nati vivi (" il punto più basso
nello sviluppo sociale che l'Europa abbia conosciuto dall'alto Medio Evo", così lo ha definito lo storico liberale Lewis
Mumford), ritmi frenetici con conseguenti molteplici incidenti, abbondanza di malattie professionali per le condizioni
di lavoro in fabbrica (la fabbrica era definita dallo stesso Mumford come " La casa del Terrore"). Anche i fanciulli,
perfino di 6 e 7 anni, venivano impiegati e perfino nelle miniere (si pensi che ci volle la legge mineraria inglese del
1842 per vietare il lavoro in miniera alle donne ed ai bambini di età inferiore a ... 10 anni ! Si pensi poi che l'uso dei
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bambini nelle fabbriche di cotone durò, negli Stati Uniti, fino al 1933).
Vi furono vari tentativi di accordo tra operai e padroni dell'industria ma, l'accordo stipulato in un certo periodo,
veniva regolarmente non rispettato dai padroni in un periodo successivo.
Verso la metà del secolo fu il tedesco Karl Marx (l8l8-l663) che, con estrema lucidità, denunciò le condizioni di
lavoro degli operai, analizzando i rapporti esistenti tra capitale, lavoro salariato e profitto, arrivando a prospettare
l'organizzazione rivoluzionaria degli sfruttati per l'abbattimento della società capitalistica e per l'emancipazione del
proletariato, (454) ed operando attivamente a questo fine "combattendo con una passione, con una tenacia e con un
successo come pochi hanno combattuto ... Marx era perciò l'uomo più odiato e calunniato del suo tempo. I governi,
assoluti e repubblicani, lo espulsero, i borghesi, conservatori e democratici radicali, lo coprirono a gara di
calunnie." (455) Ma l'eredità che questo uomo ha lasciato al movimento operaio di tutto il mondo è il bene più
prezioso di cui esso dispone. "Marx ed il movimento dei lavoratori che a lui si collegava contribuirono a far si che lo
Stato, a partire dall'ultimo quarto del XIX secolo, si sforzasse di migliorare le condizioni di lavoro e di vita dei
lavoratori dell'industria, con una legislazione di politica sociale progressista." (455 bis)
A parte queste considerazioni pur fondamentali, e per le quali rimando ai vari testi specializzati, rimane il fatto
che, a partire dalla metà dell'Ottocento, iniziarono conflitti sempre più estesi tra i padroni dell'industria e gli operai in
essa. occupati, soprattutto a partire dall'inizio degli anni '70 quando, come abbiamo già accennato, una profonda crisi
economica, che avrà il suo culmine nel crack del 1873 e sarà superata solo nel 1896, si abbatté su tutta l'Europa.
"Qui, come in occasione delle altre crisi cicliche, il meccanismo di accumulazione capitalistica si inceppa, si
restringono i margini di realizzazione del profitto ed emerge drammaticamente la contraddizione tra il livello di
produttività raggiunto e la struttura rigida del mercato nell'ambito dei rapporti di produzione esistenti. La caduta del
saggio medio di profitto diventa una concreta realtà che impone una trasformazione di tutto il complesso della
struttura produttiva al fine di rimettere in moto e dare nuovo slancio al meccanismo di sviluppo capitalistico. [A
questa crisi il mondo industriale risponde con] la chiusura della fase di libero scambio che aveva caratterizzato il
ventennio precedente e tutti i governi innalzano nuovamente rigide barriere doganali: si sviluppa così l'esigenza
sempre più pressante del controllo dei mercati d'oltremare e delle fonti di materie prime e le nazioni europee fanno a
gara nella conquista di nuovi territori in Asia e in Africa. Contemporaneamente l'urgenza di uscire dalla crisi e di
superare la fase di depressione impone un radicale processo di riconversione produttiva, alla ricerca di più elevati
standard di organizzazione e livelli tecnologici."(456)
Da una parte quindi si inaugura l'età del colonialismo e dell'imperialismo e dall'altra la necessità di riconversione
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porta alla fine di tutte le imprese più deboli e ad una grossa espulsione di operai dalle fabbriche. La strada che si
imboccò fu quella dell'ulteriore automazione che porterà alle teorizzazioni e realizzazioni dello statunitense F.W.
Taylor (1856-1915), fondatore del metodo dell'organizzazione scientifica del lavoro (parcellizzazione),
all'introduzione delle catene di montaggio e ad un grosso aumento di produzione.
Oltre a ciò si costruirono grosse concentrazioni industriali sotto forma di società per azioni, cartelli e trusts che
ben presto assunsero il ruolo di multinazionali,
:
Nel processo di ristrutturazione, a partire dalla crisi de '73, la Gran Bretagna e la Francia persero il loro
primato produttivo, economico, industriale, commerciale e scientifico-tecnologico. Questo primato passò alla
Germania ed agli Stati Uniti.
Indagare con una qualche pretesa di completezza questo passaggio di primato ci porterebbe troppo lontano,
ma alcuni elementi per comprenderlo possono essere delineati.
Certamente la struttura produttiva della Gran Bretagna era, ancora alla metà del secolo, di gran lunga la più
possente tra tutte le altre; e qui già si può cogliere un primo elemento del declino di questa potenza (che per molti
versi è simile a quello della Francia): una struttura. solida, che ha dei processi produttivi consolidati già da anni,
presenta molto maggiori difficoltà alla riconversione industriale e tecnologica (a meno che si rinunci a gran parte del
profitto per le cicliche indispensabili innovazioni). Altro elemento fondamentale, alla base della perdita del primato
britannico, fu la struttura scolastica ed educativa. Questa difficoltà non si presentò invece alla Germania (ed agli Stati
Uniti) che paradossalmente risultò avvantaggiata dalla sua preesistente arretratezza. (456 bis)
Mentre la Gran Bretagna, manteneva ancora una scuola profondamente classista in cui solo chi aveva soldi
poteva andare avanti e non c'era alcun incentivo statale alla pubblica istruzione, mentre in questo paese l'istruzione
non aveva alcun legame con il mondo della produzione e forniva una preparazione rigida e poco flessibile, al
contrario, in Germania, c'era una grossa promozione statale alla pubblica istruzione, che era obbligatoria a livello
primario, non c'era selezione sul censo, c'era una grossa selezione ma solo sulle capacità e la preparazione, c'era una
scuola strettamente legata alle esigenze produttive, una scuola molto elastica e flessibile che preparava personale
disciplinato ed altamente qualificato, in grado di poter cambiare mansione in caso di necessità; oltre a ciò vi erano
anche moltissime scuole per adulti ed in particolare per operai che erano facilitati a frequentarle per il fatto che la
legislazione dello Stato faceva obbligo agli industriali di lasciar loro del tempo libero per poter accedere ad esse.
Per quanto riguarda poi l'istruzione tecnico-scientifica a livello superiore, essa lasciava molto a desiderare in
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Gran Bretagna, pochi erano gli istituti che vi si dedicavano, pochi coloro che li frequentavano. La stessa struttura
rigida della produzione che aveva creato il miracolo britannico ora diventava un ostacolo alla successiva espansione,
non richiedendo il contributo di nuovi tecnici e scienziati.
In Germania, invece, le scuole tecniche prolificavano. Vi erano una quantità di istituti di ricerca altamente
specializzati, gli studenti potevano preparare liberamente piani di studio, i laboratori erano attrezzatissimi, vi si faceva
molta ricerca alla quale erano avviati anche gli studenti, vi erano borse di studio vere per studenti meno abbienti, vi si
sviluppava, una grande sensibilità ai problemi della produzione. Oltre a ciò, come già accennato, era la stessa
industria che da una parte si legava strettamente a questi centri di ricerca (soprattutto per la chimica) e dall'altra
manteneva propri laboratori con molti ricercatori al lavoro.
Ed a proposito del declino della Gran Bretagna, Cardwell osserva che "il fallimento non fu affatto, in quel
periodo, un fallimento economico; fu, invece, sostanzialmente un fallimento scientifico e tecnologico." (458)
E' quindi interessante notare che questo fallimento sul piano scientifico e tecnologico è riferito essenzialmente a
quanto sia la scienza che la tecnica potevano fare per lo sviluppo dei processi produttivi, infatti non è per nulla vero
che in Gran Bretagna non si facesse più scienza, anzi se ne faceva e molto sofisticata (Maxwell, Rayleigh, J.J.
Thomson, Rutherford,...), ma non era la scienza che serviva per i settori trainanti dal punto di vista produttivo, non era
scienza applicata e non fu in grado di inserirsi nei rivolgimenti scientifici di fine secolo e degli inizi del novecento.
Come osservano Baracca e Livi tutto ciò mostra "ancora una volta che l'evoluzione della scienza non dipende solo
dalla pura rilevanza fisica dei risultati, ma dal modo in cui essi si inseriscono in un processo più complesso,
caratterizzato dai livelli di integrazione della scienza nel sistema produttivo e dalla capacità di quest'ultimo di
valorizzarne nel modo più completo la ricaduta tecnologica." (459)
La situazione degli Stati Uniti era in parte simile ed in parte radicalmente diversa da quella della Germania.
Questo paese era di relativamente recente costituzione. Negli anni che vanno dal 1861 al 1865 esso aveva dovuto
affrontare la sanguinosissima guerra di secessione degli Stati del Sud che, per altri versi, segnò un grosso sforzo
produttivo a sostegno delle esigenze belliche, che comportò anche un grosso sforzo tecnologico sia per le stesse
esigenze belliche in senso stretto sia per sopperire alla mancanza di mano d'opera, principalmente nei campi, proprio
per effetto della guerra. E' dalla fine di questa guerra che gli Stati Uniti iniziarono la lunga marcia verso il primato
produttivo, scientifico e tecnologico a livello mondiale.
Le enormi distanze nel territorio, la scarsità di mano d'opera, le enormi ricchezze della terra sia per usi agricoli
che estrattivi, furono da stimolo ad uno sviluppo che si differenziava da quello europeo. In questo Paese la necessità
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imponeva soprattutto di occuparsi di trasporti, comunicazioni (la conquista del West) ed automazione (per sopperire
alla scarsità di mano d'opera) (460) sulla base, soprattutto, di una notevole mole di tecnologia empirica. (461)
D'altra parte anche le prestazioni operaie erano scarsamente qualificate a causa della inesistente tradizione culturale e
quindi educativa di quel Paese. Pertanto gli Stati Uniti puntarono essenzialmente sulla quantità di prodotto e sulle
industrie di assemblaggio, al contrario di quel che faceva la Germania che puntava sulla qualità del prodotto e sulle
industrie di trasformazione ad alta tecnologia. Tutto ciò comunque portò gli Stati Uniti al primato che condivise con
la Germania alla fine del secolo. La Gran Bretagna invece, alla fine del secolo, pur mantenendo ancora un certo
primato in alcuni settori produttivi, che erano stati quelli che avevano fatto la sua fortuna all'epoca della prima
rivoluzione industriale (industrie tessili e minerarie), si trovava nella situazione in cui il resto delle sue industrie
"erano per lo più filiali di ditte americane e tedesche o erano state impiantate da stranieri naturalizzati." (462)
Quelli che ho dato sono certamente brevi cenni ma possono servire da spunto di riflessione per eventuali
integrazioni e necessari ampliamenti.
Prima di concludere questo paragrafo ci rimane da fare alcune considerazioni sulle correnti di pensiero
dominanti nella seconda metà dell'Ottocento.
Il primo dato che emerge e' il tramonto del Romanticismo in connessione con una diffusa fiducia nelle capacità
della scienza di risolvere i problemi dell'uomo e di essere il motore del progresso (non meglio identificato).
Questo atteggiamento di fiducia nella scienza, che ai può senz'altro definire positivistico, non è tanto rintracciabile
nell'opera di un qualche autore dell'epoca (occorre rifarsi a Comte) quanto appunto in un diffuso stato d'animo che
nasceva, nelle classi che facevano cultura, in connessione con i successi della scienza e della tecnica. Si trattava di
una sorta di ammirazione attonita che non si preoccupava di andare a comprendere l'infinità delle implicazioni sociali
che il balzo tecnologico comportava, ma si accontentava soltanto di considerare i dati più appariscenti della questione.
Questo atteggiamento culturale può essere riassunto in un semplice slogan: e' solo la scienza che fornisce verità; la
religione e la metafisica (e quindi la filosofia) non ci aiutano ad andare avanti.
Questo atteggiamento si accompagnava ad un declino della filosofia tradizionale in tutta Europa. Da una
parte la scienza con le sue problematiche in terne, esterne e sui fondamenti, dall'altra l'incapacità, da parte di quella
filosofia, di cogliere il dibattito per mancanza degli strumenti di comprensione della materia del contendere. La
scienza era sempre più strutturata nel suo formalismo che tendeva via via ad anticipare fatti piuttosto che a spiegarne
di noti, ed al suo interne nacquero e si svilupparono tutte quelle tematiche che, in connessione con la crisi del
meccanicismo e le formulazioni evoluzionistiche, aprirono un dibattito e talvolta uno scontro tra visioni diverse del
mondo e dello stesso modo di fare scienza.
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La filosofia che non coglieva questa dinamica e non diventava filosofia della scienza rimaneva esclusa dal
dibattito dovendo ripiegare su se stessa.
Ci furono certamente dei tentativi di salvaguardare la 'purezza' della filosofia insieme al suo primato sulla
scienza (considerata, appunto, una forma di conoscenza inferiore) e tra di essi vanno ricordati quelli tardopositivisti
(dei quali ci occuperemo ancora) e quelli irrazionalisti (per i quali rimando ad un testo di filosofia).
Una menzione a parte la merita invece la corrente di pensiero pragmatista, che vide la luce nell'ultimo quarto
di secolo negli Stati Uniti, secondo la quale, ed in accordo con la visione della scienza cose forma inferiore di
conoscenza, sono solo le applicazioni che danno una misura della validità del sapere scientifico (anche 'la filosofia' ha
ben capito chi è che paga).
In ogni caso, al di là delle singole correnti di pensiero, emergeva con forza il problema dei rapporti scienzafilosofia.
Questa scienza che cambia i suoi metodi ed i suoi contenuti; mette in discussione i fondamenti; si impone
all'attenzione per le sue potenzialità produttive; ebbene, questa scienza rappresenta l'elemento più importante da
discutere alla fine del secolo. Se solo si pensa che anche Marx ed Engels (463) (e più tardi Lenin) sentirono il bisogno
di occuparsi di scienza, entrando in argomento, in modo discutibile se si vuole ma certamente con cognizione di causa
e puntuale conoscenza dello specifico, ci si rende conto di quanto attuale fosse il problema da qualunque parte fosse
guardato. Ma la separazione scienza-filosofia si andava via via consumando con effetti incalcolabili che ancora oggi
stiamo pagando.
Nei settori più consapevoli, comunque, per capire le connessioni ed i rapporti esistenti tra scienza e scienza e
tra scienza e società, nacque l'esigenza di una storia delle scienze che non fosse una semplice cronaca dei fatti ma che
andasse a ricercare l'origine profonda dei concetti, dei fatti, delle leggi, delle varie formulazioni e teorie, che non si
succedono staticamente in un processo di accumulazione successiva ma si articolano dinamicamente in una dialettica
molto complessa che non ha solo referenti interni ma anche e, per quanto abbiano visto, soprattutto esterni.
La fine dell'Ottocento vide anche un'altra novità che a buon diritto può essere considerata rivoluzionaria.
Molta enfasi viene spesso data all'inaugurazione galileiana del metodo sperimentale, ma quasi mai si pone attenzione
alla svolta che si operò alla fine dell'Ottocento, a partire dai lavori di Maxwell. Per la prima volta si rompeva lo
schema galileiano e, con il demandare agli altri la verifica sperimentale delle ipotesi e delle teorie, si inaugurò quel
FISICA/MENTE
processo che, come portato della divisione del lavoro e della sua sempre più spinta specializzazione, approdò alla
separazione tra teoria ed esperimento, con la nascita prima del fisico teorico e poi della fisica teorica.
E, sempre in questo contesto, in cui la scienza si rivestiva di un alone di superiorità, gli addetti ai lavori
iniziarono a trovare un alibi al di-sinteresse dell'uso che veniva fatto delle loro scoperte scientifiche. E quest'ultimo
aspetto non ha più un carattere di storia ma di cronaca contemporanea soprattutto se si pensa che ancora oggi c'è chi
dice che è la curiosità che muove la scienza, e che quest'ultima è perfettamente neutrale. (464)
2 - UN PANORAMA SU ALTRE SCOPERTE SCIENTIFICHE DEL SECOLO XIX. LA NASCITA DEI
QUANTI.
Nel capitolo precedente mi sono occupato ampiamente di alcuni aspetti dello sviluppo della ricerca fisica
nell'Ottocento ed in particolare ho riguardato con qualche dettaglio lo sviluppo dell'elettrodinamica e
dell'elettromagnetismo, dell'ottica e della termodinamica. Nei paragrafi che seguiranno svilupperò ancora alcuni
aspetti delle problematiche già affrontate con particolare riguardo all'ottica ed all'elettrodinamica - elettromagnetismo.
In questo paragrafo intendo dare un quadro più completo delle ricerche che in alcuni campi della scienza
(soprattutto chimica e fisica) si portavano avanti nel corso del secolo. Lo scopo di ciò è di dare un riferimento più
significativo per la comprensione degli argomenti che, invece, ho trattato e tratterò con maggiori dettagli.
Alcune delle cose che era dirò saranno soltanto una cronologia di alcune tappe significative, e questo
principalmente per la matematica e la chimica. Su alcuni aspetti dello sviluppo della fisica non esplicitamente fin qui
rilevati o discussi (o da discutere nei prossimi paragrafi) ai soffermerò un poco di più.
E' solo il caso di ricordare che gran parte delle ricerche di questo secolo saranno improntate al filone di
pensiero, già più volte richiamato, che va sotto il nome di meccanicismo fisico, eredità del pensiero newtoniano. (465)
Ho già detto più volte che questo meccanicismo assumerà articolazioni diverse e che, in nome di Newton, saranno
affermate le cose più diverse e, a volte, addirittura antitetiche. Ma, al di là di queste considerazioni, rimane il fatto che
la tradizione culturale dominante fa del richiamo a Newton una questione imprescindibile ed in questo senso è
estremamente significativo che l'atteggiamento che via via emergerà sarà il ricondurre alla meccanica, non solo tutti i
più disparati fenomeni che venivano scoperti nel campo della fisica e della chimica, ma anche quelli che provenivano
da scienze più distanti come, ad esempio, la biologia e la fisiologia. Dovunque si cercheranno modelli meccanici a
FISICA/MENTE
cui affidare, insieme alla loro elaborazione matematica, la spiegazione della realtà. E questa tendenza alla ricerca del
modello (e dell'analogia) si accentuerà molto verso la fine del secolo, quando il grado di astrazione delle elaborazioni
matematiche raggiungerà livelli non più immediatamente rappresentabili mentalmente. Ed, anche qui, in nome di
Newton, si elaboreranno (e costruiranno materialmente) modelli così incredibilmente complessi da essere, quanto
meno, molto lontani, essi stessi, da una semplice rappresentazione meccanica e quindi dalla semplicità degli schemi
interpretativi introdotti da Newton. Valga come esempio il modello che Kelvin propose per l'etere nel 1889. Egli
costruì un modello meccanico di un elemento di un modello di etere proposto nel 1839 da J. Mac Cullagh (l809-l847).
" Dispose quattro bastoncini a forma di tetraedro, e preso come asse ciascun bastoncino vi sistemò una coppia di
volani giroscopici (466) ruotanti l'uno in senso contrario all'altro. Questo modello opponeva resistenza ad ogni
disturbo in senso rotatorio, ma non opponeva alcuna resistenza a moti traslatori." (467) In questo modo si cercava di
rendere conto delle strane proprietà che il supposto etere avrebbe dovuto avere (estremamente sottile, estremamente
elastico, in grado di trasmettere vibrazioni trasversali).
Su questa strada si mosse anche Helmholtz e via via molti altri.
La ricerca di modelli meccanici o meno era anche teorizzata dallo stesso Kelvin con queste significative parole:
"Io non sono soddisfatto finché non ho potuto costruire un modello meccanico dell'oggetto che studio. Se posso
costruire un tale modello meccanico comprendo; sino a che non posso costruirlo, non comprendo affatto." (468)
La ricerca di una spiegazione meccanicistica era poi così enunciata da Helmholtz: " II problema della scienza
fisica naturale è ricondurre i fenomeni naturali a immutabili forze attrattive e repulsive la cui intensità dipende
solamente dalla distanza. La soluzione di questo problema è la condizione per una completa comprensibilità della
natura." (469)
E' in ogni caso altrettanto vero che, proprio verso la fine del secolo, la crisi del sistema meccanicistico portava ad
altre formulazioni o quanto meno alla messa in discussione della pretesa di voler spiegare tutto con la meccanica. Ma
di questo ci occuperemo più oltre, nei paragrafi seguenti.
Passiamo ora, per singole discipline, a dare quel panorama di riferimento annunciato, ricordando solo che le cose
qui elencate non hanno trovato posto in altre parti del lavoro.
Astronomia
Ormai l'astronomia si avvia pian piano a diventare astrofisica. (470)
Nel corso del secolo verranno
FISICA/MENTE
perfezionate le osservazioni del sistema solare e si estenderanno le osservazioni al di fuori di esso, si scopriranno vari
astri e si costruiranno vari cataloghi di stelle che verranno suddivise, a seconda delle loro caratteristiche, in vari
gruppi. Più in particolare, i fatti più significativi sono:
- la dimostrazione che i moti propri stellari riguardano tutte le stelle, fatta dall'italiane G. Piazzi (1746-1826) nel
1814;
- la scoperta del moto delle stelle doppie in orbite ellittiche intorno al baricentro comune, fatta dal tedesco (che lavorò
in Gran Bretagna) W. Herschel (1738-1622) nel 1820;
- la determinazione delle posizioni, delle distanze, del colore e della grandezza di un gran numero di stelle doppie,
fatta dal russo W. Struve (1793-1864) nel 1837;
- la prima determinazione della parallasse annua di una stella, fatta dal tedesco P.W. Bessel (1784-1846) nel 1838;
- la prima osservazione di una nebulosa a spirale, fatta dal britannico W.P. Rosse (1800-1867) nel 1845;
- la predizione dell'esistenza di Nettuno fatta studiando le perturbazioni di Urano, dal francese U.J.J. Le Verrier (l811l877) e quindi la sua scoperta ad opera del tedesco F.J. Galle (1812-1910) nello stesso anno 1846;
- la dimostrazione della rotazione della Terra sul suo asse, fatta da L. Foucault nel 1851 con il sue famoso
esperimento del pendolo;
- la fondazione della spettroscopia stellare fatta nel 1863 dall'italiano A. Secchi (1816-1878);
- la dimostrazione della struttura discontinua degli anelli di Saturno (già teorizzata da Maxwell nel 1859), fatta dallo
statunitense J.C. Keeler (1857-1900) nel 1895.
Matematica
Questa scienza nel secolo in esame ebbe uno sviluppo possente. Si approfondirono e svilupparono campi già
noti; inoltre si aprirono nuovi capitoli, alcuni dei quali di grande interesse ai fini degli sviluppi futuri della fisica.
L'analisi acquistò la sua sistemazione quasi definitiva, passando dalla formulazione classica a quella moderna con la
creazione della teoria degli insiemi, il riconoscimento dell'importanza della logica e, soprattutto, la trattazione
FISICA/MENTE
rigorosa.
Notevolissimo impulso ebbe la teoria delle funzioni e delle equazioni differenziali; furono introdotte le
equazioni integrali ed il calcolo funzionale; anche nei campi dell'algebra e della geometria si progredì molto ed in
particolare nacquero la teoria dei gruppi, le geometrie non euclidee, la geometria algebrica, la geometria differenziale,
il calcolo differenziale assoluto e la topologia. Fu inoltre dimostrata resistenza dei numeri trascendenti con notevoli
conseguenze sul secolare problema della quadratura del cerchio. Infine anche il calcolo delle probabilità fece notevoli
progressi.
Esula completamente dai miei scopi l'andare a discutere di questi problemi. Voglio solo ricordare alcuni dei
nomi che maggiormente contribuirono agli eccezionali sviluppi della matematica cui abbiamo fatto cenno:
i tedeschi: Kummer, Kronecker, Schwartz, Jaoobi, Gauss, Hilbert, Bessel, Dirichlet, Riemann, Weierstrass, Cantor,
Klein, Dedekind, Listing, Hankel, Frege;
i francesi: Laplace, Poisson, Legendre, Fourier, Liouville, Hermite, Cauchy, Sturm, Galois, Picard, Poincaré,
Briquebon, Poncelet, Lamé, Lebesgue;
i britannici: De Morgan, Clifford, Bode;
gli italiani: Ruffini, Betti, Cremona, Volterra, Peano, Beltrami, Enriques, Dini, Castelnuovo, Ricci-Curbastro, LeviCivita;
i norvegesi: Abel, Lee;
i russi: Lobacevskij, Tcebycheff, Minkowski (che studiò e lavorò in Germania);
l'irlandese: Hamilton;
il cecoslovacco: Bolzano;
lo svizzero Argand;
il rumeno: Bolyai.
FISICA/MENTE
Chimica
Dei pregressi della chimica, soprattutto di quella organica, abbiamo già parlato abbastanza nelle note del
paragrafo precedente. Resta solo da aggiungere che quei progressi furono permessi dalla graduale sistemazione della
chimica inorganica a partire dallo studio dei gas fino ad arrivare alla teoria della valenza ed alla tavola periodica degli
elementi. Le tappe più importanti da ricordare sono:
1802 - il francese Gay-Lussac (1778-1850) estende la legge di Volta, relativa alla dilatazione termica dei gas, a tutti i
gas;
1803 - il francese J.L. Proust (1761-1826) formula la legge delle proporzioni definite (mentre si trova a lavorare in
Spagna!);
1808 - il britannico J. Dalton (1766-1844) avanza l'ipotesi atomica e stabilisce la legge delle proporzioni multiple;
1808 - Gay-Lussac formula la legge dei volumi dei gas;
1811 - l'italiano A. Avogadro (1766-1856) formula la legge che porta il suo nome (volumi uguali di gas, nelle stesse
condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di grammomolecole);
1811 - Avogadro formula l'ipotesi che porta il suo nome e che permette di distinguere atomi da molecole (le molecole
dei corpi semplici gassosi sono formate da atomi identici mentre le molecole dei corpi composti gassosi sono formate
da atomi differenti); si osservi che si dovranno attendere circa 50 anni prima che questa ipotesi venga presa in
considerazione, fatto quest'ultimo che permetterà enormi sviluppi nella chimica;
1815 - il britannico W. Prout (1785-1850) sostiene che i pesi atomici sono multipli interi di quello dell'idrogeno;
1826 - il britannico W.H. Fox Talbot (1800-1877) scopre che con l'analisi spettroscopica di sostanze incandescenti si
può conoscere la loro composizione chimica;
1836 - lo svedese J.J. Berzelius (1779-1849) formula l'ipotesi che l'affinità chimica è dovuta alle cariche elettriche di
segno contrario presenti nelle sostanze che reagiscono (altri importanti lavori di Berzelius avevano preceduto questo;
le stesse leggi per la composizione chimica delle sostanze inorganiche valgono per le organiche; prima tabella dei pesi
FISICA/MENTE
atomici; indicazione simbolica degli elementi con le loro iniziali latine);
1858 - l'italiano S. Cannizzaro (1826-1910) riprende l'ipotesi di Avogadro e suggerisce un metodo per la
determinazione dei pesi atomici;
1869 - il russo S. Mendelejev (1834-1907) costruisce il sistema periodico degli elementi;
1874 - il francese A. Le Bel (1847-1937) e, indipendentemente, l'olandese J.H. Van't Hoff (1852-1911 ) introducono
le formule stereochimiche;
1876 - lo statunitense J.W. Gibbs (l839-1903) enuncia la regola delle fasi che permette di studiare l'equilibrio delle
sostanze eterogenee su base matematica con stretti legami con la termodinamica;
1887 - lo svedese S. Arrhenius (1859-1927) fornisce una spiegazione della dissociazione elettrolitica in base
all'ipotesi, già avanzata da Clausius nel 1857, dell'esistenza di ioni di segno contrario all'interno dell'elettrolito.
Meccanica
In questo campo si continua ancora a sistemare quanto trovato nei secoli precedenti puntando soprattutto a
chiarire alcuni concetti (come quello di forza) ancora ritenuti oscuri. Un ruolo importante l'assume invece lo studio
dei sistemi rotanti, con riguardo alle forze centrifughe ed ai moti relativi.
1829 - il francese D. Poisson (1781-1840) determina le equazioni generali del moto dei corpi;
1830 - il tedesco K.F. Gauss (1777-1855) enuncia il principio fondamentale della meccanica, detto principio del
minimo sforzo;
1835 - il francese G.G. Coriolis (1792-1843) determina le condizioni per formulare l'equazione del moto relativo di
un sistema di corpi stabilendo (l836), nel teorema che porta il sue nome, il ruolo della forza centrifuga;
1836 - l'irlandese W.R. Hamilton (l805-l865) ricava dalle equazioni di Lagrange le equazioni canoniche della
dinamica o hamiltoniane;
1850 - il francese L. Foucault studia l'effetto della forza d'inerzia in un sistema in rapida rotazione».
FISICA/MENTE
Spettroscopia (nascita della fisica dei quanti).
E' questo un campo nuovo che si apre in queste secolo, sulla scia della decomposizione dello spettro solare
ottenuta da Newton con il prisma, e che avrà sviluppi formidabili fino alla prima formulazione dell'ipotesi dei quanti
ad opera di Planck nel 1900. E tutto ciò discenderà da una felice intersezione con i metodi ed i risultati della
termodinamica. Seguiamone le tappe principali:
1802 - il britannico W.H. Wollaston (1766-1828), osservando lo spettro solare prodotto da un prisma, scopre
l'esistenza di sette righe scure distribuite in modo irregolare;
1814 - il tedesco J. Fraunbofer (1787-1826) osserva il fenomeno in modo più approfondito: conta 560 righe scure,
scopre che una di queste righe (la D) coincide con la doppia riga gialla del sodio (Fraunhofer non sapeva ancora che
quella doppia riga gialla era caratteristica del sodio: egli la otteneva osservando lo spettro prodotto da una candela, da
una lampada ad elio e da una lampada ad alcool); (471) costruisce la prima carta dello spettro solare, scopre nello
spettro di Venere alcune righe presenti nello spettro del Sole, introduce i reticoli di diffrazione con i quali realizza le
prime determinazioni della lunghezza d'onda dei vari colori dello spettro;
1827-1855 - in questi anni si sommano diversi contributi ed in particolare: la scoperta della fotografia ad opera del
francese J.P. Niepce (1765-1833); la scoperta dell'emissione di spettri da parte di solidi portati all'incandescenza, ad
opera del britannico J.W. Draper (1811-1882);
1857 - il tedesco R.W. Bunsen (1811-1899) scopre che utilizzando il gas illuminante, installato nel suo laboratorio nel
1855, si ottiene una fiamma non molto luminosa ma ad alta temperatura e costruisce il becco Bunsen, con il quale si
possono ottenere gli spettri dei soli corpi portati all'incandescenza senza interferenze da parte della fiamma che non
ha un proprio colore specifico;
1859 - Kirchhoff e Bunsen gettano le basi della moderna spettroscopia, distinguendo con chiarezza la differenza
esistente tra spettri di emissione e spettri di assorbimento : se sul becco si fa bruciare del sodio, lo spettro presenta due
righe gialle che coincidono esattamente con le più brillanti delle linee oscure dello spettro del Sole (riga D);
osservando poi lo spettro della luce solare lungo la cui traiettoria è interposto il becco con del sodio che brucia, non
appare più la riga D nello spettro solare ed al suo posto vi sono le righe gialle del sodio; questo ultimo fenomeno si
verifica solo quando la luce solare è molto attenuata, in caso contrario si continua a vedere la linea D; lo stesso
FISICA/MENTE
fenomeno si può ottenere mantenendo costante l'intensità della luce solare e aumentando o diminuendo la temperatura
della fiamma del becco. Da ciò Kirchhoff capì il significato dello spettro solare ed in particolare delle sue linee scure:
la superficie del Sole emette radiazioni (fotosfera) di tutti i colori e l'atmosfera di gas incandescenti del Sole
(cromosfera e corona), molto meno calda della fotosfera, assorbe una parte delle radiazioni emesse dal Sole, ed
assorbe quelle che sono emesse dagli elementi componenti l'atmosfera solare. Come dice Kirchhoff: "le fiamme
colorate nei cui spettri si presentano linee brillanti e marcate [spettro di emissione], indebolisce talmente i raggi del
colore di queste linee quando passano attraverso di esse, che in luogo delle linee brillanti compaiono linee scure
[spettro di assorbimento] quando si colloca dietro la fiamma una fonte di luce di sufficiente intensità e nel cui spettro
mancano queste linee. Concludo quindi che le linee scure dello spettro solare, he non sono prodotte dall' atmosfera
terrestre, nascono dalla presenza nella infuocata atmosfera del Sole, di quelle sostanze che nello spettro di una fiamma
presentano le linee brillanti nella stessa posizione." (473) Ed in questo modo Kirchhoff e Bunsen riuscirono a
stabilire la presenza sul Sole di alcuni elementi: confrontando le righe che compongono lo spettro solare con quelle,
ottenute in laboratorio, per elementi noti (all'esistenza di un dato insieme di righe nello spettro corrisponde sempre la
presenza di un dato elemento).
Altro fondamentale risultato ottenuto da Kirchhoff nello stesso anno è il cosiddetto principio di inversione
secondo il quale una sostanza assorbe le stesse radiazioni che è in grado di emettere. (474)
Per portare avanti le loro ricerche i due ricercatori si servirono di uno spettroscopio, strumento da loro realizzato
e costruito da K. A. von Steinheil (famoso costruttore di strumenti ottici) nel 1853. I risultati qui esposti possono
essere considerati il fondamento dell'astrofisica e della fisica teorica. Da questo momento si iniziò lo studio
sistematico degli spettri di varie stelle ed il risultato di queste osservazioni portò a riconoscere che tutti gli elementi in
esse presenti sono gli stessi che conosciamo sulla Terra.
/
Nello stesso anno Kirchhoff scoprì le proprietà del corpo nero. Dallo studio dei fenomeni ad esso connessi ne
scaturì la scoperta della fisica dei quanti ad opera di Max Planck [nel sito vi è una ricostruzione dettagliata delle
vicende che portarono ai lavori di Planck; ad esso rimando per approfondire la questione ed avverto che saltano qui le
note 475 e 476].
1900 — Kelvin apre il nuovo secolo con un articolo che riassume bene tutte le difficoltà della fisica a quell'epoca, dal
titolo significativo: Nubi del diciannovesimo secolo sulla teoria dinamica del calore e della luce. La prima nube è,
secondo Kelvin, quella del moto relativo dell'etere e dei corpi ponderabili che, come abbiamo visto nel paragrafo 6
del capitolo 3, poneva difficoltà che sembravano insormontabili. Del diradarsi di questa nube ci occuperemo in
seguito, basti per ora dire che il cielo si schiarì con la teoria della relatività di Einstein. La seconda nube e' proprio
FISICA/MENTE
relativa all'argomento irraggiamento di un corpo nero. Tutta la fisica classica era stata messa alla prova ed i risultati
erano clamorosamente in disaccordo con l'esperienza. Dice Kelvin riportando parole di Rayleigh: "Siamo di fronte ad
una difficoltà fondamentale, che non è semplicemente connessa alla teoria dei gas, quanto piuttosto alla dinamica
generale. Ciò che sembrerebbe necessario è un qualche modo di sfuggire alla distruttiva semplicità della conclusione
generale." (476)
E tutti i fisici dell'epoca erano d'accordo con questa conclusione;
1900 - alla fine dell'anno Planck risolve la questione del corpo nero facendo l'ipotesi dei quanti
1905 - A. Einstein riprende l'ipotesi dei quanti calcolandosi la variazione di entropia di una trasformazione
termodinamica che tratta la radiazione come un gas di oscillatori e che fa passare il volume della cavità del corpo nero
da un valore V1 ad un valore V2, quando la pressione e' mantenuta costante. Egli trova:
∆S =
f(ν/Τ). 1/ε . κ . log (V2/V1)
dove f (ν/T) è la solita funzione di ν/T ed e ε = hν. Questa espressione risulta formalmente identica a quella che
fornisce ∆S per un gas perfetto, formato da N particelle, che subisce la stessa trasformazione:
∆ S = N. K . log (V2/V1)
da cui:
S2 - S1 = N. K . log V2 - N. K . log V
1
che è ancora formalmente identica a quella trovata da Boltzmann:
S = K . log P.
L'analogia porta Einstein a concludere che la radiazione è costituita da corpuscoli (i quanti) di energia ε = hν (è
una euristica esigenza di simmetria che, per sua stessa ammissione, aveva mosso Einstein). A questo punto mediante
FISICA/MENTE
la stessa ipotesi dei quanti, Einstein passa a dare una spiegazione di quello strano fenomeno, l'effetto fotoelettrico
(477), scoperto dal tedesco H. Hertz nel 1877, e studiato dall'italiano A. Righi (1850-1920) nel 1888 e dal tedesco W.
Hallwachs (1859-1922); nel far ciò Einstein implicitamente ammette che anche la propagazione dell'energia avvenga
per quanti (fatto che radicalizza il contrasto con la teoria elettromagnetica della luce).
Ha inizio la fisica quantistica che negli anni seguenti avrà enormi sviluppi. Alcune sue formulazioni però, ed in
particolare l'introduzione in essa della probabilità fatta da Born nel 1926, vedranno lo stesso Einstein molto critico
verso questa branca della fisica che nel frattempo diventava sempre più autoritaria ed efficientista. (478)
Scarica ne i gas
Anche questo è un nuovo campo di ricerca che si inaugura agli inizi dell'ultimo quarto di secolo. L'innesto dei
risultati delle ricerche in questo settore con alcune conclusioni che si traevano dai fenomeni elettrolitici portò
all'affermazione dell'esistenza di una struttura discontinua dell'elettricità, a prevedere e quindi a provare l'esistenza
dell'elettrone, a misurarne carica e massa dando il via a quell'altro vasto campo di ricerca della fisica che riguarda la
struttura atomica, molecolare e, quindi, della materia. Ripercorriamo, anche qui, alcune tappe di rilievo:
1833 - Faraday stabilisce le leggi dell'elettrolisi ricavando che, in questo fenomeno, "gli atomi dei corpi che sono
equivalenti fra loro posseggono delle quantità uguali di elettricità, che sono loro associate per natura" (479) Pur non
essendo un corpuscolarista, Faraday riesce a formulare una legge nella quale è implicito il concetto di quantità
elementare di elettricità o elettrone. Ma Faraday non approfondirà la cosa;
1874 - l'irlandese G.J. Stoney (1861-1911), partendo dall'analisi delle leggi di Faraday per l'elettrolisi, postula
l'esistenza di una quantità elementare di elettricità "indipendente dai corpi sui quali agisce" (48 0) ed in seguito
(1891) darà a questa quantità elementare il nome di elettrone;
1879 - il britannico W. Crookes (1832-1921) produce una scarica elettrica in un tubo di vetro in cui aveva praticato un
vuoto molto spinto (dell'ordine di un milionesimo di atmosfera). Da questa esperienza ricava l'esistenza di raggi
emessi dal catodo costituiti, secondo la sua teoria, da molecole elettrizzate espulse dal catodo stesso (raggi catodici);
(481)
1861 - anche il tedesco E. Riecke (1845-1915) sostiene la natura corpuscolare dei raggi catodici;
1881 - Helmholtz, studiando i fenomeni del l'elettrolisi, stabilisce la costanza e l'indivisibilità della carica elettrica
FISICA/MENTE
degli ioni monovalenti, si convinse dell'esistenza di una carica elementare e la difende con molto impegno: "Se
ammettiamo l'ipotesi che le sostanze elementari sono composte da atomi, non possiamo evitare di concludere che
l'elettricità, sia positiva che negativa, è suddivisa in particelle elementari definite che si comportano come atomi di
elettricità"; (482)
1883 - il tedesco H. Hertz (1857-1894), insieme al suo assistente P. Lenard, fece una serie di esperienze con le
scariche nei gas rarefatti. In particolare osservò (1892) che i raggi catodici erano in grado di attraversare lamine
metalliche sottili. Da ciò egli concluse che non poteva trattarsi di fenomeni corpuscolari e che, al contrario, i raggi
catodici non sono altro che vibrazioni dell'etere, allo stesso modo della luce. Hertz convince con queste
argomentazioni i ricercatori tedeschi: le ricerche in questo campo proseguiranno essenzialmente in Gran Bretagna;
1886 - il tedesco E. Goldstein (1850-1930), servendosi di un catodo perforato, scopre l'esistenza di raggi anodici, o
positivi o canale o di Goldstein;
1890 - il tedesco A. Schuster (1851-1934) riesce a misurare il rapporto tra la carica e la massa delle ipotetiche
particelle emesse dal catodo, osservandone la deviazione in un campo magnetico (il valore da lui trovato era molto
lontano da quello oggi accettato, ma il metodo da lui introdotto si rivelò molto importante nel seguito); (483)
1892 - l'olandese H.A. Lorentz (l853-1928) elabora la sua teoria degli elettroni nella quale considera l'elettricità
costituita da particelle dota te di carica e massa (del lavoro in cui Lorentz avanza questa teoria mi occuperò
abbondantemente nei paragrafi seguenti, per la sua rilevanza ai fini della storia della relatività);
1894 - il britannico J.J. Thomson (1856-1940), usando di uno specchio ruotante, riesce a calcolare la velocità dei
raggi catodici trovando un valore di circa 10.000 Km/sec, velocità molto più piccola di quella della luce ed
enormemente più grande di quella delle molecole di un gas. Quindi, conclude Thomson, né Hertz né Crookes hanno
ragione: non si tratta né di vibrazioni dell'etere né di molecole, ma di particelle d'altra natura e cariche negativamente;
1894 - P. Lenard dimostra che i raggi catodici possono uscire dal tubo di scarica, attraversando foglie sottili di
alluminio come finestre e quindi diffondendosi nell'aria;
1895 - il tedesco W.C. Rontgen (1845-1923) scopre che, nelle vicinanze di un tubo di Crookes, le lastre fotografiche
rimangono impressionate ed interpreta il fenomeno come originato da nuovi e misteriosi raggi provenienti dal tubo,
che egli chiama raggi X;
FISICA/MENTE
1895 - il francese J. Perrin (1670-1941) dimostra che i raggi catodici sono costituiti da particelle cariche
negativamente, gli elettroni;
1896 - Rontgen approfondisce lo studio dei raggi X scoprendo che essi sono generati da tutti i punti colpiti dai raggi
catodici e che hanno la proprietà di scaricare i corpi elettrizzati;
1896 - il francese G. Gouy (1654-1926) scopre la rifrazione e la diffrazione dei raggi X;
1697 - J. J. Thomson dimostra che quando i raggi X passano attraverso un gas lo rendono conduttore di elettricità;
1697 - il tedesco K.F. Braun (1850-1918) dimostra che i raggi catodici sono deviati da un campo magnetico, ma
anche da un campo elettrico e su questo principio costruisce un tubo (tubo di Braun), del tipo del video di un
televisore. Sul fondo del tubo è cosparsa sostanza fluorescente sulla quale si produce una piccola scintillina quando è
colpita da un raggio catodico;
1897 - il tedesco W. Wiechert (l86l-1928) fornisce un'altra determinazione del rapporto tra massa e carica
dell'elettrone, dalla deviazione dei raggi catodici sotto l'influenza di un campo magnetico e dal confronto dei dati così
ottenuti con quelli che erano stati ottenuti mediante elettrolisi; (484)
1897 - J.J. Thomson misura il rapporto e/m, tra carica e massa di un elettrone, trovando che esso vale 770 volte
l'analogo rapporto per lo ione idrogeno;
1897 - il tedesco W. Kaufmann (1871-1947), usando il tubo di Braun, corregge in 1770 il valore trovato da Thomson.
Per le sue misure Kaufman si basa sempre sulla deviazione dei raggi catodici mediante campo magnetico ma anche
sulla differenza di potenziale tra gli elettrodi.
A questo punto comincia a porsi il problema: se e/m calcolato per l'elettrone è tanto più grande del Q/M dello
ione, ciò dipende dal fatto che è molto più grande di Q o dal fatto che è molto più piccolo di M ? Proprio allora il
britannico C.T.R. Wilson (1869-1959) costruì uno strumento che permetteva di visualizzare le tracce delle particelle
cariche (camera di Wilson o camera a nebbia).
1899 - J.J. Thomson, utilizzando una camera di Wilson, scopre che la carica di uno ione gassoso è la stessa dello ione
idrogeno da fenomeni elettrolitici ed è anche la stessa di quelle particelle che vengono emesse da una superficie
metallica per effetto fotoelettrico. Thomson trasse la conclusione che la carica dell'elettrone doveva essere uguale a
FISICA/MENTE
quella dello ione idrogeno (che oggi sappiamo essere un protone), e di conseguenza era la massa m dell'elettrone che
doveva essere molto piccola rispetto a quella di questo ione. Il valore che Thomson trovò per m era più piccolo di
circa 1700 volte del valore della massa dello ione idrogeno. Questo valore fu in seguito perfezionato da ulteriori
misure e mediante strumenti sempre più perfezionati.
Scoperta l'esistenza di una carica negativa costituente la materia e dato per scontato che la materia è neutra, si
cominciò a porre il problema delle cariche positive che, all'interno della stessa materia, avrebbero dovuto
neutralizzare le negative.
Come era organizzato il tutto ?
Via via iniziarono le prime ipotesi sulla costituzione dell'atomo che da una parte usarono degli spettri atomici e
dall'altro trovarono compimento con l'applicazione della fisica quantistica (e di quella relativistica) all'intero edificio
atomico.
Ricerche diverse
Altra grande mole di ricerche e scoperte viene realizzata nel secolo. Si tratta essenzialmente di varie derivazioni
dalle cose che abbiamo precedentemente visto ma anche di cose nuove che avranno notevoli sviluppi (come la
scoperta della radioattività) o che creeranno enormi polemiche (come la formulazione della teoria evoluzionista).
Elenco di seguito alcune tappe degne di interesse:
1836 - Faraday scopre che all'interno di una gabbia metallica non si risentono le azioni elettriche esterne (gabbia di
Faraday);
1837 - il tedesco G. Oberhäuser (1798-1868) costruisce un microscopio che ingrandisce 500 volte;
1844 - il russo E. C. Lenz (1804-1865) scopre che la conducibilità elettrica dei fili metallici à inversamente
proporzionale alla temperatura (questo fatto troverà una spiegazione compiuta solo nel nostro secolo con la
formulazione della teoria quantistica delle bande di energia, teoria che si può trovare nel sito);
1844 - il britannico C Wheatstone (1802-1875) costruisce un dispositivo (ponte di Wheatstone) per la misura di
resistenze);
FISICA/MENTE
1848 — il francese J. Palmer costruisce un calibro a vite micrometrica per misure di precisione (piccoli spessori e
curvatura di lenti);
1851 - l'italiano M. Melloni (1798-1854) costruisce la pila termoelettrica, che funziona da termometro ad elevatissima
sensibilità ed è in grado di rilevare anche a notevole distanza la presenza di una qualsiasi fonte di calore radiante;
1859 - il britannico C. Darwin (1809-1882) pubblica L'origine della specie affermando definitivamente la teoria
evoluzionistica;
1865 - il britannico J.N. Lockyer (1836-1920) scopre nello spettro solare una riga non attribuibile a nessun elemento
terrestre conosciuto. Egli denomina quell'elemento elio;
1880 - lo statunitense E.H. Hall (1855-1936) scopre una differenza di potenziale che si stabilisce nei punti opposti
rispetto all'asse di un conduttore percorso da corrente quando è sottoposto all'azione di un campo magnetico costante
(effetto Hall);
1884 - il britannico J.A. Fleming (1849-1945) formula la regola detta delle tre dita (della mano sinistra), che fornisce
direzione e verso della forza elettromagnetica originata dall'azione di un campo magnetico su una corrente elettrica;
1889 - il britannico E. Rutherford (1871-1937) scopre della radiazione proveniente dall'uranio ed in essa individua
due diverse specie di raggi (raggi α e raggi β) con differenti proprietà elettriche e di penetrazione ;
1896 - il francese H. Becquerel (l852-1908) ottiene la deviazione dei raggi β mediante un campo elettrico e conclude
che si tratta di particelle cariche. Scopre inoltre che alcuni sali di uranio riescono ad impressionare lastre fotografiche
attraverso sostanze opache interposte e quindi ne ricava l'esistenza di un'altra specie di raggi (raggi γ);
1896 - l'olandese P. Zeeman (1865-1943) scopre lo sdoppiamento delle righe spettrali emesse da un gas quando
quest'ultimo è sottoposto all'azione di un intenso campo magnetico;
1898 - il francese P. Curie (1859-1906) dimostra che tutti i corpi ferromagnetici diventano paramagnetici al di sopra
di una data temperatura (temperatura di Curie);
1900 - l'irlandese J. Larmor (1857-1942) enuncia il teorema sulla precessione delle orbite elettroniche nei campi
magnetici.
FISICA/MENTE
Più in generale, altri aspetti che vanno sottolineati sono:
- un grande sviluppo delle tecniche da vuoto che permetteranno via via ricerche fisiche sempre più sofisticate;
- un grande sviluppo della fisica delle basse temperature (in connessione con le esigenze di refrigeramento delle
derrate alimentari per e dalle colonie) che permetterà di raggiungere una conoscenza sempre più profonda della
costituzione della materia e di sviluppare ampiamente la termodinamica;
- la costruzione di strumenti di misura sempre più sofisticati e precisi che saranno alla base di ogni ricerca e misura e
che deriveranno dal sempre maggiore affinamento della tecnica.
3 - ALCUNE CONSEGUENZE SPERIMENTALI DELL'OPERA DI MAXWELL: I
LAVORI DI HERTZ.
[Da queste pagine ho tratto il materiale per l'articolo La verifica sperimentale delle teorie di Maxwell: i lavori di Hertz.
Ripubblico qui il lavoro mantenendo le note e la bibliografia. Saltano invece le note del lavoro originale dalla (486) alla (540]
PREMESSA
I lavori di Maxwell avevano lasciato in sospeso alcune questioni di rilevante importanza dalla cui verifica o
confutazione sperimentale sarebbero dipese le sorti dell’intera teoria. In particolare, la predizione teorica di esistenza
di onde elettromagnetiche propagantesi nello spazio etereo alla velocità della luce diventava uno stimolo fortissimo
alla loro ricerca sperimentale. (1) Per altri versi anche la ricerca di quell’etere elettromagnetico, supposto fisicamente
esistente proprio perché dotato di proprietà fisiche, diventava una sfida ormai non più eludibile (anche in relazione
agli sviluppi dell’ottica dei corpi in movimento).(2)
Indubbiamente i lavori di Maxwell avevano aperto, in tutta la comunità scientifica, la strada ad una miriade di
dibattiti, di elaborazioni teoriche, di imprese sperimentali. Ed al di là della potenza della riflessione teorica che apre
ad una portata conoscitiva empiricamente impensabile, è pur vero che su almeno due fatti sperimentali si basava
FISICA/MENTE
l'intera costruzione teorica di Maxwell: da una parte dall’osservazione di coincidenza della velocità di propagazione
della luce con quella delle perturbazioni (onde) elettromagnetiche; dall’altra, dall’effetto di rotazione del piano di
polarizzazione della luce indotto da un campo magnetico (effetto Faraday). Ed una prima osservazione che può essere
fatta è che la “base sperimentale” a monte delle equazioni di Maxwell riguarda fenomeni ottici.(3) E proprio con
esperienze che avevano a che fare con l’ottica si ebbero le prime verifiche sperimentali della sua teoria.
Una conseguenza immediata della teoria elettromagnetica della luce era lo stabilire una relazione ben precisa tra
la costante dielettrica e l’indice di rifrazione di una data sostanza. Maxwell aveva trovato che la velocità v di
propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo isolante (nel quale la permeabilità magnetica relativa è circa
uguale ad uno) è data dalla relazione (1) dalla quale segue la (2). La facile conclusione è che l’indice di rifrazione di
una data sostanza è proporzionale alla radice quadrata della sua costante dielettrica relativa.
Ebbene, proprio poco tempo dopo che Maxwell ebbe pubblicato questo risultato, L. Boltzmann (1873) mostrò
sperimentalmente la sua correttezza.
Riguardo poi all’effetto Faraday, nel 1875, il fisico britannico J. Kerr mostrò sperimentalmente che anche un
campo elettrostatico agisce sulla propagazione della luce: alcuni corpi trasparenti, sia solidi che liquidi, se sottoposti
ad un campo elettrico acquistano la proprietà della doppia rifrazione (effetto Kerr).
Ma, al di là di queste conferme, che via via si andavano accumulando a sostegno della teoria elettromagnetica
della luce, rimaneva un dubbio di fondo (oltre alle polemiche vere e proprie) e questo dubbio era ben espresso da
Kelvin quando sosteneva di non comprendere i ragionamenti di Maxwell e di non capire bene l’utilità della teoria
elettromagnetica della luce. Sembrava inoltre ben chiaro che l’insieme delle equazioni di Maxwell andava ben al di là
dell’eventuale riconosciuta identità di luce ed onde elettromagnetiche.
FISICA/MENTE
La teoria di campo era certamente stata l’idea conduttrice di tutti i lavori di Faraday, ma quest’ultimo non era
stato in grado di portare alcun nesso deduttivo formale che legasse le sue scoperte alle sue teorie e, d’altra parte,
nessun esperimento di Faraday poteva essere spiegato in modo univoco a partire dalla teoria di campo. L’unico
appiglio poteva essere la teoria ondulatoria della luce, ma quest’ultima era relegata in un capitolo della fisica che
nulla aveva a che vedere con la meccanica della materia ordinaria. In ogni caso era possibile accettare tutti i risultati
sperimentali di Faraday senza per questo doversi compromettere con l’accettazione della teoria che, in particolare,
prevedeva l’abbandono della teoria newtoniana dell’azione istantanea a distanza. Con le elaborazioni di Maxwell non
fu più possibile trascurare la teoria di campo ed in ogni caso sarebbe stato necessario confrontarsi con essa per un suo
eventuale rigetto.
Intanto veniva con sempre maggiore chiarezza affermandosi l’idea che luce ed onde elettromagnetiche fossero la
stessa cosa, insieme al fatto che il campo elettromagnetico fosse uno stato particolare del mezzo dielettrico che aveva
come caso speciale l’etere, inteso allo stesso modo di un dielettrico materiale come, ad esempio, la paraffina o il vetro
( e ciò apriva a possibili confutazioni sul piano sperimentale); quindi rimanevano aperte questioni relative a:
- come interagisce un campo con una carica e con una corrente;
- qual è il campo intorno ad una carica in moto;
- qual è il campo vicino ad una corrente variabile;
- come interagisce il campo con la materia ed in particolare
- come il campo risulta perturbato dal moto della materia nell’etere (supposto dalla teoria) in analogia con le
problematiche che si ponevano nell’ottica dei corpi in movimento (il moto della Terra perturba la propagazione della
luce ?);
- cos’è una carica (una perturbazione di campo – alla Faraday – o una particella ?).
- Svariati fisici del mondo anglosassone si cimentarono con questi problemi (J.J.Thomson, J.H. Poynting, G.F.
Fitzgerald, O.Heaviside) ma non realizzarono passi degni di nota.
FISICA/MENTE
HELMHOLTZ
Nel continente il primo a comprendere l’enorme portata della teoria di Maxwell fu Helmholtz che la elaborerà
con modificazioni radicali (4), in un contesto molto più vicino alla fisica newtoniana, reintroducendo l’azione a
distanza ma dovendo rinunciare allo spazio vuoto che viene rimpiazzato dall’etere.
Il nostro, nel 1870, pubblicò una memoria dal titolo Sulle equazioni del movimento dell’elettricità per corpi
conduttori in moto. In essa l’autore metteva a confronto le varie teorie elettromagnetiche fino ad allora sviluppate per
fornirne una sua, concludendo che sarebbe stato necessario costruire una teoria elettrodinamica in completo accordo
con le teorie di Newton, altrimenti si sarebbe rischiato di inficiare la validità di queste ultime. Ed al fine di conseguire
il risultato che si prefiggeva egli fece delle ipotesi che così enunciava nell’articolo in oggetto: “si considera che le
azioni elettrostatiche ed elettrodinamiche sono pure azioni a distanza, nelle quali il mezzo isolante non subisce né
esercita effetti …ciò non ostante, a causa delle scoperte di Faraday, oggi sappiamo che la grande maggioranza dei
mezzi materiali è magnetizzabile … La teoria più elementare del diamagnetismo si ottiene supponendo che l’etere
luminifero che riempie lo spazio è magnetizzabile, ammetteremo allo stesso tempo (la qual cosa non è improbabile)
la possibilità di considerarlo come un dielettrico, nel senso di Faraday.” Sulla base di queste ipotesi egli riuscì a
trovare una formula che, in accordo con la meccanica newtoniana, con la conservazione dell’energia e con la teoria di
Ampère per correnti chiuse (circuito senza condensatori), forniva nel modo più generale l’equazione del potenziale di
un elemento di corrente che agiva su di un altro. La formula dipendeva da un parametro K (che poteva assumere i
valori:-1;0,+1) e, a seconda del suo valore, essa sarebbe risultata in accordo, rispettivamente, con la teoria di Weber,
di Maxwell, di Neumann.
Diventava sempre più urgente andare ad indagare che relazione esistesse tra la teoria elettromagnetica e la
polarizzazione dei dielettrici. Vari risultati negativi in questo senso convinsero Helmholtz del fatto che, qualunque
teoria elettromagnetica, per essere corretta, dovesse tenere conto degli effetti elettromagnetici dei dielettrici: “sembra
importante investigare cosa accade della mia legge generalizzata dell’induzione nel caso di mezzi magnetizzabili e
dielettricamente polarizzabili.”(5) Ma il non essere riuscito a realizzare nessun esperimento che evidenziasse la
possibilità di polarizzare un dielettrico attraverso un campo magnetico lo indusse (1879) a far bandire dall’Accademia
delle Scienze di Berlino un concorso che avesse come tema, appunto, il “Trovare per via sperimentale una relazione
tra forze elettromagnetiche e polarizzazione dielettrica degli isolanti – cioè , o una forza magnetica esercitata dalle
polarizzazioni nei corpi non conduttori, oppure la polarizzazione del non-conduttore come effetto dell’induzione
elettromagnetica”;(6) si trattava quindi, come diremmo oggi, di trovare una relazione qualunque tra materia e campo.
La soluzione di questo problema avrebbe potuto essere cruciale per scegliere tra le varie teorie elettromagnetiche e
quella di Maxwell.
FISICA/MENTE
Come si può ben capire l’esperimento a questo punto avrebbe giocato un ruolo determinante ed in questo senso i
lavori di Helmholtz in elettrodinamica non furono tanto importanti in sé, ma in quanto facevano chiarezza sui
problemi ed indicavano possibili soluzioni sperimentali.
HERTZ
Lo stesso Helmholtz avviò Hertz a cimentarsi con questo problema. Ma la questione era delicata e non così
conseguente come potrebbe sembrare. Infatti Hertz conosceva inizialmente la teoria di Maxwell come caso limite
della teoria di Helmholtz (K = 0); e ciò vuol dire, in poche parole, che non conosceva direttamente l’opera di
Maxwell, ma solo l’elaborazione che ne aveva fatto Helmholtz.(7) E certamente ciò fu, da una parte, un grande
vantaggio, poiché Hertz comprendeva meglio il contesto in cui si muoveva Helmholtz e quindi era inizialmente in
grado di coglierlo in tutta la sua portata, dall’altra, una specie di handicap poiché, come osserva D’Agostino, “nella
forma accettata da Helmholtz la teoria di Maxwell sarebbe stata impervia ad ogni verifica di tipo hertziano
(rilevamento di onde elettromagnetiche nell’aria) perché, fra l’altro, il fatto che la polarizzabilità dell’aria … è
pochissimo differente dall’unità avrebbe reso difficile, secondo la teoria di Helmholtz, un esperimento per rivelare
radiazioni elettriche nell’aria. Coerentemente con la sua visione teorica Helmholtz aveva indirizzato Hertz verso un
tipo di verifica che consisteva nel rivelare forti correnti di polarizzazione in dielettrici densi, come la paraffina, la
pece greca, ecc., che hanno anche una relativamente alta costante dielettrica relativa.”(8) La stessa teoria di
Maxwell non avrebbe poi aiutato per nulla Hertz: le esemplificazioni (scarica di un condensatore nel caso di forte
smorzamento) ed i conti che si trovavano sul Trattato di Maxwell (sviluppo dell’equazione di un’onda piana che
corrisponde ad una sorgente posta all’infinito) erano i meno adatti ad una verifica sperimentale.
Allora è del tutto evidente che quanto Hertz operò non fu una semplice e lineare “verifica” della teoria di
Maxwell. Egli, formatosi in un contesto di scuola continentale, dovette superare sperimentalmente questo contesto,
addirittura capovolgendone le premesse, per arrivare a lavorare con dielettrici poco densi come, ad esempio, l’aria e
per riuscire a sperimentare nella banda elettromagnetica di frequenze. Il processo fu lungo e travagliato tant’è vero
che, quando nel 1879 fu bandito il concorso dell’Accademia di Berlino, Hertz ritenne impossibile arrivare ad una
qualche conclusione e per 7 anni abbandonò, almeno pubblicamente, il problema. Anni dopo lo stesso Hertz raccontò
(9): “ Ho riflettuto sul problema ed ho cercato di capire quali risultati potevo aspettarmi in condizioni favorevoli
utilizzando le oscillazioni delle bottiglie di Leida e dei rocchetti d’induzione aperti. La conclusione che ne ricavai
non era certamente quella che io desideravo; a prima vista non ci si doveva aspettare nessun fenomeno nitido ma
soltanto un’azione al limite dell’osservabilità. Così, dunque, abbandonai l’idea di lavorare al problema.”
FISICA/MENTE
Nel 1884 Hertz tornò sulla questione per affrontarla da un punto di vista teorico in una memoria dal titolo
Relazioni tra le equazioni fondamentali dell’elettrodinamica di Maxwell e le equazioni fondamentali di diverse
elettrodinamiche(10). In questo lavoro egli non premise alcuna ipotesi speciale e, in particolare, non postulò alcun
etere o alcun meccanismo di trasmissione in esso. Rielaborò quindi le equazioni di Maxwell nel contesto della scuola
continentale e, in particolare, con il metodo dei potenziali ritardati introdotto da Riemann e L. Lorenz. Egli
formalmente realizzò una generalizzazione della teoria di Neumann riuscendo, alla fine, a ritrovare le equazioni di
Maxwell in modo più semplice ed immediato riducendone, tra l’altro, il loro numero da 20 a 9, scrivendole in una
feconda forma simmetrica, eliminando da esse i potenziali vettori e scrivendole in forma vettoriale (così come aveva
fatto Heaviside in modo indipendente ed al quale Hertz riconobbe la priorità temporale). Questo lavoro permise ad
Hertz di intuire la possibilità di verificare la teoria non più nella banda ottica di frequenze (come già accennato e fino
ad allora fatto) ma nella banda elettromagnetica, mediante le forze che si esercitano tra due circuiti chiusi percorsi da
corrente alternata ad alta frequenza.
LE PRIME ESPERIENZE
Nel 1886, appunto 7 anni dopo il bando di concorso dell’Accademia, Hertz ritornò sulla questione con una
conoscenza più profonda della teoria di Maxwell e con una maggiore pratica sperimentale, soprattutto nel campo delle
correnti ad alta frequenza. E se da una parte è vero che Hertz non inventò alcuno strumento, è altrettanto vero che egli
seppe utilizzare i più avanzati prodotti che la tecnologia dell’epoca era in grado di offrirgli ed al limite delle
possibilità.
Secondo la teoria di Maxwell una variazione nella polarizzazione di un dielettrico ha gli stessi effetti magnetici
di una corrente di conduzione. Ebbene, nel caso della polarizzazione, si ha a che fare con un fenomeno o così rapido o
così debole che risulta estremamente difficile poterlo rilevare. Hertz si rese conto che la possibilità di evidenziare il
fenomeno poteva risiedere nel “moltiplicarlo” cercando di ottenere successive, rapide e periodiche polarizzazioni e
depolarizzazioni.(11) Per ottenere ciò ci si poteva affidare ad una bottiglia di Leida che fornisce appunto una scarica
oscillatoria.(12) Una scarica di tali caratteristiche avrebbe potuto originare gli effetti di polarizzazione e
depolarizzazione annunciati, mediante un dispositivo schematizzato in figura 1.
FISICA/MENTE
Ad un dato istante la scarica del condensatore (bottiglia di Leida) C va a caricare le placche metalliche A e B. In
questo modo il dielettrico D risulta prima polarizzato, quindi depolarizzato ed ancora polarizzato in verso opposto. Se
si accetta la teoria di Maxwell ad ogni polarizzazione corrisponde una vera e propria corrente istantanea di
spostamento, alla quale dovrà associarsi un campo magnetico con linee di forza concentriche alla direzione della
corrente e quindi del campo elettrico (il verso di queste linee di forza cambierà con il cambiamento di verso del
campo elettrico). In definitiva, operando in questo modo, si produce un campo elettromagnetico periodicamente
variabile e si ha così l’opportunità di vedere come esso agisce sul dielettrico per semplice confronto dell’effetto
induttivo con e senza il dielettrico tra le armature A e B.
Il problema era però proprio di natura strumentale: sarebbe stato possibile disporre di un apparato (bottiglia di
Leida, nella prima ipotesi) che generasse oscillazioni così intense e rapide da produrre un effetto induttivo nel
dielettrico tale da poter essere evidenziato? Hertz si fece i conti: gli effetti risultavano troppo deboli per poter essere
misurati.(13) E fu così che, come già detto, nel 1879 egli fu costretto ad abbandonare l’impresa.
Cos’era cambiato tra il 1879 ed il 1886 da un punto di vista strumentale? Leggiamo ciò che lo stesso Hertz
scriveva nel 1889: (14) “Basandosi sui metodi tradizionali non ci si poteva aspettare alcun aiuto e a sbloccare la
situazione doveva sopraggiungere una nuova informazione. Si scoprì allora che, non solo la scarica della bottiglia,
ma anche quella di qualsiasi conduttore, sotto certe particolari condizioni, dà origine ad oscillazioni che possono
essere molto più brevi di quelle della bottiglia.” Hertz aveva scoperto la possibilità di produrre scariche oscillanti di
frequenza molto più elevata ( di circa un fattore 100, con un periodo dell’ordine di 10-5 secondi pari ad una lunghezza
d’onda di 3 metri) utilizzando dei rocchetti di induzione (spirali di Riess e Knochenhauer) alimentati da accumulatori.
Egli montò quindi l’esperienza così com’è schematicamente mostrato in figura 2a, nella quale: R1 rappresenta un
rocchetto d’induzione alimentato dall’accumulatore A; B è un circuito di scarica nel quale le sfere C1 e C2 sono due
FISICA/MENTE
conduttori metallici ivi sistemate per aumentare la capacità dei cavi; K ed R2 costituiscono il circuito secondario su
cui viene indotta la corrente generata da R1; M rappresenta uno spinterometro, regolabile mediante una vite
micrometrica, sul quale si producono le scintille di scarica. Così scriveva Hertz nella sua memoria del 1887, Sulle
oscillazioni elettriche rapidissime, nella quale descriveva i risultati dei suoi primi lavori sperimentali (15):
“L’esperienza iniziale è semplice. Un filo di rame piegato secondo un rettangolo costituisce
un circuito secondario; esso è tagliato a metà di uno dei due lati da un micrometro a scintille M. Un altro filo
conduttore lo collega per uno dei suoi punti P al circuito di scarica [B] di una bobina d’induzione [R1], circuito
molto aperto formato da due rami paralleli, posti testa a testa, che portano alle loro estremità delle sfere [C1 e C2]
che costituiscono delle capacità e separato da un intervallo regolabile [h] tra cui scoccano le scintille primarie.
Quando il punto di giunzione P è posto asimmetricamente rispetto al micrometro M, ogni scintilla primaria genera
una scintilla secondaria [fig. 2a]. Ma se esso è al centro del lato opposto al rettangolo [fig. 2b], se la simmetria dei
due rami è completa, la scintilla secondaria scompare o quasi: si è al 'punto di indifferenza'.”
Riservandoci di tornare tra un istante a questo 'punto di indifferenza', seguiamo ancora quel che scriveva Hertz
per illustrare il sistema che aveva utilizzato per rilevare il fenomeno(16): “Poiché le scintille [nel secondario] sono
estremamente piccole, di una lunghezza che raggiunge appena il centesimo di millimetro, la loro scarica non impiega
FISICA/MENTE
neppure un milionesimo di secondo. Sembra impossibile,quasi assurdo, che esse debbano essere visibili, ma in una
stanza buia sono visibili ad un osservatore attento.”
Hertz aveva dunque a disposizione l’apparato sperimentale con il quale avrebbe potuto finalmente affrontare il
tema del concorso bandito dall’Accademia di Berlino. Egli ancora si muoveva nell’ambito della verifica sperimentale
della teoria elettrodinamica di Helmholtz e per questo dovette passare attraverso varie difficoltà poiché la
polarizzazione alla Helmholtz è un qualcosa di diverso dalla corrente di spostamento di Maxwell; in particolare, come
già accennato, secondo la teoria di Helmholtz, si trattava di rilevare forti correnti di polarizzazione in dielettrici densi,
piuttosto che anche deboli correnti di spostamento in dielettrici a piccola densità come etere o aria.
E sono proprio gli esperimenti che poco a poco fanno ribaltare in Hertz il suo quadro concettuale, fino a farlo
passare dall’adesione alle teorie di Helmholtz all’accettazione della teoria di Maxwell, con un programma
sperimentale finalizzato alla rivelazione dei fenomeni indotti, non più nei mezzi densi, ma nell’aria o nell’etere. Ma
ritorniamo ai suoi esperimenti servendoci ancora della figura 2.
Quando ci si trova nelle condizioni di figura 2a (il micrometro a scintilla M posto in posizione asimmetrica
rispetto a P) la perturbazione elettrica generata da R1 provoca delle scintille in M. Se ci si trova invece nelle
condizioni di figura 2b (M situato simmetricamente rispetto a P) in M non si osservano scintille (che invece
continuano numerose nello spinterometro del primario). La spiegazione di ciò è abbastanza semplice: le scintille si
originano a causa della differenza di potenziale esistente tra i punti 1 e 2 di M; quando l’oscillazione che arriva alla
spira R2 si divide in due cammini di diversa lunghezza (Pabcd2 diverso da P1) per arrivare ad M, allora si ha la
scintilla (situazione di figura 2a: c’è una differenza di fase, e quindi di potenziale, tra i punti 1 e 2, fra le oscillazioni
che si propagano sui due cammini diversi); quando l’oscillazione che arriva in R2 si divide percorrendo due cammini
uguali (Pab1 diverso da Pdc2) per arrivare ad M, allora non si ha scintilla (situazione di figura 2b: non c’è differenza
di fase, e quindi di potenziale, tra i punti 1 e 2, fra le oscillazioni che si propagano su cammini di uguale lunghezza).
(17)
DIFFICOLTA' ED UN PRIMO SUCCESSO
Hertz pensò allora di sfruttare questa proprietà per arrivare a risolvere il problema posto dall’Accademia. Infatti
la proprietà di non avere scintille per una particolare disposizione simmetrica del secondario, la proprietà di avere un
punto neutro, lo convinse del fatto che le oscillazioni dovessero avere una grande regolarità. Ebbene, si modifica la
posizione del punto neutro interponendo un dielettrico in modo opportuno fra le sfere C1 e C2 del primario? Il
FISICA/MENTE
risultato di questa esperienza avrebbe fornito la soluzione al quesito dell’Accademia.
Prima di passare a ciò, Hertz volle accertarsi che gli effetti nel primario fossero dovuti essenzialmente al
fenomeno dell’autoinduzione piuttosto che a fenomeni di induzione mutua con il secondario. Nel far questo scoprì
che si producevano scintille nello spinterometro M del secondario anche quando quest’ultimo non era collegato
mediante il conduttore K con il circuito primario; e ciò poteva essere meglio evidenziato aumentando di molto la
capacità delle due sfere C1 e C2 (fig. 3a). Egli interpretò il fenomeno, in analogia con quanto Helmholtz aveva fatto
nell’acustica, in termini di risonanza mostrando che gli effetti nel secondario dipendevano in modo molto stretto dalle
dimensioni di quest’ultimo. Questo fatto risultò di grande importanza per lo sviluppo del programma sperimentale di
Hertz: si aveva ora a disposizione uno strumento che, costruito con geometria e dimensioni opportune, avrebbe
permesso la rilevazione a distanza nell’aria delle perturbazioni elettromagnetiche originate nel primario.
Con il dispositivo di figura 3a, modificato come in figura 3b, Hertz risolse un altro dei problemi che era stato
proposto da Helmholtz, anche se non immediatamente connesso con il tema del concorso: dimostrò che le correnti
aperte (come quella che ‘circola’ tra k ed i) provocano effetti induttivi. Infatti, anche nel caso del montaggio di figura
FISICA/MENTE
3b, si osservano scintille in M e queste scintille sono più intense di quelle rilevate con il montaggio di figura 3a; Hertz
interpretò il fenomeno come dovuto alla sovrapposizione degli effetti delle oscillazioni che si producevano nel
secondario e della corrente aperta del primario.(18)
Sempre con il dispositivo di figura 3a, modificato come in figura 4, Hertz si accinse all’esperienza il cui risultato
gli avrebbe permesso di rispondere al quesito dell’Accademia. I bracci del circuito B di scarica sono ora piegati e
terminano sempre con due conduttori C1 e C2 che, questa volta, hanno maggiore capacità e sono modificati a forma di
piastre; nello spazio tra C1 e C2 viene posto un dielettrico D molto denso (un pacco di carta, della paraffina, del
solfuro di paraffina, … ). Hertz si proponeva di verificare se “le correnti di polarizzazione producono effetti
elettromagnetici come le correnti di conduzione”. Si trattava di provare se la presenza del dielettrico producesse una
qualche perturbazione nelle correnti indotte nel secondario R2. E si poteva procedere, come già accennato,
semplicemente per confronto: andando a valutare la differenza di scintillazione nel secondario quando il dielettrico
fosse stato rapidamente tolto. Hertz, in accordo con la teoria di Helmholtz, si aspettava che l’effetto in R2 sarebbe
stato maggiore quando il dielettrico D (solfuro di paraffina) era posto tra C1 e C2, poiché, secondo la teoria di
Helmholtz, la corrente di spostamento sarebbe stata maggiore nel dielettrico denso che nell’aria, a causa del fatto che
il potere induttivo del primo era molto maggiore di quello del secondo. Ebbene, la rimozione rapida del dielettrico
non provocava alcun effetto, E con queste parole Hertz descriveva la situazione (19):
FISICA/MENTE
“L’estate del 1887 trascorse in inutili tentativi di mettere in evidenza l’influenza elettromagnetica degli isolanti, con
l’aiuto del nuovo tipo di oscillazioni … L’esperimento falliva sempre per l’invariabile ripresentarsi di forti scintille
nel conduttore secondario, cosicché il piccolo effetto – di rafforzamento o indebolimento – prodotto dall’isolante non
si lasciava sentire. Poco a poco mi resi conto che, in questo caso, non poteva essere applicata la legge che io avevo
supposto alla base del mio esperimento; che, a causa della rapidità del movimento, anche le forze originate da un
potenziale sono in grado di produrre scintille nel conduttore quasi chiuso; e, in generale, che, quando si applicano le
idee e le leggi generali che sono alla base delle teorie elettriche usuali, bisogna procedere con somma cautela. Tutte
queste leggi sono relazionate con situazioni statiche o stazionarie, mentre io stavo in realtà di fronte ad uno stato
variabile.”
Il fatto che non si osservassero effetti al secondario, quando nel primario era posto e successivamente rimosso il
blocco dielettrico, fu finalmente spiegato da Hertz come un effetto di sovrapposizione: quando non c’è il dielettrico
concorrono al processo d’induzione sia le correnti nei fili, sia le cariche statiche presenti sulle placche C1 e C2 e
quindi le cose vanno allo stesso modo di quando c’è il dielettrico (in quest’ultimo caso dovendo considerare, invece
dell’effetto delle cariche statiche, l’effetto della polarizzazione del blocco dielettrico). Si trattava allora di trovare un
qualche arrangiamento sperimentale che permettesse di evitare l’effetto delle forti scariche dovute al campo elettrico
tra le placche C1 e C2 del primario. Ed a questo fine Hertz scoprì che, cambiando la posizione del secondario R2 (che
possiamo chiamare ‘circuito rivelatore’) su differenti piani dello spazio, era possibile separare la rivelazione degli
effetti elettrici da quelli magnetici. Sistemando quindi il rivelatore in modo opportuno, egli andò a studiarsi solo gli
effetti magnetici riuscendo, in questo modo, a confrontarli con e senza il dielettrico.
Finalmente l’esperienza dette i risultati previsti: quando il dielettrico era posto tra C1 e C2 si aveva un effetto nel
circuito rivelatore più grande di quello che si aveva quando il dielettrico era rimosso; ponendo successivamente un
blocco conduttore al posto del dielettrico ed osservando che si aveva lo stesso effetto nel rivelatore di quello che si
aveva con il dielettrico, risultava dimostrato che la corrente dovuta ad una variazione di polarizzazione ha degli effetti
uguali ad una normale corrente di conduzione. In questo modo era risolta la prima parte del quesito proposto
dall’Accademia: Hertz aveva trovato “ una forza elettromagnetica esercitata dalle polarizzazioni nei corpi non
conduttori “. Questo risultato venne comunicato all’Accademia nel novembre del 1887.(20)
LE ESPERIENZE DECISIVE
Rimaneva da verificare la seconda parte del tema del concorso:” la polarizzazione del non-conduttore come
effetto dell’induzione elettromagnetica.” Ma mentre Hertz si accingeva a farlo rifletteva sul lavoro di Helmholtz del
FISICA/MENTE
1870. Come lo stesso Hertz raccontò,(21) Helmholtz aveva ricavato la teoria di Maxwell introducendo tre ipotesi
fondamentali all’interno della teoria elettromagnetica: le prime due erano quelle che dovevano essere verificate
nell’ambito del concorso, mentre la terza consisteva nell’ammettere che, sotto l’aspetto degli effetti che possono
produrre, “l’aria e lo spazio vuoto si comportano come tutti gli altri dielettrici.” Osservava allora Hertz che “ mettere
alla prova tutte queste ipotesi e stabilire con ciò la fondatezza di tutta la teoria di Maxwell sembrava una richiesta
non ragionevole e l’Accademia si era quindi contentata della conferma di una delle prime due.”(22) La
dimostrazione delle prime due ipotesi avrebbe al massimo verificato una sola parte della teoria infatti, come osservava
Hertz,(20) “ il punto cruciale della nuova teoria non stava nelle conseguenze delle prime due ipotesi. Se si
dimostrava che erano corrette per un qualunque isolante, ne sarebbe discesa come conseguenza che il tipo di onde
predette da Maxwell potevano propagarsi in esso, con una velocità finita che potrebbe essere forse molto diversa da
quella della luce. Mi convinsi che la terza ipotesi raccoglieva in sé l’essenza e particolare importanza della teoria di
Faraday e, pertanto, di quella di Maxwell, e che valeva la pena porsela come obbiettivo. Non riuscivo a vedere il
modo di provare separatamente la prima e la seconda ipotesi nell’aria [o nel vuoto]; ma ambedue sarebbero state
provate simultaneamente se riuscivo a dimostrare l’esistenza di onde che si propagano nell’aria con velocità
finita.”(23)
C’è da notare che questo programma di ricerca era probabilmente relazionato con quanto Hertz aveva osservato
‘di passaggio’ nel condurre le esperienze precedenti. Come egli diceva:(24) “ Il fatto che più mi sorprese era il
continuo aumento della distanza a cui l’azione era rilevabile; fino allora l’idea corrente era che le forze elettriche
diminuivano secondo la legge di Newton, e pertanto tendevano rapidamente a zero con l’aumentare della distanza.”
Ed è proprio da qui che procede l’idea che condusse Hertz a realizzare le esperienze successive. Egli aveva
osservato azioni fino a 12 metri di distanza dal primario; nel caso vi fossero state delle onde, “in questo raggio la fase
del movimento avrebbe dovuto subire più di una inversione; si trattava solo di rilevare e provare queste
inversioni.”(25) Si trattava cioè di provare la presenza di ventri e nodi.
Per far ciò Hertz ideò (1888) un’esperienza con la quale si proponeva di confrontare la velocità di propagazione
di una perturbazione elettromagnetica e nell’aria e in un cavo.(26) L’esperienza consisteva nel creare una
perturbazione elettromagnetica con il solito metodo del rocchetto primario d’induzione; questa perturbazione si
sarebbe propagata nell’aria così come Hertz aveva scoperto, ebbene, mediante il dispositivo mostrato in figura 5a (si
osservi che le figure 5a e 5b mostrano una stessa situazione da due punti di osservazione differenti), si poteva
confrontare la velocità della perturbazione che si propagava nell’aria e di quella che, simultaneamente immessa, si
propagava in un cavo (tagliato ad una certa distanza dalla sorgente per motivi che ora vedremo). Per rilevare gli effetti
del fenomeno, si poteva ancora usare il rivelatore a scintille precedentemente ideato da Hertz (fig. 5c). L’aggiunta
FISICA/MENTE
della placca C1’ serve per il collegamento del cavo (accoppiamento capacitivo) e quest’ultimo è tagliato affinché
l’onda che in esso viaggia possa riflettersi all’estremità del cavo (fatto già accertato a partire dai lavori di Weber e
Kohlausch), interferire con l’onda entrante e quindi produrre, nel cavo stesso, un’onda stazionaria.
La chiave dell’esperienza è la seguente: se l’onda che si propaga nell’aria ha la stessa velocità (finita) di quella
che si propaga nel cavo, così come previsto dalla teoria di Maxwell, le due onde (o meglio: i due campi)
interferiranno in modo che si sommeranno ed annulleranno allo stesso modo lungo tutto il cavo; se però la
perturbazione che si propaga nell’aria ha velocità infinita (azione a distanza), non si avrà interferenza e l’onda
risultante avrà la stessa periodicità dell’onda che viaggia nel cavo e quindi cambierà di segno ogni semilunghezza
d’onda (si formerà una specie di onda stazionaria).(27) In definitiva se si osservava una inversione di fase ogni
semilunghezza d’onda, la teoria di Maxwell non funzionava; se invece la fase rimaneva costante lungo tutto il cavo,
l’onda si propagava con velocità finita anche nell’aria (e quindi nel vuoto o etere) e la teoria di Maxwell risultava
confermata.
Era il rivelatore che, spostato adeguatamente nello spazio,(28) avrebbe permesso, a partire dalle variazioni nella
scintillazione, di individuare i ventri ed i nodi e quindi determinare la fase dell’onda risultante.
Dai risultati di questa esperienza Hertz rimase dapprima scoraggiato: l’onda risultante cambiava di segno non
alla distanza prevista di una semilunghezza d’onda, ma ad una distanza circa due volte e mezza superiore; inoltre
questo cambio di segno non si ripeteva a distanze regolari, risultando più frequente nelle vicinanze dell’oscillatore.
FISICA/MENTE
Sembrava comunque evidente, nell’interpretazione di Hertz, la presenza di onde elettromagnetiche propagantesi
nell’aria a velocità finita, anche se superiore a quella della luce; e sembrava anche che questi risultati non fossero in
accordo con nessuna delle teorie elettromagnetiche fino ad allora sviluppate. Riguardo alla prima questione (onde che
si propagano nell’aria a velocità superiore a quella della luce), essa nasceva da un banale errore di calcolo nel periodo
di oscillazione del primario (l’errore fu corretto nel 1890 da H. Poincaré);(29) La soluzione della seconda questione
(disaccordo con tutte le teorie elettromagnetiche) fu intuita da Hertz quando si rese conto che le onde che si
propagavano nell’aria, in accordo con la teoria di Maxwell, si riflettevano sugli oggetti, specialmente se metallici,
presenti nel laboratorio.(30)
Scriveva Hertz: “ mentre ricercavo l’azione delle mie oscillazioni primarie a grandi distanze, osservai qualcosa
come la formazione di ombre dietro le masse conduttrici [presenti nel laboratorio], la qual cosa non mi causò una
gran sorpresa. Poco dopo credetti di vedere un rafforzamento molto peculiare dell’azione di fronte a queste masse
che formavano ombre e anche alle pareti della stanza. La prima idea che mi formai era che questo rafforzamento
potesse provenire da una specie di riflessione della forza elettrica sulle masse conduttrici; però, non ostante avessi
familiarità con la teoria di Maxwell l’idea mi sembrava quasi inammissibile, tanto essa contrastava con le concezioni
allora correnti sulla natura della forza elettrica. Senza incertezze, dopo aver stabilito con sicurezza l’esistenza delle
onde, tornai alla spiegazione che all’inizio avevo rifiutato.”(31)
E’ così che Hertz iniziò una nuova serie di esperienze (1888) con le quali, avendo perfezionato la sua
strumentazione, riuscì a dimostrare che per le onde elettromagnetiche valgono tutte le leggi dell’ottica: riflessione,
rifrazione, propagazione rettilinea, polarizzazione, trasversalità delle vibrazioni, … (32) E’ importante notare che
questa volta Hertz eseguì le sue misure di lunghezza d’onda direttamente nell’aria ed indipendentemente dal cavo che
aveva usato in precedenza; inoltre egli assunse che la velocità delle onde nell’aria fosse uguale a quella della luce.
A questo punto nessuno più poteva mettere in dubbio l’esistenza delle onde elettromagnetiche, della loro
propagazione a velocità finita e mediante azione a contatto. La teoria di Maxwell si poneva ormai come base
consolidata dell’elettromagnetismo e dell’ottica.(33)
I LAVORI TEORICI DI HERTZ
Ma hertz non si fermò qui. Egli proseguì i suoi lavori con tre memorie di contenuto teorico (34) nelle quali cercò
di precisare e sistematizzare le sue idee nel nuovo contesto teorico e sperimentale, “ in accordo con la teoria di
Maxwell” alla luce però di una nuova reinterpretazione di essa.
FISICA/MENTE
E’ interessante notare come ancora Hertz veda Maxwell con gli occhi di Helmholtz. Molte delle critiche che egli
rivolgeva a Maxwell discendevano infatti , come già detto, dall’avere Hertz studiato l’opera del fisico britannico
soprattutto attraverso i lavori di Helmholtz e, comunque, non oltre il Trattato dello stesso Maxwell. In ogni caso
Hertz, nella prima di queste tre memorie teoriche, “ Le forze delle oscillazioni elettriche, trattate in accordo con la
teoria di Maxwell “, con un metodo che discendeva dai già utilizzati lavori di Riemann e L. Lorenz detto dei
potenziali ritardati, ricavò di nuovo le equazioni di Maxwell a partire, questa volta, dallo studio dell’irraggiamento del
suo oscillatore rettilineo (che gli serviva da sorgente del campo). Egli ottenne come risultato le equazioni di Maxwell
scritte nella stessa forma e con gli stessi simboli della sua ancora precedente memoria teorica, quella del 1884.(35)
Nella seconda di queste memorie, “ Sulle equazioni fondamentali dell’elettrodinamica dei corpi in riposo “, egli
sviluppò una critica al modo con cui Maxwell aveva ricavato le sue equazioni. Così scriveva Hertz:(36)
“ Maxwell inizia con il postulare un’azione a distanza diretta e a ricercare le leggi con cui l’ipotetica polarizzazione
dell’etere dielettrico dovrebbe variare sotto l’azione di queste forze(37) e conclude affermando che, non ostante la
polarizzazione segua effettivamente questa legge, non è in realtà necessario che essa sia influenzata dall’azione a
distanza.(38) Questo procedimento lascia dietro di sé una certa insoddisfazione e porta alla conclusione che vi deve
essere qualcosa di errato o nel risultato finale o nel procedimento mediante il quale lo si raggiunge. Un altro effetto
di questo modo di procedere è che nelle formule sono mantenuti un certo numero di concetti superflui, ed in un certo
senso rudimentali che solo avevano il loro proprio significato nella vecchia teoria dell’azione a distanza. “(39)
Hertz passò allora ad affermare che nelle equazioni che descrivono i fenomeni elettromagnetici debbono
comparire solo “ grandezze osservabili e non grandezze che sono soltanto utili per il calcolo “. Poiché le grandezze
effettivamente osservabili sono le intensità del campo elettrico E e del campo magnetico H, la carica e la corrente,
egli passò di nuovo a riscrivere le equazioni di Maxwell in termini di queste grandezze ‘osservabili’ eliminando i
potenziali, vettori e scalari, che comparivano nella formulazione di Maxwell, perché non osservabili.(40)
Altro fatto di rilevante importanza ed interesse (41) è che Hertz, sempre nel ricavare le equazioni di Maxwell,
rinunciò deliberatamente ad una qualsiasi spiegazione meccanicistica. Così Hertz presentava la situazione:(42)
“ Dopo aver trovato queste equazioni non sembra più utile dedurle (in accordo con il processo storico) da ipotesi
sulla costituzione elettrica o magnetica dell’etere e sulla natura delle forze agenti – essendo tutte queste cose
completamente ignote. Piuttosto è utile partire da queste equazioni in cerca di tali ulteriori congetture sulla
costituzione dell’etere.” E’ dunque un processo di assiomatizzazione quello che vedeva impegnato Hertz ed egli era
anche cosciente che la cosa poteva non risultare gradita: (43)
FISICA/MENTE
“ E’ vero che in conseguenza di questi tentativi la teoria acquista un’apparenza molto astratta ed incolore … Non è
particolarmente soddisfacente veder presentare delle equazioni come risultati diretti dell’osservazione e
dell’esperimento laddove usavamo ricevere lunghe deduzioni matematiche quali prove apparenti di esse … Se
desideriamo dare più colore alla teoria, non vi è nulla che ci impedisca di aggiungere tutto ciò e di aiutare le nostre
facoltà d’immaginazione con rappresentazioni concrete delle varie concezioni circa la natura della polarizzazione
elettrica, della corrente elettrica, ecc. Ma il rigore scientifico ci richiede di non confondere in alcun modo la
semplice e modesta immagine, qule ci è presentata dalla natura, con l’abito vivace che usiamo per rivestirla. “ In
definitiva: basta con le interpretazioni meccanicistiche; il nocciolo di una qualunque teoria scientifica risiede
soltanto nel suo contenuto verificabile sperimentalmente. Per questo alla domanda che Hertz si pone sul “ cos’è la
teoria di Maxwell ? “, lo stesso Hertz non trova altra risposta che “ la teoria di Maxwell è il sistema delle equazioni
di Maxwell “. Sono le equazioni di Maxwell verificabili e non l’impalcatura meccanicistica che le ha fatte ricavare.
Ed alla base del suo modo di ritrovare le equazioni in oggetto Hertz pone “ le polarizzazioni come le sole cose
realmente presenti, che sono la causa dei movimenti dei corpi ponderabili, e di tutti i fenomeni che producono i
cambiamenti da noi percepibili in questi corpi. “(44)
Come osserva D’Agostino,(45) : "nella vecchia elettrodinamica … sia la forza elettrica (nel vuoto) che la
carica, venivano entrambi considerati come concetti primitivi. Ma tale concezione ha, per Hertz, significato ‘solo in
quanto sia possibile rimuovere l’etere dallo spazio senza, con ciò, rimuovere la forza’. Questo è, per lui, l’assunto di
fondo, implicito in tutte le teorie dell’azione a distanza. Ma se si accetta come fondamento dell’azione a contatto
l’ipotesi che nessuna forza può esistere in assenza di etere allora le posizioni precedenti vanno riviste in quanto
contraddittorie … Da ciò segue che non è possibile assumere come concetti primitivi in elettrodinamica la forza nel
vuoto e la carica libera (nel vuoto) e poi ricavare mediante la teoria i loro adattamenti, per così dire, all’etere, come
faceva Helmholtz. Il ruolo di grandezza primitiva va assegnato alla polarizzazione dell’etere: forza nell’etere e
polarizzazione possono diventare ora, per Hertz, … sinonimi.” Tutto ciò significa che Hertz non riusciva più a
concepire una distinzione tra materia e forza e tra etere e materia ordinaria: solo il campo è la manifestazione fisica
della materia che occupa l’intero spazio; il campo va a prendere il posto dei concetti di carica, corrente e, soprattutto,
forza(46) ed il campo è descritto dalla nuova formulazione delle equazioni di Maxwell. Da esse possiamo ricavare,
istante per istante e punto per punto, la conoscenza del campo, poiché esse ci dicono come ogni perturbazione si
propaghi nello spazio e nel tempo.
Nell’ultima delle tre memorie teoriche, “ Sulle equazioni fondamentali dell’elettrodinamica dei corpi in
movimento “, Hertz tentò di estendere quanto precedentemente trovato, andando a studiare l’influenza che il moto
FISICA/MENTE
della materia ordinaria e dell’etere ha sui fenomeni elettromagnetici.
A questo punto però, poiché non c’è più nessuna ragione di distinguere l’etere elettromagnetico da quello ottico,
nascevano le prime conseguenze teoriche che non concordavano con i fatti sperimentali dell’ottica dei corpi in
movimento (2). Hertz infatti si trovò di fronte alla difficoltà di dover descrivere l’andamento delle linee di forza, ben
definite nel caso di un corpo in riposo, nell’eventualità che quello stesso corpo fosse in moto. Ebbene, come lo stesso
Hertz sosteneva, queste linee di forza non possono essere intese come realtà distinta dalla materia ordinaria (47); era
quindi impossibile pensare di separare materia e campo e conseguentemente assegnare il ruolo di portatore del campo
al solo etere. E’ quindi la materia e non lo spazio ad essere portatrice del campo. Nel caso allora di dielettrici in
movimento, le possibilità che Hertz intravede sono solo due: o queste linee di forza rimangono legate al dielettrico,
seguendolo nella sua traslazione, oppure restano immobili mentre il dielettrico effettua la sua traslazione attraverso di
esse. Traducendo questa alternativa in un linguaggio a noi più familiare si può dire che: o si ha trascinamento totale
dell’etere oppure esso rimane in riposo.
Hertz si schierò con la prima possibilità, assumendo che l’etere partecipi completamente al moto dei corpi. Anche
se evidenze sperimentali sembravano non confermare questo punto di vista (48) egli lo adottò perché lo riteneva
ricavato da fatti sperimentali studiati più a fondo di quelli ottici, quelli elettromagnetici. Inoltre egli respinse la
possibilità di un etere stazionario perché, come affermava: (49)
“ se volessimo adattare la nostra teoria a questo punto di vista, dovremmo considerare le condizioni
elettromagnetiche dell’etere e della materia ponderabile in ciascun punto dello spazio come se fossero in un certo
senso indipendenti le une dalle altre. I fenomeni elettromagnetici nei corpi in movimento dovrebbero quindi
appartenere a quella classe di fenomeni che non può essere soddisfacentemente trattata senza l’introduzione di
almeno due differenti grandezze per lo stato elettrico e due per lo stato magnetico. “
Ciò sembrava ad Hertz inaccettabile. Egli assunse, in accordo con Maxwell, che lo stato del sistema materia più
etere potesse essere trattato allo stesso modo sia quando esso è fermo sia quando è in moto, poiché, come lo stesso
Hertz scriveva, “ l’etere contenuto nei corpi materiali si muove con essi “. Ed in un sistema in moto uniforme le cose
si svolgono come se l'etere fosse immobile; ciò vuol dire che è valido il principio di relatività di Galileo.
Si tratta di un risultato notevole: dell’estensione del principio di relatività all’elettromagnetismo che comporta
l’invarianza delle equazioni di Maxwell (scritte, si badi bene, nella forma di Hertz per i corpi in movimento!) per una
trasformazione di Galileo. Ci si rende conto della portata di questo risultato se si ricorda che anche le leggi del moto
di Newton sono invarianti per una trasformazione di Galileo. Così scriveva Hertz:(50) “ Il nostro metodo di deduzione
FISICA/MENTE
delle equazioni per i corpi in moto non richiede che il sistema di coordinate usato debba rimanere assolutamente
fisso nello spazio. Possiamo quindi,senza mutamenti formali, trasformare le nostre equazioni dal sistema di
coordinate scelte inizialmente ad un sistema di coordinate che si muove in qualsiasi modo nello spazio, prendendo a,
b, g per rappresentare le componenti della velocità dell’etere in riferimento al nuovo sistema di coordinate … Da ciò
segue che il moto assoluto di un sistema rigido di corpi non ha alcun effetto su un qualsiasi processo
elettromagnetico svolgentesi al suo interno, purché tutti i corpi in considerazione, compreso l’etere, partecipino
realmente al moto. “
In definitiva, i punti salienti della concezione di Hertz dell’elettrodinamica dei corpi in movimento possono
essere ben riassunti con Petruccioli e Tarsitani: (51)
“ a) concezione dei ‘campi’ come ‘cambiamenti di stato’ di un’unica sostanza materiale che può essere dielettrica o
conduttrice a seconda del valore di alcune costanti caratteristiche. Etere e materia ponderabile costituiscono
‘modificazioni’ di un’unica sostanza;
b) principio di unità dei campi;
c) rifiuto dell’autonomia del concetto newtoniano di forza;
d) …
e) ipotesi di trascinamento totale dell’etere;
f) conciliazione della teoria di Maxwell con il principio di relatività. “
A questo livello di elaborazione era giunta la teoria di Hertz. Ma, nonostante l’ampiezza del programma, le
importanti novità di carattere metodologico, il risultato ottenuto particolarmente nel conseguimento del punto f, ci
volle ben poco a soppiantare questa visione dei problemi: le difficoltà della teoria di Stokes sul trascinamento totale
dell’etere si ripresentavano interamente e, in ogni caso, bisognava rendere conto del trascinamento parziale di FresnelFizeau.
Per parte sua Hertz non ebbe altre possibilità di ricerca: si spense (1894) giovanissimo, a soli 37 anni.
FISICA/MENTE
4 - L'OTTICA DEI CORPI IN MOVIMENTO. IL PROBLEMA DELL'ETERE E
L'ESPERIENZA DI MICHELSON - MORLEY.
Verso la metà degli anni '70, come abbiamo già visto nel paragrafo 6 del capitolo III, la situazione nell'ambito
dell'ottica ed in particolare relativamente all'ottica dei corpi in movimento era la seguente:
- la teoria ondulatoria della luce aveva avuto il suo riconoscimento ufficiale;
- la teoria dell'etere immobile spiegava bene il fenomeno dell'aberrazione ma non riusciva a spiegare tutta una serie
di fenomeni diversi come, ad esempio, l'esperienza di Arago e quella di Airy;
- la teoria del trascinamento totale dell'etere (Stokes, 1845) incontrava delle difficoltà nella spiegazione del fenomeno
dell'aberrazione (si veda la nota 313);
- la teoria del trascinamento parziale dell'etere riusciva a spiegare, almeno al prime ordine di v/c, tutti i fatti
sperimentali noti ed in più aveva un grosso sostegno nell'esperienza di Fizeau (misura della velocità della luce in un
mezzo trasparente in movimento);
- il problema della determinazione delle proprietà di questo etere e dei suoi rapporti con la materia in moto si faceva
sempre più pressante ed un invito ad indagare in questo senso fu anche rivolto ai ricercatori dall'Accademia delle
Scienze di Parigi.
Per altri versi gli sviluppi dell'elettromagnetismo avevano definitivamente stabilito che la luce ha una natura
elettromagnetica, rendendo l'ottica un paragrafo dell'elettromagnetismo. Anche in questo campo di ricerca si cercava
di capire quali fossero le proprietà dell'etere che, anche qui, serviva da sostegno alle 'vibrazioni'. Risultato, allora,
della scoperta identità tra luce ed onde elettromagnetiche fu la fusione dell'etere ottico con quello elettromagnetico.
Da questo momento si avrà a che fare semplicemente con l'etere ed il problema della ricerca delle sue proprietà
riguarderà da ora tutta la fisica. (541)
Nel 1879 moriva Maxwell e nel 1880 veniva pubblicata postuma su Nature una sua lettera a D.P. Todd. In questa
lettera, tra l'altro, Maxwell affermava: (542)
FISICA/MENTE
"Se fosse possibile misurare la velocità della luce in un solo senso fra due stazioni terrestri in ciascuno dei
due casi [nel primo caso la Terra si muove nello stesso senso della luce, nel secondo caso in senso contrario], la
differenza tra i due tempi di transito dovrebbe dipendere in modo lineare dal rapporto tra la velocità v della Terra e
la velocità c della luce rispetto all'etere. Si tratterebbe quindi di un effetto del primo ordine ... Ma nei metodi terrestri
per la determinazione della velocità della luce, la luce stessa torna indietro sempre lungo la stessa traiettoria, così
che la velocità della Terra rispetto all'etere dovrebbe alterare il tempo necessario per il doppio passaggio di una
quantità che dipende dal quadrato del rapporto tra la velocità della Terra e quella della luce [effetto del secondo
ordine]: il quale è un valore troppo piccolo per poter essere osservato."
Per capire meglio quanto qui sostenuto facciamo un esempio semplice. Supponiamo di voler calcolare il tempo
necessario affinché un battello, che parte da un certo punto A, risalendo la corrente di un fiume, raggiunga un altro
punto B e, quindi, col favore della corrente, da B torni ad A, avendo percorso una distanza 2d (figura 29).
Supponiamo che il battello sia dotato di una velocità u rispetto all'acqua del fiume e che la corrente dello stesso fiume
abbia una
velocità v.
Il tempo t AB necessario per andare da A a B (per percorrere la distanza d controcorrente) sarà dato da:
FISICA/MENTE
tAB
= d/(u-v)
in accordo con il principio classico di relatività (essendo v-u la velocità del battello rispetto alla riva del fiume).
Il tempo tBA per tornare da B ad A (per percorrere la distanza d a favore di corrente) sarà allora:
tBA = d/(u+v)
sempre in accordo con il principio classico di relatività (essendo v+u la velocità del battello rispetto alla riva del
fiume).
Il tempo totale t1 necessario a completare il tragitto di andata e ritorno sarà dato da:
Come si vede questo tempo dipende dal secondo ordine in v/u, cioè da v2/u2. Ora, nel caso del battello e del fiume, le
velocità sono dello stesso ordine di grandezza e pertanto la quantità v2/u2 è grande tanto da dare un contributo
significativo al calcolo di t1 (se il battello ha una velocità di 50 km/h e la corrente di 10 km/h, segue che v/u = 1/5 da
cui v2/u2 = 1/25).
Supponiamo ora di voler fare lo stesso conto per il tempo impiegato dalla luce a fare un percorso di andata e
ritorno sulla Terra (mediante, ad esempio, uno specchio). Se disponiamo i nostri strumenti in modo che il percorso
della luce abbia la stessa direzione del moto orbitale della Terra, quando la luce marcerà in un verso sentirà un vento
d'etere che si opporrà al suo movimento, quando marcerà in verso opposto il vento d'etere l'aiuterà nel suo
movimento. E' chiaro che il vento d'etere è quello prodotto dal moto della Terra in mezzo ad esso (l'analogo del vento
d'aria che si sente andando in moto, che ha la stessa velocità della moto ma verso opposto). Ora, la velocità della
Terra, rispetto all'etere, nel suo moto orbitale, è di circa 30 km/sec, mentre la velocità della luce, sempre rispetto
all'etere, è di circa 300.000 km/sec. Il tempo t1 di andata e ritorno per un raggio di luce che debba percorrere un certo
FISICA/MENTE
tratto d sulla Terra (nella direzione del moto orbitale di quest'ultima), analogamente al caso del battello, sarà:
dove 2d è la lunghezza del tragitto totale percorso dalla luce, v la velocità del vento d'etere, c la velocità della luce.
Quanto vale v2/c2 ?
Questo era dunque il ragionamento di Maxwell: effetti cosi piccoli non si sarebbero potuti rilevare con nessuno
strumento conosciuto. Egli allora proponeva di cercare il vento d'etere su altre esperienze, ma questa volta di carattere
astronomico (in particolare suggeriva una versione modificata della misura fatta da Römer).
Il problema era dunque quello di rilevare un moto assoluto della Terra rispetto all'etere ed, in ogni caso, di
individuare la presenza e le proprietà di questa sostanza.
Proprio nell'anno della pubblicazione della lettera di Maxwell su Nature, il guardiamarina A.A. Michelson
(1852-1931), docente di fisica al Nautical Almanac Office di Washington, si trasferiva dagli Stati Uniti in Europa per
perfezionare i suoi studi, principalmente nel campo dell'ottica.
Michelson già aveva lavorato in ottica riuscendo tra l'altro a realizzare (l873) un importante perfezionamento al
metodo di Foucault per la misura della velocità della luce (sostituzione dello specchio concavo con uno specchio
piano; la qual cosa permetteva di misurare c su qualsiasi distanza ed inoltre rendeva il costo dello strumento
estremamente basso). Ma fatto interessante è che egli venne a conoscenza, in anteprima, della lettera di Maxwell a
Todd, poiché quest'ultimo era suo collega al Nautical Almanac Office. Inoltre egli aveva già lavorato su esperienze
utilizzanti metodi interferometrioi ed andò a proseguire i suoi studi dapprima a Berlino, nel laboratorio di Helmholtz,
quindi ad Heidelberg, nei laboratori di Quincke e Bunsen, infine a Parigi, nei laboratori di Mascart, Cornu e
FISICA/MENTE
Lippmann. (543)
Già alla fine del 1880 egli aveva comunicato al direttore del Nautical la sua intenzione di riuscire ad individuare
il moto della Terra attraverso l'etere; della cosa aveva già informato Helmholtz il quale non aveva avuto nulla da
obiettare. (544)
Michelson cominciò ad ideare lo strumento che riteneva necessario per eseguire l'esperienza che aveva in mente;
da una ditta tedesca comprò un polarimetro ottico e ne sostituì la parte ottica piana con quella utilizzata
nell'interferometro di Jamin (le due lastre uguali di vetro mostrate in figura 20) acquistata da una ditta di Parigi. Lo
schema di funzionamento di questo primo interferometro di Michelson è mostrato in figura 30.
Figura 30
S è una sorgente di luce (dapprima monocromatica per la taratura dello strumento e quindi bianca); A e B sono le due
lastre di vetro dell'interferometro di Jamin; M1 ed M2 sono due specchi piani; O è un oculare su cui è riportata una
scala graduata. Il raggio di luce prodotto da S, interagendo con la lastra A, viene separato in due fasci che marciano
tra loro ad angolo retto: il fascio 2, dopo aver attraversato A, essersi riflesso su M2 ed aver riattraversato A, va
all'oculare O; il fascio 1, dopo aver attraversato B, essersi riflesso su M1 , aver riattraversato B ed essersi riflesso su
FISICA/MENTE
A, va anche esso all'oculare O (si noti che: i due fasci si originano nel punto P; che la lastra B - lastra compensatrice è utilizzata per rendere perfettamente uguali i due percorsi ottici; che i tratti PM1 e PM2 sono chiamati bracci
dell'interferometro).
L'idea guida dell'esperienza è ben espressa dallo stesso Michelson in apertura dell'articolo del l861 che ne fa un
resoconto: (545)
"La teoria ondulatoria della luce ipotizza resistenza di un mezzo chiamato etere, le cui vibrazioni producono i
fenomeni del calore e della luce e che si suppone riempia tutto lo spazio. Secondo Fresnel, l'etere che è racchiuso nei
mezzi ottici condivide il moto di questi ultimi in una misura che dipende dai loro indici di rifrazione ... Supponendo
quindi che l'etere sia in quiete e che la Terra si muova in esso, il tempo necessario alla luce per passare da un punto
all'altro della superficie terrestre dovrebbe dipendere dalla direzione lungo la quale essa si muove."
Dunque si tratta di questo: quando la Terra si muove nello spazio con una velocità v, essa provocherà un vento d'etere
con la stessa velocità v ma in verso contrario (si veda la figura 3l). Se si considera un raggio di luce che faccia un
percorso PM1P nella direzione del moto della Terra, esso impiegherà un dato tempo t1 diverso dal tempo t2
necessario ad un raggio di luce per percorrere una ugual distanza PM2P in direzione perpendicolare al moto della
Terra. Ritornando all'esempio del fiume, incontrato un poco indietro, vediamone il perché riferendoci alla figura 32.
FISICA/MENTE
Abbiamo già visto che il tempo t1 necessario ad un battello, che marci a velocità u, a percorrere il tragitto ABA
in direzione della corrente è dato da:
Calcoliamoci ora il tempo t2 necessario allo stesso battello a percorrere una stessa distanza 2d ma, questa volta, in
direzione perpendicolare alla corrente (tragitto ACA).
Innanzitutto il pilota del battello, se vuole arrivare da A a C, dovrà puntare la prua verso C", in accordo con la
composizione vettoriale delle velocità: la velocità risultante vR del battello sarà la somma vettoriale della velocità u ,
del battello rispetto all'acqua, e v della corrente rispetto alla riva (si veda la figura 33a). Analogamente al ritorno; se il
pilota vuole arrivare da C ad A, dovrà puntare la prua verso C'' e la sua velocità risultante sarà la medesima vR (si
veda la figura 33b).
FISICA/MENTE
E' ora abbastanza facile calcolarci vR (velocità del battello rispetto alla riva); basta applicare il teorema di
Pitagora per avere:
Il tempo necessario a percorrere il tragitto ACA sarà allora:
Come si può vedere i tempi t1 e t2 , forniti rispettivamente dalle (1) e (2), sono differenti.
Ora, nel caso della luce illustrato in fig. 31, le cose vanno esattamente allo stesso modo a patto di sostituire
alla velocità della corrente v la velocità del vento d'etere v, alla velocità del battello u la velocità della luce c, ai
percorsi ABA e ACA i percorsi PM1P e PM2P.
E questa era l'idea base di Michelson, il quale voleva evidenziare la differenza tra i due tempi t1 e t2, fatto che
FISICA/MENTE
gli avrebbe permesso di mostrare l'esistenza dell'etere dal suo vento e conseguentemente il moto assoluto della Terra
rispetto a quella misteriosa sostanza.
In definitiva i tempi t1 e t2 necessari alla luce per percorrere rispettivamente i tratti PM1P e PM2P erano
teoricamente dati da: (546)
avendo assunto che d è la lunghezza di ciascun braccio dell'interferometro. Calcoliamo ora quanto vale la differenza
∆t fra questi due tempi:
Per poter procedere al calcolo conviene fare una approssimazione lecita solo se v<<c, cosa senz'altro verificata. Allo
scopo ricordiamo la formula binomiale che permette lo sviluppo del binomio di Newton:
Applichiamo questo sviluppo ai due termini dell'ultimo membro della (3):
FISICA/MENTE
Facciamo ora l'approssimazione annunciata. Poiché v <<c e, conseguentemente, v/c <<1, la quantità v2/c2 è
certamente molto piccola e, a molto maggior ragione, v4/c4 è completamente trascurabile. Con tale assunzione si ha:
avendo trascurato i termini in v/c di ordine superiore al secondo.
In questo modo la (3) che ci forniva ∆t diventa:
avendo indicato con ∆s il tragitto percorso dalla luce nel tempo ∆t.
Tutto ciò che abbiamo detto era nell'ipotesi implicita che i bracci dell'interferometro fossero perfettamente
uguali e lunghi d. Ora, mentre nel caso del battello metro più o metro meno, su percorsi di centinaia di metri, non crea
alcun problema, in questo caso, dato il piccolissimo effetto da rilevare, anche una piccolissima ed inevitabile
differenza tra i due bracci può essere fatale alla validità dell'esperienza (essendo tal piccola differenza quantomeno
dell'ordine di grandezza dell'effetto da misurare). Per rimediare a questo inconveniente Michelson pensò di effettuare
la misura, una prima volta con i bracci dell'interferometro sistemati come in fig. 30 e quindi, una seconda volta con i
FISICA/MENTE
bracci ruotati di 90° sul piano orizzontale, di modo che il braccio prima disposto nella direzione del vento d'etere
fosse ora perpendicolare ad esso (e viceversa per l'altro braccio). Operando in questo modo l'inconveniente veniva
eliminato: i due bracci invertivano il loro ruolo e la seconda lettura, fatta per differenza con la prima, compensava gli
effetti (anche analiticamente). (547) Nella seconda lettura si otteneva una differenza di tragitto analoga alla prima ma
di segno contrario cioè, in totale, una differenza doppia della precedente.
Rifacciamoci allora i conti, nell'ipotesi di bracci con lunghezza diversa: PM1 = d1 e PM2 = d2. Ripartendo
dalla (3) si ha:
Invertendo ora i bracci dell'interferometro, la relazione precedente diventa:
La differenza tra questi due tempi sarà:
FISICA/MENTE
avendo, come prima, indicato con ∆s il cammino percorso dalla luce nel tempo ∆t. Ora si tratta di andare a sostituire i
valori numerici ricavati dalla struttura dell'apparato sperimentale; ed ora, e solo ora, possiamo supporre, nei limiti
degli errori di misura, che d1 ~ d2 = d e scrivere:
E questo risultato è in accordo con quanto anticipato: abbiamo ottenuto una differenza doppia e ciò vuol dire che gli
effetti si sono compensati.
In ultima analisi, l'esperienza di Michelson, per la prima volta, ci pone di fronte ad una dipendenza del
secondo ordine in v/c. la differenza ∆s di cammino ottico è quella che nell'oculare O dovrebbe originare frange di
interferenza. (548) Considerando gli ordini di grandezza in gioco, cerchiamo di vedere se ciò è sperimentalmente
realizzabile. Nell'esperienza di Michelson del 1881 si aveva d1 ~ d2 = 120 cm ed allora ∆s ~ 2,4.102.10-8 cm =
2,4.10-6 cm. Se si confronta questa differenza di cammino ottico dei due raggi con la lunghezza d'onda della luce (λ =
57.10-6 cm), si trova:
FISICA/MENTE
E ciò significa che, dopo aver fatto la prima misura con l'interferometro sistemato in una data posizione, quando si va
a fare la seconda misura con l'interferometro ruotato di 90°, si dovrebbe osservare, nella figura d'interferenza, uno
spostamento di 4/100 di frangia. E lo strumento a disposizione di Michelson era in grado di apprezzare spostamenti di
frange di questo ordine di grandezza.
Nonostante ciò, Michelson concluse la sua memoria del 1881 affermando: (549)
" L'interpretazione dei risultati ottenuti è che non esiste alcuno spostamento delle frange d'interferenza. Si mostra in
tal modo che è errato il risultato dell'ipotesi dell'etere stazionario, e ne consegue la necessaria conclusione secondo
cui l'ipotesi stessa è sbagliata.
Questa conclusione contraddice direttamente la spiegazione fino ad ora generalmente accettata per i fenomeni di
aberrazione: spiegazione che presuppone che la Terra si muova attraverso l'etere e che quest'ultimo rimanga in
quiete."
E ciò vuol dire che la teoria di Fresnel, che prevede un etere immobile nello spazio, etere nel quale la Terra si infila
senza creare alterazioni, a parte un piccolo trascinamento nei corpi trasparenti, va rivista. Le cose sembrano andare
d'accordo con la teoria di Stokes; infatti, poiché la teoria prevede un trascinamento totale dell'etere sulla superficie
della Terra, quest'ultima non e' animata di moto relativo rispetto all'etere.
Le condizioni in cui Michelson aveva lavorato in questa sua prima esperienza non erano delle migliori. Molti
problemi si erano posti, legati soprattutto alle condizioni fisiche del luogo dove lo strumento era posto. Ad esempio
egli dovette trasferirsi da Berlino ai sotterranei dell'Osservatorio di Potsdam, poiché troppe erano le vibrazioni dovute
al traffico cittadino che, di fatto, gli impedivano di far misure. Un altro grave inconveniente, ricordato dallo stesso
Michelson nel suo lavoro con Morley del 1887, era legato alle difficoltà incontrate per ruotare manualmente lo
strumento. Insomma, questo primo lavoro lasciò molti dubbi e sollevò molte critiche; lo stesso Michelson lo
considerò un insuccesso.
Dopo la realizzazione dell'esperienza, Michelson rimase ancora un anno in Europa. Passò prima ad Heidelberg
dove, tra l'altro, ebbe modo di stare a contatto con Quincke il quale nel 1867 aveva introdotto la tecnica
dell'argentatura di una delle superfici delle lastre di vetro di Jamin. In questo modo, dosando la quantità di argento
che si faceva depositare sulla superficie, si potevano ottenere specchi semitrasparenti, con il risultato che le frange
risultavano molto più nitide. (550)
FISICA/MENTE
Una lettera scritta a Nature in questo periodo, per criticare una misura di velocità della luce eseguita di recente
da Young e Forbes, gli valse l'amicizia di Lord Hayleigfa (1842-1919) che condivideva le sue opinioni su quella
misura.
Prima di tornare negli Stati Uniti, Michelson soggiornò qualche tempo a Parigi. Qui, come già detto (si veda la
nota 546), scrisse una memoria nella quale riconosceva e correggeva il suo errore nella non valutazione del vento
d'etere sul cammino ottico perpendicolare ad esso.
Ripresa la sua attività negli Stati Uniti, per lungo tempo, Michelson non fece più riferimento all'esperienza di
Potsdam. Egli si dedicò a svariati lavori di ottica e, in particolare, alla misura della velocità della luce ed alla
ripetizione (l886) dell'esperimento di Fizeau, (551) fatto quest'ultimo ritenuto importante da molti, ora che si
disponeva di apparati in grado di rilevare effetti al secondo ordine in v/c. Quest'ultima esperienza la condusse insieme
al chimico E.W. Morley (1838-1923). (552) Dopo 65 serie di misure (!) con uno strumento che era una variante
dell'interferometro di Michelson, i due ricercatori trovarono per il coefficiente di trascinamento di Fresnel in acqua il
valore di 0,434 ± 0,03, che era in ottimo accordo con quello previsto teoricamente da Fresnel (0,438). Questo valore
migliorava quello trovato da Fizeau (0,5 ± 0,1) che, mentre era in buon accordo con quello previsto dal lavoro teorico
di J.J. Thomson (cui abbiano fatto cenno alla nota 541), che aveva tentato di ricavare il coefficiente di trascinamento
dalla teoria elettromagnetica, non lo era molto con quello previsto da Fresnel. In ogni caso il risultato era in accordo e
con la teoria di Fresnel e con l'esperimento di Fizeau, di modo che i due ricercatori statunitensi conclusero il loro
lavoro affermando che "l'etere luminifero è completamente insensibile al moto della materia che esso permea."
Ed in definitiva le cose sembravano svolgersi in accordo con la teoria di Fresnel: etere stazionario e trascinamento
parziale.
E' a questo punto (l886) che viene pubblicata una memoria del fisico olandese H.A. Lorentz (1653-1928) nella
quale si discuteva l'influenza del moto della Terra sui fenomeni luminosi. (553) L'articolo in oggetto si apriva con
una frase che aveva il sapore di un programma: (554)
" l'esame di questa questione non interessa soltanto la teoria della luce, esso ha acquistato una importanza
molto più generale da quando è diventato probabile che l'etere giochi un ruolo nei fenomeni elettrici e magnetici."
Fatta questa premessa Lorentz passò ad esporre la sua teoria che prendeva le mosse da quella sviluppata da Stokes nel
1845 (555) e si integrava con quella di Fresnel. Egli però, dopo aver dimostrato l'inconciliabilità delle due ipotesi di
Stokes (l'etere dotato di velocità potenziale e l'etere totalmente trascinato dai corpi materiali: è impossibile che l'etere
sia un fluido incompressibile e che si muova alla stessa velocità della superficie della Terra senza che in esso si
FISICA/MENTE
producano vortici - questa era l'ipotesi di Stokes che Lorentz dimostra non in accordo con i principi della meccanica
-), optò solo per la prima, accettando quindi che l'etere sia dotato di una velocità potenziale (in questo modo si
rendeva possibile la conciliazione di Stokes con Fresnel). Più in dettaglio, (556) secondo Lorentz: l'etere è dovunque
immobile nello spazio vuoto; la materia è completamente trasparente all'etere il quale rimane immobile anche quando
è attraversato da un corpo materiale in movimento; poiché l'etere è immobile e la Terra è dotata di una certa velocità,
l'etere che è a contatto con la Terra risulta in moto rispetto alla sua superficie ed è inoltre dotato di una velocità
potenziale; sulla superficie della Terra i moti relativi dell'etere e della Terra stessa possono essere differenti a seconda
delle situazioni particolari; nei corpi trasparenti c'è trascinamento parziale dell'etere secondo il coefficiente di Fresnel
che dipende dall'indice di rifrazione del mezzo.
Con questa elaboratissima ipotesi Lorentz ridusse la teoria di Fresnel ad un caso particolare della sua (si ha
trascinamento di Fresnel quando la velocità potenziale dell'etere è uguale a zero) e dimostrò che, ad eccezione
dell'effetto Doppler prodotto dalla luce delle stelle, non si poteva in alcun modo rilevare il moto della Terra da
fenomeni ottici. C'è solo da notare che queste conclusioni Lorentz le ricavò facendo delle approssimazioni, a mio
giudizio, non più lecite a questo livello di elaborazione teorica e sperimentale: egli trascurò termini in v/c d'ordine
superiore al primo. In ogni caso questa teoria era in ottimo accordo con le conclusioni di Fresnel e spiegava allo
stesso modo tutti i fatti sperimentali fino ad allora conosciuti. Inoltre, proprio in quello stesso anno, l'esperienza di
Michelson e Morley, ripetizione di quella di Fizeau, aveva mostrato un completo accordo della teoria di Fresnel con
l'esperimento.
Il lavoro di Lorentz, a questo punto, proseguiva andando a discutere i supposti rapporti tra etere e materia
ponderabile anche perché, nella seconda delle sue ipotesi iniziali, egli aveva ammesso che "alla superficie della Terra
i moti di questa e dell'etere possono essere differenti" ed una questione di tal portata non si poteva lasciare in sospeso.
Cosi scriveva Lorentz: (557)
"Comunque stiano le cose, sarà bene, a mio avviso, non lasciarsi guidare, in una questione cosi importante, da
considerazioni sul grado di probabilità o di semplicità dell'una o dell'altra ipotesi, ma indirizzarsi verso
l'esperimento per arrivare a conoscere lo stato, di riposo o di movimento, nel quale si trova l'etere sulla superficie
terrestre."
E, secondo Lorentz, l'esperienza di Michelson del 1881 sembrava indicare che l'etere fosse immobile rispetto alla
superficie della Terra, anche se questo esperimento non era sufficientemente preciso (e qui Lorentz faceva riferimento
all'errore di sopravvalutazione degli effetti fatto da Michelson accennato nella nota 546) ed in ogni caso non in grado
di fornire dati sulle velocità relative della Terra e dell'etere. Insomma il problema dell'etere si poneva come problema
FISICA/MENTE
di rapporto tra etere e materia (preludio questo alla teoria degli elettroni di Lorentz della quale parleremo nel
prossimo paragrafo).
Rayleigh, anch'egli convinto che il problema centrale fosse di stabilire il rapporto esistente tra etere e materia,
scrisse a Michelson mettendolo al corrente dell'articolo di Lorentz e facendogli presente che era diventato urgente
ripetere l'esperienza di Potsdam.
Nel marzo del 1887 Michelson rispose a Rayleigh (558) confidandogli anche la propria insoddisfazione per
l'esperienza del l88l e che, per la verità, si era sentito molto scoraggiato quando i suoi stessi amici scienziati non gli
avevano prestato attenzione sull'argomento. In ogni caso ringraziava Rayleigh per averlo incoraggiato e, dopo essersi
impegnato a ripetere l'esperimento, gli chiedeva dei consigli che potrebbero oggi far sorridere ma che ben rendono
conto delle problematiche complesse che c'erano dietro la vicenda dell'etere. Michelson si preoccupava di sapere se la
sua esperienza poteva essere inficiata dalla particolare geometria del laboratorio se, ad esempio, una parete potesse
ostacolare il vento d'etere. Così scriveva Michelson: (559)
" Supponiamo, per esempio, che le irregolarità della superficie della Terra siano schematicamente rappresentate da
una figura come questa:
Se la superficie della Terra fosse in movimento nel verso della freccia, l'etere che si trova in 00 sarebbe trascinato con
essa ? [e, cosa accadrebbe] in una stanza di questa forma?
Immediatamente, ancora insieme, Miohelson e Morley si misero al lavoro realizzando uno strumento di misura
FISICA/MENTE
che aveva superato tutti i difetti di quello di Potsdam. (560) Innanzitutto l'intero stramento era montato solidalmente
con una grossa base di arenaria (figura 34a) la quale a sua volta era montata su di un galleggiante di legno sistemato
in una vasca di ferro contenente mercurio (una sezione dell'intero apparato e' mostrata in figura 34b). II tutto aveva
una grossa
stabilità e contemporaneamente poteva venir ruotato sul piano orizzontale intorno al suo asse (x), con facilità e senza
provocare distorsioni (anzi l'apparato veniva manualmente messo in rotazione e continuava a ruotare per inerzia in
modo cosi lento che le letture potevano essere fatte quando esso era in moto).
L'altra questione riguardava la sensibilità dello strumento che era al limite della misura da effettuare: a Potsdam
lo strumento era in grado di porre in evidenza uno spostamento delle frange pari ad un centesimo di frangia; ora, con
un sistema di riflessioni multiple (figura 34c), si aumentava, moltiplicandolo per circa 10, il tragitto della luce ed in
questo modo si aumentava di circa un fattore 10 l'effetto previsto; ora lo strumento, se l'effetto previsto si fosse
verificato, avrebbe dato una risposta più grande (lo strumento era reso 10 volte più sensibile). Ci possiamo rendere
conto di quest'ultima cosa se riprendiamo per un momento in esame la relazione (4) incontrata più indietro e
sostituiamo i valori ora a disposizione , che differiscono dai precedenti solo perché ora d ~ 11 m = 1,1.103 cm, si
ha:
FISICA/MENTE
e, come si vede, si è amplificato di un fattore 10 l'effetto previsto: ora, mentre si è in grado sempre di apprezzare lo
spostamento di un centesimo di frangia, l'effetto previsto è di ben circa mezza frangia.
Con questo apparato, con estrema cura, venne eseguita l'esperienza nel mese di luglio del 1887: non si osservò
nessun effetto. Nell'articolo che descrive l'esperienza, (561) tutto impostate per rispondere alle critiche di Lorentz
sulla non attendibilità del lavoro del 1881, Michelson e Morley dicevano: (562)
"si è deciso di ripetere l'esperimento con modifiche tali da assicurare un risultato teorico il cui valore numerico sia
talmente elevato da non poter essere mascherato da errori sperimentali ... Da tutto quanto precede [discussione dei
risultati sperimentali] sembra ragionevolmente certo che, se esiste un qualche moto relativo tra la Terra e l'etere
luminifero, allora esso deve essere molto piccolo; talmente piccolo da farci rifiutare la spiegazione dell'aberrazione
data da Fresnel. Stokes ha elaborato una teoria dell'aberrazione nella quale si ipotizza che l'etere alla superficie
della Terra sia in quiete rispetto a quest'ultima: in tale teoria si richiede solamente, inoltre, che la velocità relativa
abbia un potenziale; ma Lorentz ha dimostrato che queste condizioni sono tra loro incompatibili. Lorentz ha quindi
proposto una variante nella quale si combinano alcune idee di Stokes e di Fresnel, e si assume l'esistenza di un
potenziale insieme al coefficiente di Fresnel. Se, sulla base del presente lavoro, fosse lecito concludere che l'etere è in
quiete per quanto riguarda la superficie della Terra, allora, secondo Lorentz, non potrebbe esistere un potenziale
della velocità; ed in tal caso la teoria dello stesso Lorentz fallisce."
L'esperienza aveva così fornito un risultato del tutto negativo e la spiegazione immediata e più spontanea , nel
contesto della fisica di fine Ottocento, era che l'etere che circonda la Terra fosse trascinato da essa cosicché esso
risultasse in quiete rispetto alla superficie della Terra stessa. Di nuovo sorgeva la difficoltà rispetto al fenomeno
dell'aberrazione; l'ipotesi di un etere trascinato dalla superficie della Terra e quindi in riposo rispetto ad essa non si
conciliava con la spiegazione di questo fenomeno. Di nuovo la teoria di Fresnel non era in accordo con questo fatto
sperimentale, non lo era quella di Lorentz e tantomeno quella di Stokes, che Lorentz aveva dimostrato essere
inconsistente.
In definitiva, a questo punto ci troviamo di fronte all'aberrazione che si spiega con l'etere immobile; alla costanza
dell'aberrazione per differenti mezzi che si spiega con il trascinamento parziale; all'esperienza di Michelson-Morley
che si spiega con un trascinamento totale. Sono conseguenze di differenti fatti sperimentali, tutte in disaccordo tra di
loro.
Per altri versi l'idea che sempre più andava facendosi strada era che questo etere non sembrava in grado di
fornirci un sistema di riferimento privilegiato né per i fenomeni ottici né per quelli elettromagnetici. In particolare,
FISICA/MENTE
non si era in grado di evidenziare il moto della Terra rispetto all'etere e, d'altra parte, lo stesso etere sfuggiva ad
ogni rilevamento sperimentale. (564)
Cosa concludere da tutto ciò?
Certamente occorreva mettersi al lavoro per raccordare con una sola teoria i vari fatti sperimentali.
Bisognava inventare cose nuove poiché non era possibile rimettere in discussione né l'ottica in quanto tale, né
l'elettromagnetismo, né, tantomeno, la meccanica che ci fornisce la composizione delle velocità, e questo per il
semplice motivo che questi capitoli della fisica erano molto ben strutturati, mirabilmente formalizzati,
spiegavano una mole notevolissima di fatti sperimentali e fornivano una tal base di certezze che sembrava,
impossibile rimettervi le mani.
Da dove cominciare ?
Intanto da ciò che sembrava più semplice: cercare di ricondurre alla ragione quel pazzo interferometro.
Quindi cercando di modificare l'elettromagnetismo (di cui l'ottica è ormai un capitolo) in qualche sua parte. Ma la
meccanica no: essa era davvero intoccabile.
Non c'è dubbio che questo era un periodo di grande travaglio all'interno di quella parte del mondo
scientifico che lavorava su questi problemi in modo diretto. Il resto della comunità scientifica non era toccata dalla
cosa; la specializzazione crescente, la divisione del lavoro, la richiesta di efficienza (tutti e tre come portato del
mondo esterno che imponeva i suoi ritmi ad una scienza che era buona in quanto presto o tardi sarebbe servita al
mondo della produzione - e molto presto della guerra -), tutto ciò faceva sì che problemi complessivi non si ponessero
e che un ripensamento sui fondamenti non venisse preso molto sul serio. Ma di questo torneremo a parlare nel
paragrafo 6 di questo capitolo. E' ora molto importante andare a vedere quali furono le immediate elaborazioni
teoriche che seguirono il lavoro di Michelson-Morley.
5 - TENTATIVI SI CONCILIARE LA TEORIA CON I FATTI SPERIMENTALI SENZA
RINUNCIARE ALL'ETERE. I PRIMI LAVORI SI LORENTZ.
Nel lasso di tempo che va, da 1880 al 1890, l'ottica e l'elettrodinamica dei corpi in movimento acquistano
FISICA/MENTE
rilevanza nell'ambito della ricerca fisica.
Le esperienze di Hertz fornivano una base sperimentale alla teoria di Maxwell, al campo elettromagnetico, alla
teoria elettromagnetica della luce, all'azione a contatto propagantesi con velocità finita. Le stesso Hertz aveva
mostrato che, nel suo modo di derivare le equazioni di Maxwell, queste ultime risultavano invarianti rispetto ad una
trasformazione di Galileo.
Per altri versi la teoria del trascinamento parziale dell'etere elaborata da Fresnel sembrava rendere conto dei vari
fatti sperimentali, pur ponendosi in contrasto con l'ipotesi del trascinamento totale riproposta da Hertz sulle orme di
Stokes. Ma la teoria di Fresnel era in grado di rendere ragione solo di effetti al primo ordine del rapporto v/c
(altrimenti detto costante di aberrazione).
Gli esperimenti di Michelson, al secondo ordine del rapporto v/c, sembravano contraddire l'ipotesi di un
trascinamento parziale ed affermare l'ipotesi del trascinamento totale che a sua volta si trovava in gravi difficoltà nella
spiegazione del fenomeno dell'aberrazione. Oltre a ciò il trascinamento totale di Stokes risultava inconsistente ad una
attenta analisi fattane da Lorentz.
In definitiva, da una parte la teoria elettromagnetica aveva mostrato la sua capacità di spiegare e predire vari fatti
sperimentali, dall'altra proprio l'elaborazione della teoria in connessione con nuovi fatti sperimentali faceva sorgere il
problema di un inquadramento in una teoria più generale che rendesse conto di quanto di nuovo emergeva e di quanto
era solo postulato nelle teorie precedenti. Era ancora l'indeterminatezza logica della teoria di Maxwell che apriva
ampi spazi all'elaborazione teorica.
In questo contesto e nell'ambito della scuola continentale iniziò a lavorare il fisico olandese H.A. Lorentz.
Già nella sua tesi di dottorato, Riflessione e rifrazione della luce nella teoria elettromagnetica (1875), il cui
argomento gli era stato suggerito da Helmholtz, egli mostrò uno spiccato interesse per la teoria di Maxwell che, allo
stesso modo di Hertz, egli aveva appreso dai lavori di Helmholtz. Il problema che Lorentz affrontava non era privo di
difficoltà; si trattava di ricavare le leggi della riflessione e rifrazione non più dalle teorie elastiche dell'ottica (Cauchy,
Poisson, ...), teorie che si presentavano come elaborazioni nell'ambito della meccanica, ma dalla teoria di MaxwellHelmholtz. Le teorie elastiche, per rendere conto dei fenomeni di riflessione e rifrazione della luce, dovevano
ricorrere a 6 condizioni le quali potevano essere soddisfatte solo ammettendo che, a lato delle vibrazioni trasversali, vi
fossero anche vibrazioni longitudinali. Lorentz dimostrò che, ricavando quelle leggi dalla teoria elettromagnetica (con
la sola ipotesi che la costante di polarizzazione del dielettrico fosse un numero molto grande), occorre tener conto
FISICA/MENTE
solo di 4 condizioni i due per il campo elettrico e due per il campo magnetico. Queste condizioni possono essere
soddisfatte con la sola ammissione di onde trasversali. In fin dei conti Lorentz mostrò che è più agevole ricavare le
leggi dell'ottica dalla teoria elettromagnetica che non dalla meccanica (egli diceva che la teoria di Maxwell deve
essere preferita alla vecchia teoria ondulatoria) riuscendo in questo modo a ridurre l'ottica, anche in modo analitico,
ad un capitolo dell'elettromagnetismo.
In questa fase Lorentz era ancora un sostenitore dell'azione a distanza (il Trattato di Maxwell era stato pubblicato
da poco ed ancora mancavano più di 10 anni alle esperienze di Hertz). In ogni caso, per sua stessa ammissione, la sua
adesione all'azione a distanza non era un dogma intoccabile. Egli affermava che la teoria discende dalle equazioni e
non dall'azione a distanza: si trattava di scrivere queste equazioni cosicché esse descrivessero nel modo migliore la
realtà e quindi arrivare a dedurle direttamente dalla considerazione di forze molecolari.
Lorentz quindi già annunciava un ben chiaro programma: ricavare le equazioni di Maxwell in forma
microscopica annettendo inoltre alle stesse equazioni un dato che trascendeva le modalità del loro conseguimento.
In conclusione del suo lavoro del 1875 egli affermava (565) che "lo studio di altri fenomeni attraverso questa
teoria si prospetta ugualmente fecondo per l'allargamento delle nostre conoscenze" e, passando ad esemplificare,
Lorentz faceva riferimento: ai fenomeni della dispersione e della rotazione del piano di polarizzazione (effetto
Faraday), al probabile rapporto tra forze meccaniche e fenomeni luminosi, all'influenza esercitata sulla luce dalle
forze esterne e dal movimento del mezzo, ai fenomeni di emissione e di assorbimento, al calore raggiante.
Come si vede si trattava di un ben vasto programma, ma quello che è più interessante per gli sviluppi futuri è
che Lorentz si proponeva qui di stabilire "il modo in cui questi fenomeni sono connessi alla struttura molecolare" ed
in particolare di ricercare un probabile legame tra emissione di luce e vibrazione di molecole, sede di oscillazioni
elettriche. (566) E così Lorentz concludeva:
"Lungi dall'avere acquisito una forma definitiva, la teoria di Maxwell indica piuttosto la necessità di giungere al
chiarimento dei numerosi punti oscuri dei quali oggi non si può fornire che una spiegazione inadeguata."
Rimane ancora da segnalare il ruolo giocato dall'etere in questo primo lavoro di Lorentz: esso comincia a venir
separato dalla materia mediante l'ammissione che i corpi ponderabili non lo perturbano e che solo i corpi elettrizzati
modificano le forze elettromotrici in esso presenti.
Si comincia cosi ad intravedere la futura teoria di Lorentzt particellare da una parte e di campo dall'altra.
FISICA/MENTE
Occorrerà però fare ancora molta strada, continuando a ricavare dalla teoria di Maxwell le leggi che regolavano altri,
diversi fenomeni.
Nella sua memoria Sulle relazioni tra la velocità di propagazione della luce e la densità e composizione dei
mezzi (1878), egli tornò ad occuparsi ancora della riduzione dell'ottica all'elettromagnetismo, con il tentativo di
elaborare una teoria delle proprietà ottiche della materia come conseguenza della teoria elettromagnetica. Egli trovà
oosì la prima giustificazione teorica alla formula della dispersione della luce (che era fino ad allora completamente
non spiegata dalla teoria di Maxwell) e poiché allo stesso risultato era pervenuto (l869) anche il fisico danese L.
Lorenz (del quale ci siamo occupati nel paragrafo 3 del capitolo III) la formula della dispersione in oggetto fu
chiamata di Lorenz-Lorentz. (567)
Ma, al di là di questo successo, che pur sempre più lo sosteneva a proseguire sulla strada dell'interpretazione dei
vari fenomeni fisici mediante la teoria di Maxwell-Helmholtz, occorre sottolineare il modo con cui Lorentz riuscì a
conseguirlo. Egli non considerava più allo stesso modo il comportamento dielettrico dell'etere e della materia
ponderabile, così come faceva Maxwell. Ora il solo vero dielettrico era l'etere. E, poiché "lo spazio fra le molecole
deve essere considerato pieno di etere", di cui le stesse molecole sono imbevute, allora il comportamento dielettrico
dei corpi ponderabili diventava una conseguenza dell'interazione tra i campi nell'etere e le particelle materiali cariche
che facevano parte del corpo ponderabile in considerazione. Quando un'onda luminosa entra in un corpo ponderabile
essa pone in oscillazione le particelle cariche ivi presenti. Queste particelle vibreranno con una frequenza propria
originando, ciascuna, una piccola onda. L'interferenza di tutte queste onde elementari tra di loro e con l'onda incidente
origina una onda risultante che risulta modificata rispetto a quella incidente. In modo ancora più preciso, si può dire
che Lorentz supponeva la materia come costituita da molecole e che cambiamenti sullo stato elettrico di queste
molecole influivano sulla polarizzazione dell'etere. Se ora una molecola è dotata di un momento elettrico di dipolo,
essa indurrà una polarizzazione in ciascun punto dell'etere che a sua volta indurrà una forza elettromotrice. A questo
punto Lorentz supponeva che all'interno di ogni molecola vi fosse una particella carica dotata di massa. La luce che
interagisce con la materia genera un momento elettrico di dipolo nelle molecole, mettendo in moto le masse delle
particelle. Una forza elastica di richiamo tende poi a riportare le particelle cariche nelle loro posizioni di equilibrio. E
così il processo continua fin quando la luce interagisce con la materia. Ed ecco, in conclusione,che le particelle
cariche che si trovano sulla materia hanno influito sulla propagazione della luce ma solo mediante un meccanismo che
vede la materia oggetto di azioni che si svolgono principalmente nell'etere. In questo modo i ruoli delle particelle
materiali cariche e dell'etere venivano ad essere separati con un procedimento del tutto nuovo rispetto alle teorie
precedentemente sviluppate. Oltre a ciò, si iniziava a parlare di campi microscopici, in qualche modo originati dalle
vibrazioni di minuscole particelle cariche (quindi da particelle cariche accelerate). (568) Infine l'etere, continuando
a rimanere sede dei fenomeni elettromagnetici, iniziava a perdere le sue caratteristiche materiali poiché Lorentz
FISICA/MENTE
faceva l'ipotesi che "le proprietà dell'etere, ad eccezione che nelle immediate vicinanze delle particelle, sono le
stesse del vuoto." (569)
A questo punto e per circa dieci anni, gli interessi di Lorentz si indirizzarono verso altri campi e principalmente
verso problemi di teoria cinetica dei gas e termodinamica che, proprio in quegli anni, erano arrivate ad un
elevatissimo grado di maturazione e completezza (si veda il paragrafo 7 del capitolo III). (570) Si può avanzare
l'ipotesi che proprio i successi che l'interpretazione microscopica in termini di corpuscoli aveva permesso di
conseguire indussero Lorentz a sempre più convincersi, se non altro, dell'utilità della rappresentazione di altri
fenomeni fisici in termini di particelle. D'altra parte, anche un suo illustre collega, Maxwell, pur avendo sostenuto
nella sua opera principale, il Trattato, la teoria di campo con l'annessa azione a contatto, aveva poi lavorato con
notevole successo in questioni di teoria cinetica. Oltre a ciò, certamente, un grosso influsso su Lorentz lo ebbe quella
scuola continentale, che faceva capo ad Ampère, dei Weber, Riemann, Clausius, L. Lorenz ed Helmholtz, e che
sostituì ai fluidi elettrici le particelle cariche di elettricità positiva e negativa, fluenti in versi opposti con uguali
densità e velocità. Già abbiamo visto infatti come fin dal suo primo lavoro Lorentz insisteva su particelle cariche
presenti nella materia ponderabile, e questo fatto si andrà sempre più precisando negli anni successivi, soprattutto a
partire dalla sua importante memoria del l892. (571)
In questo lavoro, che segna la definitiva conversione di Lorentz all'azione a contatto e quindi più pienamente alla
teoria del campo elettromagneti co di Maxwell ed Hertz, (572) comparve la prima elaborazione di Lorentz di quella
teoria che più tardi sarà chiamata "teoria degli elettroni". (573) Varie erano le motivazioni che il fisico olandese
portava a sostegno del suo cambiamelo di punto di vista, ma i fatti che più influirono su di lui erano state certamente
le esperienze di Hertz del 1888 (con le quali non solo si dimostrava l'esistenza delle onde elettromagnetiche ma anche
che esse si comportavano esattamente come la luce dalla quale differivano solo per la frequenza) che, tra l'altro, gli
confermavano l'idea, già precedentemente elaborata in embrione nel suo lavoro del 1886, di onde elettromagnetiche
generate da cariche elettriche oscillanti (e quindi accelerate) e da Lorentz applicata nell'ambito microscopico.
Ma Lorentz aveva anche ben presente l'elaborazione teorica di Hertz e non ne era soddisfatto poiché in essa
"Hertz non si preoccupa di stabilire una analogia tra le leggi elettomagnetiche e le leggi della dinamica ... [mentre]
si è sempre tentati di ritornare alle spiegazioni meccaniche"
(si ricordi che in Hertz le cariche elettriche erano quasi sparite per lasciar posto al solo campo). Oltre a ciò egli
trovava insufficienti le teorie di Hertz poiché si fondavano su quel trascinamento totale dell'etere, alla Stokes, da lui
stesso dimostrato inconsistente.
FISICA/MENTE
Per altri versi molte lacune si presentavano nella stessa teoria di Maxwell. Ad esempio, in essa, senza alcuna
spiegazione di carattere teorico, venivano introdotte delle costanti (costante dielettrica, permeabilità magnetica,
conducibilità elettrica) che non si capiva bene da dove nascessero e che ruolo fisico o teorico giocassero (oltre al fatto
che, alla fine, avevano la loro corretta sistemazione nelle equazioni).
Secondo Lorentz, quindi, certamente "le concezioni di Maxwell possono servire di fondamento per la teoria
cercata", ma sarebbe stato necessario fare qualche cambiamento. Leggiamo direttamente il brano originale in quei
passi in cui viene stabilita la teoria degli elettroni nelle sue ipotesi fondamentali: (574 )
"Mi è sembrato utile sviluppare una teoria elettromagnetica fondata sull'idea che la materia ponderabile fosse
perfettamente permeabile all'etere e potesse spostarsi senza comunicare a quest'ultimo il minimo movimento ...
Purtroppo una difficoltà si presenta fin dall'inizio. Come farsi un'idea precisa di un corpo che, spostandosi in seno
all'etere ed essendo conseguentemente attraversato da questo mezzo, è allo stesso tempo la sede di una corrente
elettrica o di un fenomeno dielettrico ?"
La risposta a questo quesito seguiva immediatamente:
"Per superare la difficoltà ho cercato, per quanto possibile, di ricondurre tutti i fenomeni ad uno solo, il più semplice
di tutti, e cioè al movimento di un corpo elettrizzato ... Sarà sufficiente ammettere che tutti i corpi ponderabili
contengano un gran numero di particelle di carica positiva e negativa e che i fenomeni elettrici siano prodotti dallo
spostamento di queste particelle.
Seguendo questo punto di vista una carica elettrica è dovuta ad un eccesso di particelle di un dato segno, una
corrente elettrica è un reale flusso di questi corpuscoli e negli isolanti ponderabili ci sarà 'spostamento elettrico'
quando le particelle elettrizzate che essi contengono sono allontanate dalla loro posizione di equilibrio."
E' tutto così chiaro da risultare superflua ogni ulteriore spiegazione. E' invece interessante notare che per la prima
volta veniva fornito un quadro esplicativo ed unitario dei diversi fenomeni elettrici. Certo che, come anche lo stesso
Lorentz riconosceva subito dopo, varie volte ed isolatamente erano state avanzate delle ipotesi simili alle sue; per
questo motivo egli sosteneva che:
" nella nuova forma che sto per darle, la teoria di Maxwell si avvicina alle vecchie idee [di Weber e Clausius]."
FISICA/MENTE
Subito dopo Lorentz affermava che però si poteva anche prescindere dal modo con cui le equazioni erano state
ottenute: l'importante era il risultato e cioè le equazioni stesse. Passando poi ad un confronto della sua con le teorie di
Weber e Clausius, egli scriveva:
"Weber e Clausius consideravano le forze di interazione tra due atomi come dipendenti dalla posizione relativa, dalle
velocità e dalle accelerazioni che questi atomi possedevano nel momento in cui si considerava la loro azione
reciproca. Al contrario le formule a cui perverremo esprimono da una parte i cambiamenti di stato determinati
nell'etere dalla presenza e dal movimento delle particelle elettrizzate; dall'altra esse indicano la forza con cui l'etere
agisce su una qualsiasi particella."
Il capolavoro di Lorentz si andava realizzando: egli riuscì a sintetizzare in un modo mirabile e semplice (almeno nella
formulazione modellistica) le due principali teorie dell'elettromagnetismo, quella particellare della scuola continentale
e quella di campo della scuola britannica; alle cariche elettriche veniva assegnato il ruolo di sorgenti del campo, la
sede di quest'ultimo era l'etere (anzi l'etere sembra essere esso stesso campo), il campo così creato agiva a sua volta
proprio sulle cariche che lo avevano generato, l'etere, pur rimanendo come indispensabile riferimento, scompariva
come entità materiale: erano le grandezze elettromagnetiche del campo ad acquistare una realtà fisica.
Ma come avveniva l'interazione tra etere (campo) e materia (cariche elettriche) ?
Scriveva Lorentz:
" Se la forza [con cui l'etere agisce su una qualsiasi particella] dipende dal movimento delle altre particelle è perchè
tale movimento ha modificato lo stato dell'etere; in questo modo, il valore della forza, in un dato istante, non è
determinato dalla velocità ed accelerazione che i corpuscoli posseggono in quello stesso istante; essa dipende
piuttosto dai movimenti che hanno già avuto luogo. In termini generali si può affermare che le perturbazioni eccitate
nell'etere dal movimento di una particella elettrizzata, si propagano con una velocità uguale a quella della luce,"
e quindi con una velocità finita, conseguenza dell'accettazione dell'azione a contatto.
Tra le ipotesi fondamentali alla base della sua teoria Lorentz poneva:
"Le particelle cariche saranno considerate come appartenenti alla 'materia ponderabile' che può subire l'azione di
forze; tuttavia supporrò che in tutto lo spazio occupato da una particella ci sia anche l'etere, ed inoltre che uno
spostamento dielettrico ed una forza magnetica, prodotti da una causa esterna, possano esistere come se la 'materia
FISICA/MENTE
ponderabile' non ci fosse affatto. Quest'ultima è dunque considerata come perfettamente permeabile all'etere."
II fatto poi che lo spostamento di particelle materiali cariche costituisce una corrente elettrica era ritenuto
ragionevole dal nostro a seguito dell'esperienza di Rowland che aveva appunto dimostrato che il trasporto meccanico
di una carica elettrica equivale ad una corrente.
Con tutto questo apparato concettuale, Lorentz iniziò a lavorare applicando le equazioni di Maxwell (si badi
bene: nella forma semplificata che gli aveva dato Heaviside, con alcune notazioni introdotte da Fitzgerald, con
l'introduzione dei potenziali ritardati ed usando di alcuni risultati nel calcolo integrale ottenuti l'anno prima da
Poincaré) alle supposte particelle cariche.
Alle equazioni di Maxwell, ora ridotte a quattro, che descrivevano la situazione del campo e quindi dell'etere,
Lorentz dovette aggiungerne una quinta che rendesse conto di un fenomeno impensabile nella teoria di Maxwell,
dell'interazione elementare tra campo elettromagnetico e carica elettrica. Questa equazione, risultato di grande
importanza e ancora oggi nota come forza di Lorentz (575) con simbolismo moderno si scrive:
dove F rappresenta la forza che si esercita su una carica q in moto con velocità v all'interno di un campo
elettromagnetico E e B con una direzione formante un angolo α con quella del campo magnetico B [nel caso in cui α
risulti uguale a 90°, cioè la direzione del moto di q risulti perpendicolare a quella del campo B allora la formula
diventa F = q(E + vB)]. Ed in pratica ciò vuol dire che le cariche q in moto sono sorgenti di forze dipendenti dalla
velocità.
L'applicazione di queste cinque equazioni alle particelle cariche in moto permise a Lorentz di conseguire
risultati di notevole importanza tra i quali emerge in modo particolare la deduzione teorica del coefficiente di
trascinamento di Fresnel proprio come conseguenza delle equazioni del campo elettromagnetico. Cerchiamo di capire
la strada seguita da Lorentz per arrivare a questo risultato.
Innanzitutto consideriamo un mezzo trasparente investito da una radiazione luminosa. Queste mezzo sarà
costituito da tante particelle cariche di segno opposto in modo che una data molecola sarà formata, nell'ipotesi più
semplice, da una carica positiva ed una negativa (un dipolo) legate insieme da una forza elastica. Con un meccanismo
già descritto qualche riga più su, quando un'onda luminosa interagisce con la nostra molecola-dipolo la mette in
FISICA/MENTE
vibrazione: le due cariche si allontaneranno e riavvicineranno alternativamente. Conseguenza di ciò è che la forza
elettrica cambierà alternativamente di direziono. Il nostro dipolo emetterà allora onde elettromagnetiche elementari
che andranno ad interferire e con le altre onde elettromagnetiche elementari generate dalle altre molecole-dipolo e con
l'onda primaria incidente. Questa interferenza che si produce all'interno del mezzo trasparente provoca un
rallentamento nella velocità dell'onda incidente (in accordo con quanto sappiamo sulla rifrazione nel passaggio da un
mezzo meno ad uno più denso). Bisogna ora osservare che il grado di vibrazione del dipolo dipenderà dal valore della
forza elastica di richiamo, dipenderà cioè dall'intensità del legame tra cariche positive e negative nella molecola. Ora,
la forza di legame tra le molecole è strettamente connessa al grado di polarizzazione che, a sua volta, è relazionato
all'indice di rifrazione del mezzo trasparente in considerazione.
In definitiva la velocità dell'onda risultante w sarà minore di quella dell'onda incidente c di una quantità
dipendente dall'indice di rifrazione del nostro mezzo trasparente: w = c/n. E tutto ciò nell'ipotesi che il nostro mezzo
trasparente dielettrico sia immobile rispetto all'etere.
Supponiamo ora di mettere in moto il nostro mezzo con una velocità v (è quello che accade per ogni oggetto che,
trovandosi sulla Terra, è in moto rispetto all'etere considerato immobile). Le onde luminose che lo attraversano
mettono in vibrazione i dipoli ivi presenti. Mentre questi dipoli vibrano, emettendo onde elettromagnetiche, sono
soggetti ad un moto d'insieme rispetto all'etere con la velocità v, la stessa, del mezzo trasparente che li contiene.
Poiché i dipoli sono delle cariche elettriche e poiché si muovono ciascuno rispetto all'etere con velocità v debbono
originare un campo magnetico, un qualcosa di più rispetto alle onde elettromagnetiche che, nel frattempo, vanno
emettendo. Questo campo magnetico così originato va ad interagire con i dipoli che stanno vibrando (si tratta di un
campo magnetico che agisce su delle cariche elettriche) alterando la loro vibrazione e, conseguentemente, le onde
elementari da essi emesse. In questo modo l'onda risultante, dovuta all'interferenza delle onde elementari tra loro e
con l'onda primaria, ne risulterà modificata di una quantità che dipende, come Lorentz dimostrò, dalla velocità v di
traslazione dei dipoli stessi e ancora dall'indice di rifrazione del mezzo trasparente. E così se indichiamo con c/n la
velocità dell'onda luminosa primaria nel mezzo trasparente, con w la velocità dell'onda risultante, con v la velocità di
traslazione dei dipoli rispetto all'etere e con n l'indice di rifrazione del mezzo trasparente, si ha che la velocità w di
propagazione della nostra onda risultante rispetto alla materia ponderabile è data da:
w = c/n - v/n2
In questa relazione v/n2 rappresenta il rallentamento dell'onda risultante a causa dei meccanismi d'interazione tra la
vibrazione dei dipoli, il campo magnetico generato dalla loro traslazione e l'interferenza tra onde elementari ed onda
primaria (si tenga conto che la relazione in oggetto era stata ricavata da Lorentz trascurando termini del secondo
FISICA/MENTE
ordine in v/c).
Se la velocità w, anziché riferirla alla materia ponderabile (che è in moto con velocità v), la riferiamo all'etere
immobile, alla relazione precedentemente vista dobbiamo aggiungere la velocità v di traslazione della materia
ponderabile rispetto all'etere (composizione galileiana delle velocità), cioè:
w = c/n - v/n2
=> w = c/n + v (1 - 1/n2 )
che è la ben nota relazione ricavata per altra via da Fresnel e dimostrata sperimentalmente da Fizeau.
Era questo un grande successo della teoria di Lorentz che, per via elettromagnetica, dimostrava che tutto andava
come se vi fosse un trascinamento parziale, ma che in realtà si trattava di una interazione tra campo nell'etere
immobile e cariche in moto.
Siamo nell'anno 1892. Lorentz aveva elaborato una brillante teoria che si accordava e spiegava numerosi fatti
sperimentali. L'unico neo era la non spiegazione dell'esperienza di Michelson-Morley del 1887 che, ormai, non poteva
più essere messa in dubbio. D'altra parte tutto funzionava poiché l'intera teoria era stata ricavata al primo ordine di v/c
fatto, a questo punto, non più sostenibile.
Lorentz era ben cosciente di tutto ciò, anzi ne sembrava angosciato.
Il 18 agosto del 1892 scrisse a Rayleigh per chiedergli chiarimenti sull'esperienza di Michelson-Morley. Dopo
aver ricordato che il coefficiente di trascinamento di Fresnel rendeva conto di tutti i fatti sperimentali ad eccezione
dell'esperimento di Miohelson-Morley, Lorentz scriveva: (576)
"Sono talmente incapace di rimuovere questa contraddizione e malgrado ciò ritengo che se dovessimo abbandonare
la teoria di Fresnel, non avremmo nessuna teoria adeguata, poiché le condizioni imposte dal Sig. Stokes sul moto
dell'etere sono inconciliabili tra loro.
Potrebbe esserci qualche aspetto nella teoria dell'esperimento del Sig. Michelson che sia stato fino ad ora
trascurato ?"
Nel frattempo, il 16 giugno del 1892, veniva pubblicato su Nature un articolo del fisico britannico O.J. Lodge
(1851-1940). (577) Lodge, dopo un'am pia rassegna dello stato delle problematiche dei rapporti tra etere e materia,
FISICA/MENTE
sosteneva che l'esperimento di Michelson non riusciva ad essere spiegato in alcun modo a meno di ammettere un
trascinamento totale dell'etere; inoltre egli faceva riferimento ad una sua recente esperienza dalla quale sembrava
risultare "che l'etere non risente del moto della materia contigua almeno per una quantità pari ad 1/200 della velocità
della materia"; ebbene, qualora si fosse accettata la spiegazione del trascinamento totale per rendere conto
dell'esperienza di Michelson, quest'ultimo fatto sarebbe restato del tutto inspiegato.
L'esperienza a cui Lodge faceva riferimento consisteva nel far passare un raggio di luce nello spazio interposto
tra due dischi d'acciaio affacciati e ruotanti ad alta velocità. Nel caso in cui la materia in moto avesse trascinato con sé
l'etere, la velocità della luce misurata sarebbe dovuta risultare modificata. Lodge non osservò nessun effetto.
Insomma, le due esperienze, quella di Lodge e quella di Michelson, erano, allo stato delle conoscenze, in
conflitto.
Subito dopo questo resoconto Lodge portava una testimonianza molto importante: egli affermava che per rendere
conto dei fenomeni in oggetto " il prof. Fitzgerald ha suggerito un modo per uscire dalla difficoltà supponendo che le
dimensioni dei corpi siano una funzione della loro velocità attraverso l'etere." (578)
E' la famosa ipotesi della contrazione; un oggetto si contrae nella direzione del moto di una quantità tanto
maggiore quanto maggiore è la sua velocità.
Non è ben certo se Lorentz conoscesse o meno l'ipotesi di Fitzgerald (579) e questo è comunque poco
importante (non sarebbe la prima volta che in fisica si realizzano scoperte simultanee in connessione con la
maturazione di un determinato problema); resta il fatto che Lorentz elaborò quantitativamente questa ipotesi in un
lavoro che fu comunicato all'Accademia di Amsterdam il 26 novembre del 1892 (580) ed, in modo più accurato, in
una successiva, grande memoria del 1895 (581) (quando dovremo riferirci a quest'ultima memoria lo faremo
indicandola con la prima parola del suo titolo Versuch).
A cosa serviva questa ipotesi ?
Se ricordiamo l'esperienza di Michelson, la luce, per percorrere tragitti uguali nei due bracci dell'interferometro,
nell'ipotesi di esistenza di un vento d'etere, dovrebbe impiegare tempi diversi: il tempo impiegato per il tragitto andata
e ritorno nel braccio perpendicolare alla direziono del moto dovrebbe essere diverso dal tempo impiegato per il
tragitto andata e ritorno nel braccio parallelo alla direziono del moto. Questa differenza di tempi dovrebbe originare
interferenza in un dato oculare. L'esperimento, fatto con somma cura, non dava indicazione alcuna di tempi diversi
FISICA/MENTE
necessari alla luce per percorrere i due bracci dell'interferometro.
Nella memoria del 1892 Lorentz scriveva: (582)
"Questo esperimento è stato per me un rompicapo per molto tempo ed alla fine sono riuscito a trovare un metodo per
riconciliare il suo risultato con la teoria di Fresnel. Esso consiste nel supporre che la linea che unisce due punti di un
corpo solido secondo la direziono del moto della Terra, non conserva la medesima lunghezza quando il corpo ruota
di 90°."
E ciò vuol dire che un corpo rigido di una data lunghezza, quando è situato in direzione perpendicolare alla direzione
del moto della Terra, assume una lunghezza diversa (minore) di quella che assume quando esso è situato in direzione
parallela al moto della Terra. In definitiva un oggetto si contrae se si muove in direzione parallela al moto della Terra
o, che è lo stesso, in direzione parallela al vento d'etere.
Così proseguiva Lorentz: (583)
" Così come io vedo le cose, non è inconcepibile che la lunghezza dei bracci dell'esperimento di Michelson subisca
delle variazioni. Che cos'è che determina la forma e le dimensioni di un corpo solido ? Evidentemente l'intensità delle
forze molecolari: qualunque causa che la modificasse influirebbe anche sulla forma e le dimensioni. A tutt'oggi si
può supporre, senza timore di sbagliare, che le forze elettriche e magnetiche agiscono attraverso l'etere. E non
sembra gratuito supporre che la stessa cosa avviene per le forze molecolari. In questo caso però sarebbe molto
diverso che la linea di unione tra le due particene, che si spostano insieme nell'etere, si trovi parallela
o perpendicolare alla direzione dello spostamento.
Non è impossibile contraddire questa ipotesi poiché non conosciamo bene la natura delle forze molecolari.
Possiamo solo calcolare - e solo con l'aiuto di alcune ipotesi più o meno plausibili - l'influenza del moto della
materia ponderabile sulla forza elettrica e magnetica. Forse vale la pena di dire che il risultato ottenuto nel caso di
forze elettriche, fornisce, nel caso di forze molecolari, il valore esatto ... della quantità di contrazione di uno dei
bracci che è necessaria per spiegare l'esperimento di Michelson."
Ecco allora come è spiegato il risultato negativo dell'esperienza di Michelson: il braccio dell'interferometro che
si muove parallelamente alla direzione del moto della Terra si è contratto di una quantità tale da rendere nulla la
differenza dei tempi necessari alla luce per percorrere i due bracci.
FISICA/MENTE
La teoria comporta che se la Terra viaggiasse più velocemente, maggiore sarebbe la contrazione del braccio che si
trova parallelo al suo moto e sempre tale da uguagliare perfettamente i tempi necessari alla luce per percorrere i due
tragitti. Ciò vuol dire che l'esperienza di Michelson non può che dare risultati nulli e che, in ogni caso, nessuna altra
esperienza sarebbe in grado di evidenziare un moto assoluto della Terra rispetto all'etere immobile.
Scriveva Lorentz nella Versuch: (584)
"Al fine di semplificare il problema supporremo di lavorare con il dispositivo impiegato nel primo esperimento e che
in una delle posizioni principali il braccio P [ dell'interferometro] giaccia esattamente nella direzione del moto della
Terra. Sia v la velocità di questo moto, L la lunghezza di entrambi i bracci e , quindi, 2L il cammino percorso dai
raggi di luce. Secondo la teoria, la rotazione dell'apparato per un angolo di 90° fa si che il tempo durante il quale un
raggio viaggia in andata e ritorno lungo P sia maggiore del tempo impiegato dall'altro raggio per completare il
proprio cammino; la differenza è pari a:
Lv2/c2
La stessa differenza si avrebbe se la traslazione non esercitasse alcuna influenza ed il braccio P fosse più lungo del
braccio Q per una quantità pari a:
2
Lv2 /2c
Lo stesso vale per la seconda posizione principale. Vediamo quindi che le differenze di fase previste dalla teoria
potrebbero anche sorgere qualora, durante la rotazione dell'apparato, prima un braccio e poi l'altro fossero
rispettivamente il braccio più lungo. Me segue che le differenze di fase possono essere compensate da variazioni
contrarie delle dimensioni. Se ipotizziamo che il braccio giacente nella direzione del moto della Terra è più corto
dell'altro per una quantità
Lv2/2c2
e che, nello stesso tempo, la traslazione abbia l'effetto previsto dalla teoria di Fresnel, allora il risultato
dell'esperimento di Michelson è completamente spiegato. Pertanto si dovrebbe immaginare che il moto di un corpo
solido ... attraverso l'etere in quiete eserciti un'influenza che varia in funzione dell'orientamento del corpo stesso
rispetto alla direzione del moto. Per sorprendente che possa apparire tale ipotesi a prima vista, pure dobbiamo
FISICA/MENTE
ammettere che essa non è affatto artificiosa qualora si assuma che anche le forze molecolari vengono trasmesse
attraverso l'etere, analogamente per quanto accade per le forze elettriche e magnetiche a proposito delle quali siamo
attualmente in grado di accettare definitivamente tale assunzione. Se esse sono trasmesse in questo modo, la
traslazione sarà molto probabilmente capace di influenzare l'azione tra due molecole o atomi in modo analogo a ciò
che si ha nell'attrazione o nella repulsione tra particelle cariche. Ora, poiché la forma e le dimensioni di un corpo
solido sono in ultima istanza condizionate dall'intensità delle azioni molecolari, non può mancare il prodursi di una
variazione di dimensioni."
Lorentz, già nel 1892, aveva ricavato che il campo di forze creato da una carica in movimento era uguale al
campo generato da una carica ferma, ma contratto della quantità
nella direzione del moto della carica. (585) E questa contrazione è proprio quella che deve aversi per rendere conto
dell'esperienza di Michelson, ora, nella Versuch del 1895, questo risultato veniva riaffermato. (586)
Consideriamo infatti la relazione (3) che avevamo ricavato nel paragrafo precedente e relativa alla differenza
complessiva ∆t dei tempi necessari alla luce per percorrere i due bracci (supposti uguali e lunghi d)
dell'interferometro di Michelson:
Ora, nelle ipotesi di Lorentz, il tempo t1, necessario alla luce per percorrere andata e ritorno il braccio parallelo al
moto della Terra, sarà dato da:
FISICA/MENTE
a seguito del fatto che la lunghezza di questo braccio si è ora contratta ed è diventata d.(1 - v2/c2)1/2; il tempo t2 è
invece rimasto invariato. Di conseguenza la (3) diventa:
Ecco allora che, in mancanza di tempi di percorrenza, l'esperimento di Michelson non può che dare risultato nullo.
Ma possiamo estendere questo risultato anche al caso in cui i due bracci dell'interferometro non abbiano la stessa
lunghezza d, ma siano lunghi rispettivamente d1 e d2. In questo caso più generale, la relazione che ci forniva la
differenza dei tempi era la (3 bis) del paragrafo precedente:
dove ∆t' era la differenza dei tempi che si aveva quando il braccio PM1 = d1 si trovavaparallelo alla direzione del
moto della Terra ed il braccio PM2 = d2 si trovava perpendicolare a questa direzione, mentre ∆t" era la differenza dei
tempi che si aveva quando i bracci erano ruotati di 90°, invertendo le loro posizioni.
FISICA/MENTE
Introducendo la contrazione, durante la misura relativa a ∆t', sarà d1 che si contrarrà, diventando d1(1 - v2/c2)1/2.
Quando l'interferometro è ruotato di 90° sarà d2 che subirà la contrazione diventando d2 (1 - v2/c2)1/2. La (3 bis)
diventa allora:
Ed anche qui, come si vede, la differenza dei tempi risulta nulla, con l'ovvia conseguenza del risultato nullo
dell'esperienza di Michelson.
Come si può notare, l'ipotesi della contrazione è in qualche modo conseguenza della teoria che già in precedenza
aveva elaborato Lorentz e non propriamente un' ipotesi ad hoc. (587)
In ogni caso l'elaborazione di Lorentz rappresenta la prima vera estensione dei fenomeni elettromagnetici ai
fenomeni meccanici; un grande passo avanti sulla strada che tendeva, in quegli anni, all'unificazione di tutti i
fenomeni fisici attraverso l'elettromagnetismo. Ma su quest'ultimo aspetto torneremo tra poco mentre è ora
interessante fare una considerazione ed andare a cogliere gli altri importanti contributi di Lorentz nella Versuch del
1895.
L'ipotesi della 'contrazione' non è propriamente, almeno nella prima formulazione, quella di una contrazione.
Spiego subito questo bisticcio riferendomi ad un brano dei paragrafi 90 e 91 della Versuch (588) che precedono
quello, il 92, (589) in cui viene formulata la teoria delle forze che dovrebbero esercitarsi tra molecola e molecola nel
caso di un corpo in movimento. Lorentz affermava che ambedue i bracci dell'interferometro di Michelson potrebbero
subire una variazione di lunghezza tale da fornire risultato nullo all'esperimento. In realtà non si sa bene che cosa
accade; potrebbe contrarsi il braccio che si muove parallelamente alla direzione del moto della Terra, mentre l'altro
mantiene invariata la sua lunghezza; al contrario, potrebbe dilatarsi questo secondo braccio, mentre il primo mantiene
invariata la sua lunghezza; potrebbe contrarsi un poco il primo e dilatarsi di un poco il secondo. E' soltanto nel
paragrafo 92 che il dubbio viene sciolto in favore della contrazione, ma non con un procedimento arbitrario, bensì
FISICA/MENTE
facendo ricorso proprio alla teoria delle forze molecolari. (590)
Ma qual è il valore di questa contrazione ? Di quanto si contrae, ad esempio,una sbarra posta parallelamente alla
direzione del moto della Terra ?
Lo stesso Lorentz ne fornisce una valutazione nel paragrafo 91 della Versuch: (591)
"Le contrazioni in questione sono straordinariamente piccole ... La contrazione del diametro della Terra dovrebbe
ammontare a circa 6,5 cm. La lunghezza di una sbarra di un metro [posta parallelamente alla direzione del moto
della Terra dovrebbe diminuire] di circa 1/200 micron."
Come evidenziare queste variazioni di dimensione ?
Solo con metodi interferometrici, affermava Lorentz,e noi siamo in grado di rendercene conto grazie proprio al
risultato nullo dell'esperienza di Michelson. D'altra parte, osserviamo noi, è puramente illusorio pensare di riuscire a
dare una valutazione di queste variazioni di lunghezza, ad esempio, con un regolo graduato. Se, infatti, pensiamo di
eseguire questa misura, ad esempio di una sbarra, ci troviamo nella grave difficoltà che anche il nostro regolo subisce
le variazioni di lunghezza che subisce la sbarra. Rispetto alla direzione del moto della Terra, in qualunque posizione
sistemiamo la sbarra da misurare, nella stessa posizione dovremo sistemare il regolo per la misura; il risultato è che in
alcun modo possiamo renderci conto di una qualche variazione di lunghezza poiché esse risultano simultanee. (592)
Quanto detto è ciò che per ora c'è da dire su questa ipotesi della contrazione che da ora chiameremo di LorentzFitzgerald.
Ma vediamo in breve quali sono gli altri argomenti trattati nella Versuch. (593)
In questo lavoro si segue un procedimento analogo a quello seguito da Hertz nella sua memoria del 1890, Sulle
equazioni fondamentali dell'Elettrodinamica per i corpi in riposo; (594) ora le equazioni di Maxwell non vengono più
ricavate, ma vengono postulate prescindendo da ogni proprietà meccanica del supposto etere (quest'ultima essendo
una caratteristica sempre presente nell'opera di Lorentz). Queste equazioni vengono per la prima volta date
microscopicamente e quindi, con un processo di media tra i campi, (595) estese ai fenomeni macroscopici. Ora
Lorentz aveva in mano uno strumento di calcolo più potente con il quale affrontò, un problema ormai ineludibile.
Infatti tutti i corpi che si trovano sulla Terra sono trasportati da essa nel suo moto attraverso l'etere immobile; è chiaro
allora che tutti i fenomeni ottici ed elettromagnetici, che avevano trovato una loro spiegazione nell'ipotesi che essi si
FISICA/MENTE
verificassero in un sistema di riferimento immobile (la Terra) rispetto ad un etere in moto, dovevano ora trovarla
nell'ipotesi che quel riferimento (la Terra) fosse in moto rispetto ad un etere immobile (il primato dell'ipotesi di etere
immobile era già stato dimostrato da Lorentz quando, proprio con questa ipotesi, aveva ricavato, nella precedente
memoria, il coefficiente di trascinamento di Fresnel da ipotesi puramente elettromagnetiche). Si trattava, in definitiva,
di dimostrare che in un sistema in moto i fenomeni ottici ed elettromagnetici vanno come in un sistema in riposo.
Noi conosciamo, ad esempio, la legge dell'induzione elettromagnetica che si esercita tra due correnti rettilinee.
Ebbene, questa legge è stata ricavata nell'ipotesi che le due correnti fossero immobili rispetto all'etere. E se le due
correnti, invece, sono considerate in moto rispetto al riferimento etere ? Analogamente per la forza elettrostatica che
si esercita tra due cariche, per l'effetto Faraday, per la riflessione, per la rifrazione, ...
Per risolvere questa questione, che avrebbe generalizzato la sua teoria, Lorentz formulò un teorema detto degli
stati corrispondenti: (596)
"Se per un sistema di corpi in riposo si conosce uno stato nel quale:
Dx, Dy, Dz, Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz
sono delle date funzioni di x, y, z e t, allora, se lo stesso sistema si muove con velocità v, può esistere uno stato in cui
D'x, D'y, D'z, E'x, E'y, E'z, H'x, H'y, H'
z
sono le stesse funzioni di x', y', z' e t' ",
dove D è lo spostamento elettrico, E è la forza elettrica ed H la forza magnetica.
Rimane solo da dire che, nel passaggio da uno stato all'altro, alle variabili x, y, z si applicano le ordinarie
trasformazioni di Galileo, alle quali Lorentz aggiunge anche l'equazione di trasformazione per il tempo. (597) Infatti,
come si ricorderà, le trasformazioni di Galileo prevedevano che nel passaggio da un sistema ad un altro in moto
rettilineo uniforme rispetto al primo, il tempo non subisse modificazioni e pertanto si aveva t = t'. Ora Lorentz
fornisce per il tempo l'equazione di trasformazione che egli ricava da un cambiamento di coordinate che effettua nel
corso del suo lavoro:
FISICA/MENTE
t' = t - (1/c2) (vx.x + vy .y + vz .z)
che, nell'ipotesi di uno spostamento con velocità v lungo l'asse x, diventa:
(1)
t' = t - (v/c2).x
(in questo case infatti sono nulle le componenti della velocità lungo gli assi y e z, cioè vy = vz = 0). A questo tempo t'
Lorentz dà il nome di tempo locale. Supponendo di avere una particella che si muove con velocità v rispetto all'etere
immobile, egli scriveva: (598)
"La variabile t' può essere considerata come un tempo misurato ad un dato istante che dipende dalla posizione della
particella in questione. Questa variabile può quindi essere chiamata il tempo locale di questa particella in contrasto
con il tempo generale t."
Soffermiamoci un poco a capire il senso che Lorentz assegnava a questa trasformazione, che ci fa passare dal
tempo generale ad un tempo locale per un sistema in moto rettilineo uniforme con velocità v rispetto ad un sistema di
riferimento in riposo.
Lorentz supponeva di disporre di un sistema di riferimento S solidale con l'etere immobile a cui associava le
coordinate spaziali x, y, z e la coordinata temporale t (tempo generale, che non si discosta dal tempo assoluto di
Newton). Ora, nell'ipotesi di avere una particella carica che si muove lungo l'asse X con velocità v rispetto all'etere
immobile, egli associava a questa particella un altro sistema S', con coordinate spaziali x', y', z', e coordinata
temporale t' (tempo locale). Nella nostra ipotesi di particella che si muove lungo l'asse X, possiamo fare a meno di
prendere in considerazione gli assi Y e Z.
Supponiamo ora che ad un dato istante (t = 0), quando la nostra particella si trova ad una distanza h (ascissa x)
dall'origine O del sistema di riferimento S (oppure OX) in riposo rispetto all'etere, essa cominci ad emettere onde
elettromagnetiche (che, come sappiamo, si muovono con velocità c rispetto all'etere). La figura 35 serve a
visualizzare la situazione.
FISICA/MENTE
Le onde emesse a t = 0 raggiungeranno l'origine O del sistema S in un tempo t = h/c. Prendiamo ora in
considerazione un sistema di riferimento S' (oppure O'X') che si muova rispetto al sistema S con una velocità v, in
direzione parallela ad OX. Questo sistema S' è solidale con la particella in moto e di conseguenza questa particella è
in riposo rispetto ad S'. I due sistemi S ed S' siano situati in modo che, al tempo t = 0, le loro origini O ed O'
coincidano, allo stesso modo che le loro ascisse x ed x' (figura 36).
Riprendendo in considerazione quanto detto prima (e relativo alla figura 35) le onde elettromagnetiche, emesse a t = 0
dalla particella che si trova in X≡X', raggiungeranno l'origine O del sistema di riferimento immobile rispetto all'etere
nello stesso tempo t = h/c visto prima, mentre impiegheranno un tempo minore t' = h/(c + v) per raggiungere
l'origine O' del sistema di riferimento in moto con velocità v rispetto all'etere immobile (e ciò perché mentre le onde
elettromagnetiche si propagano dalla particella con velocità c, O' si avvicina ad esse con velocità v: vale quindi la
composizione galileiana delle velocità). Va sottolineato che quanto detto è conseguenza del fatto che la velocità delle
onde elettromagnetiche è c rispetto all'etere immobile.
Questa differenza di tempi, per i due sistemi in moto con velocità v l'uno rispetto all'altro, può essere interpretata
come se i fatti che si svolgono in x' nel sistema in moto avessero luogo in un tempo precedente nel sistema in riposo.
E da qui nasce il concetto di tempo locale: ogni posizione occupata dal sistema mobile ha un tempo proprio; esso non
coincide con quello misurato da un osservatore immobile e non coincide neppure con nessun altro dei tempi relativi
agli altri punti del sistema in moto; in definitiva esso varia al variare della posizione del sistema in moto [infatti in un
FISICA/MENTE
tempo t = t ≠ 0, la particella si troverà non più ad una distanza h, ma ad una distanza d > h dall'origine e, a parità di
1
velocità v, si avrà t' = d/(c + v)]. (599) In definitiva un osservatore che si trovi in O' vedrà fenomeni che si svolgono
in x' tanto prima rispetto ad O quanto più grande è h.
Vediamo di ritrovare la formula che Lorentz fornisce per il tempo locale (1) a partire dalle considerazioni ora
svolte.
Ponendo h = x, abbiamo trovato che:
(2)
t = x/c
e
(3)
t' = x/(c + v)
dove t è il tempo generale (o assoluto) misurato da un osservatore immobile rispetto all'etere, e t' è il tempo locale
misurato da un osservatore solidale con il sistema di riferimento in moto con velocità c,
Trasformiamoci opportunamente la (3):
t' = x/(c + v) = (x/c).[1 + v/c]-1
ed applichiamo la ormai nota formala che permette lo sviluppo del binomio di Newton; si ha:
t' = (x/c).[1 + v/c]-1 = (x/c).[1 + (-1)(v/c) + (-1)(-2)/2.(v/c)2 + ... ]
Trascurando termini in v/c, dal secondo ordine in poi, si trova:
t' = (x/c).[1 - v/c] = x/c - (v/c2).x
e, ricordando la (2), si ha:
t' = t - (v/c2).x
che è proprio la relazione che Lorentz presenta per il tempo locale. Occorre sottolineare che, come qui fatto, anche
Lorentz trovò questa equazione di trasformazione trascurando termini del secondo ordine in v/c.
FISICA/MENTE
Questa trasformazione permetteva a Lorentz di dare la stessa forma alle equazioni del campo elettromagnetico
sia in un sistema solidale con l'etere, sia in un sistema in moto con velocità v rispetto ad esso.
Con queste procedimento Lorentz poté enunciare il teorema secondo il quale, se si trascurano termini del
secondo ordine in v/c, allora le equazioni del campo elettromagnetico hanno la stessa forma in due sistemi di
riferimento che si muovono con velocità relativa e costante v rispetto all'etere immobile. (600)
E' utile far presente che nelle intenzioni di Lorentz non c'era alcuna volontà di porre in discussione il tempo
assoluto; il tempo locale era una utile variabile ausiliaria che gli permetteva di scrivere nella stessa forma le equazioni
del campo elettromagnetico per due sistemi in moto relativo. (601)
In questo modo, al 1° ordine di v/c, le equazioni di trasformazione di Lorentz (nel caso in cui si abbia a che fare
con due sistemi di riferimento unidimensionali che si muovono l'uno rispetto all'altro facendo scorrere parallelamente
i loro assi x, come nell'esempio della particella che emetteva onde elettromagnetiche, discusso precedentemente)
possono essere scritte:
dove le grandezze con apice sono relative al sistema in moto e dove per le coordinate spaziali valgono le
trasformazioni di Galileo.
Passando ora ad un'altra questione trattata nella Versuch, oome conseguenza della teoria che prevede che la luce
sia emessa dalla vibrazione delle particene cariche all'interno della materia, dovrebbe accadere che, se si dispone una
sorgente luminosa all'interno di un intenso campo magnetico, la vibrazione degli elettroni risulterà modificata di
modo che lo spettro emesso da questa sorgente dovrebbe essere diverso da quello che si ha in assenza di campo. In
particolare, osservando con uno spettroscopio la luce emessa dalla sorgente in oggetto, si dovrà» osservare: uno
sdoppiamento di ogni riga spettrale, nel caso si osservi nella direzione delle linee di forza del campo; la formazione di
tre righe (tripletto) per ogni riga spettrale ordinaria, nel caso si osservi in direzione perpendicolare alle linee dì forza
del campo.
FISICA/MENTE
La previsione di questo effetto fu confermata sperimentalmente dal fisico olandese P. Zeeman (1865-1943),
allievo ed amico di Lorentz, appena un anno dopo (1896). Il fenomeno, noto come effetto Zeeman normale, (602)
diede la prima evidenza sperimentale della struttura elettromagnetica delle supposte particelle costituenti la materia e
la sua scoperta valse sia a Zeeman che a Lorentz il premio Nobel per la fisica dell'anno 1902.
La scoperta dell'effetto Zeeman risultò di gran sostegno alla teoria di Lorentz e, per altri versi, permise anche di
avanzare l'ipotesi che i raggi catodici, all'epoca molto studiati, potessero essere costituiti dalle stesse particelle
ipotizzate da Lorentz.
Ma, al di là dei successi, pur così rilevanti, la teoria di Lorentz presentava almeno un punto di grande debolezza:
risultava, almeno in questa formulazione, antinewtoniana. Il fatto era già stato segnalato da Helmholtz nel 1892, in
uno dei suoi ultimi articoli. Di fatto già abbiamo osservato che Lorentz respingeva 1'azione a distanza per aderire
all'azione a contatto; oltre a ciò, in un modo analogo alle teorie di Weber, le forze si trovano a dipendere dalla
velocità ed, in questo senso, proprio la forza di Lorentz è emblematica. Tutto questo non rientra in un quadro
esplicativo newtoniano anzi ne risulta fortemente in contrasto. Ma vi è di più. L'ammissione di un etere perfettamente
immobile, qualunque fosse il fenomeno fisico che si svolgesse in esso, risultava in ulteriore disaccordo non tanto con
il quadro esplicativo di Newton quanto, addirittura, con una delle sue leggi fondamentali: il principio di azione e
reazione. L'etere, infatti, sede del campo, agisce sulla materia ponderabile ma, al contrario, nessuna azione è
possibile da parte di quest'ultima sul supposto etere proprio perché, appunto, esso è comunque immobile: le tensioni
di Maxwell ora non possono più avere luogo.
Lorentz commentava questa situazione nelle prime pagine della Versuch, affermando: (603)
"... La cosa più semplice sarebbe il supporre che una forza non agisce mai sopra un elemento di volume dell'etere,
considerato come un tutto, o anche che mai deve impiegarsi il concetto di forza sopra tale elemento, che mai si sposta
dalla sua posizione. Una simile concezione nega di fatto l'uguaglianza dell'azione e della reazione, perché in realtà
dobbiamo affermare che, fondamentalmente, la forza dell'etere agisce sulla materia ponderabile; ma, fin dove io
riesco a vedere, non c'è niente che ci obblighi ad elevare questa proposizione al rango di legge fondamentale di
validità illimitata. Una volta decisi in favore della concezione che abbiamo appena illustrato, dobbiamo anche
abbandonare dal principio le azioni ponderomotrici attribuibili alle tensioni dell'etere....Questo equivarrebbe ad
accettare la forza tra distinte parti dell'etere, e come tali, se vogliamo essere conseguenti, non possiamo continuare ad
accettarle."
FISICA/MENTE
Lorentz decise quindi per una rottura clamorosa con la fisica di Newton. L'immobilità di un etere che serviva alla
propagazione del campo e che, nelle intenzioni, doveva essere riguardato come lo spazio assoluto di Newton (anche
se quest'ultimo non identificava le due cose), faceva respingere uno dei principi basilari della fisica
newtoniana. (604) Arrivati a questo punto probabilmente ci si sarebbe aspettati ben presto la messa in discussione
del principio d'inerzia e del secondo principio della dinamica, dopodiché nulla sarebbe rimasto della meccanica. Si
apriva la strada ad una interpretazione e costruzione elettromagnetica dell'intera meccanica sulla quale ci
soffermeremo nel prossimo paragrafo. E' ora interessante andare a cogliere gli aspetti salienti dell'inserimento nella
problematica dell'elettrodinamica dei corpi in movimento del grande matematico e fisico-matematico francese Henry
Poincaré (1853-1912).
5 bis - L'INTERVENTO DI POINCARÉ E ANCORA LORENTZ
Già abbiamo avuto modo di accennare (si veda la nota 572) che la lettura di alcuni brani della prima edizione
(1890) del libro di Poincaré, Electricité et optique, aveva aiutato Lorentz nella sua conversione all'azione a contatto.
In questo primo lavoro sulle problematiche dell'elettromagnetismo, Poincaré metteva a confronto le varie teorie fino
ad allora sviluppate. Sullo stesso argomento il nostro ritornò nel 1895 con la memoria A proposito della teoria del
Sig. Larmor. (605) La bontà di una qualunque teoria elettromagnetica, secondo Poincaré, era legata al soddisfare o
meno i seguenti tre requisiti:
1) essa deve riuscire a spiegare il trascinamento parziale di Fresnel evidenziato dall'esperimento di Fizeau;
2) essa deve essere compatibile con il principio di conservazione dell'elettricità e del magnetismo;
3) essa deve accordarsi con il principio di azione e reazione.
E tutte le teorie fino ad allora elaborate, quella di Helmholtz, quella di Hertz e quella di Lorentz non rispondevano
contemporaneamente ai requisiti richiesti. Mentre la teoria di Helmholtz rende conto dei requisiti 1 e 3, non è
compatibile con il 2. La teoria di Hertz è in accordo con i requisiti 2 e 3 ma non con l'1. Infine, la teoria di Lorentz
possiede i requisiti 1 e 2 ma è completamente carente per quel che riguarda il 3. Secondo Poincarè, però, le tre teorie
non potevano essere rigettate in blocco; occorreva mantenere quella che presentava meno difetti e spiegava più cose
FISICA/MENTE
e cioè la teoria di Lorentz ("ciò che abbiano di più soddisfacente ...; quella che rende meglio conto dei fatti
conosciuti, che mette in luce il più gran numero di rapporti veri..."). Si trattava però di lavorarvi sopra per migliorarla
e, possibilmente, eliminare da essa i riconosciuti difetti ("si dovrà probabilmente modificarla, ma non distruggerla").
Era questo, in definitiva, il programma di Poincaré: accettazione della teoria degli elettroni di Lorentz e necessità di
lavorarvi per portarla a compimento senza contraddizioni esterne ed interne, senza contraddizioni cioè con i fatti
sperimentali e con i principi accettati, da una parte, e con una coerenza logica interna, dall'altra.
E poincaré iniziò subito con il cercar di capire come sia possibile accordare la teoria di Lorentz con il principio
di azione e reazione. Prendendo in esame la teoria e confrontandola con i fatti sperimentali fino ad allora accumulati,
egli notava questa sequenza:
1°) I fatti sperimentali ci dicono che "è impossibile evidenziare il moto assoluto della materia ponderabile o,
meglio, il moto relativo della materia ponderabile rispetto all'etere. Tutto ciò che si può riuscire ad evidenziare è il
moto della materia ponderabile rispetto alla materia ponderabile". (606)
2°) L'esperienza di Michelson ha mostrato che quanto detto sopra sembra essere vero almeno al secondo ordine di
v/c.
3°) La teoria di Lorentz rende conto di quanto detto al punto 1° solo al primo ordine di v/c.
4°) II non accordo della teoria di Lorentz con il principio di azione e reazione ed il fatto che essa non rende conto
di termini in v/c superiori al primo ordine, sono "due buchi che debbono ... essere riempiti insieme". (607)
Ed, in definitiva, Poincaré pensava che il sanare una delle lacune della teoria di Lorentz avrebbe permesso di sanare
contemporaneamente anche l'altra.
Sul problema del principio di azione e reazione non in accordo con la teoria di Lorentz, Poincaré tornò in una
memoria del 1900, La teoria di Lorentz ed il principio di reazione. (608) In essa Poincaré osservava che la teoria di
Lorentz non solo violava il principio di azione e reazione ma anche la conservazione della quantità di moto. Infatti,
perché un elettrone emetta onde elettromagnetiche, è necessario che esso oscilli. La non esistenza di reazione da parte
dell'etere fa si che esso rallenta perdendo quantità di moto. E neanche a pensare che la reazione possa avvenire da
parte degli altri elettroni, almeno per due motivi: primo, perché essi sono distanti e, poiché l'onda arriva loro dopo un
certo tempo, la reazione avverrebbe in ritardo di modo che, nel frattempo, il primo elettrone avrebbe perso quantità di
FISICA/MENTE
moto; secondo, perché non tutta la radiazione emessa da un elettrone viene assorbita dagli altri elettroni. (609)
Per accordare queste contraddizioni con la teoria di Lorentz, Poincaré fece l'ipotesi che in un sistema isolato
l'energia elettromagnetica possa essere assimilata ad un fluido particolare dotato di una data velocità. E ciò che deve
essere costante è la somma delle quantità di moto degli elettroni e del fluido elettromagnetico. Da questa costanza,
anche nelle trasformazioni della energia del fluido in altre forme di energia di tipo non elettromagnetico, Poincaré
risale alla validità del principio di azione e reazione nella teoria di Lorentz.
Certamente l'ipotesi è artificiosa ma in ogni caso rispondente a quei criteri di comodità e di semplicità più volte
richiamati dallo stesso Poincaré. (610)
Si era quindi provvisoriamente riempito uno dei due buchi che il fisico-matematico francese aveva evidenziato
nella teoria di Lorentz. Si trattava ora di passare a ciò che sembrava ormai inevitabile: la teoria doveva rendere conto
della non osservazione di effetti del 2° ordine in un modo più generale di quanto fino allora fatto con l'ipotesi della
contrazione (il colpo di pollice di Poincaré).
Nel 1904 vide la luce una nuova importantissima memoria di Lorentz, Fenomeni elettromagnetici in un sistema
in moto con una velocità minore di quella della luce, (611) in cui, essenzialmente, la teoria veniva estesa a termini
d'ordine superiore in v/c (sulle linee già annunciate alla fine di una memoria del 1899 - si veda la nota 608) e
ampiamente migliorata in vari punti, soprattutto in seguito alla scoperta di nuovi fatti sperimentali ed alla critica di
Poincaré sull'artificiosità di certe ipotesi che sono di volta in volta introdotte per spiegare il presentarsi di fatti nuovi
(nota 608).
La prima esperienza che doveva trovare una spiegazione all'interno di un quadro di riferimento complessivo
era ancora quella di Michelson-Morley.
Altre esperienze, di diversa concezione ma sempre centrate a cercare di rilevare il moto della Terra rispetto
all'etere, erano state pensate ed eseguite in quegli anni. Abbiamo già accennato all'esperienza di Rayleigh (1902)
realizzata indipendentemente anche da D.B. Brace (1859-1905) nel 1904. L'idea guida di questa esperienza era che,
nell'ipotesi di un etere immobile e di una contrazione dei corpi materiali nella direzione del moto, i corpi trasparenti
nei quali si osserva normalmente una ordinaria rifrazione sarebbero dovuti diventare doppiamente rifrangenti.
Sia Rayleigh che Brace non osservarono alcun effetto. (612)
Vi fu poi l'esperienza di F.T. Trouton (1863-1922) e H.R. Noble eseguita nel 1903. (613) Anche qui,
FISICA/MENTE
partendo dall'ipotesi di etere immobile e di contrazione dei corpi materiali nella direzione del moto, si cercava di
evidenziare l'effetto delle ipotesi mediante il moto di un condensatore attraverso l'etere. Supponiamo vere le ipotesi e
disponiamo un condensatore piano, libero di muoversi, in modo che le sue armature formino un certo angolo con la
direzione del suo moto con la Terra attraverso l'etere. Secondo la teoria, (614) l'effetto della contrazione deve creare
delle asimmetrie nei campi elettrici e magnetici tali da far agire sul condensatore una coppia di forze: l'effetto di
questa coppia dovrebbe tendere ad allineare il condensatore con il vento d'etere. (615) Trouton e Noble non
osservarono alcun effetto.
In questo modo Lorentz commentava la situazione, (616) in riferimento anche alle critiche sulle 'ipotesi'
avanzate da Poincaré (che tra l'altro suggeriva anche di accordare la teoria con il principio di relatività - si veda la
nota 608):
"Gli esperimenti di cui ho parlato non costituiscono la sola ragione per cui è desiderabile un nuovo esame dei
problemi connessi con il moto della Terra. Poincarè ha mosso una obiezione contro le esistenti teorie dei fenomeni
elettrici ed ottici nei corpi in moto, sostenendo che, al fine di spiegare il risultato negativo di Michelson, è stata
necessaria l'introduzione di una nuova ipotesi e che la medesima necessità può aversi ogni volta che fatti nuovi sono
messi in luce. Indubbiamente questo ricorso all'invenzione di ipotesi speciali di fronte a ciascun nuovo risultato
sperimentale è, in certo modo, artificioso. Sarebbe ben più soddisfacente di poter mostrare, per mezzo di alcune
assunzioni fondamentali e senza trascurare termini di questo o quell'ordine di grandezze, che molte azioni
elettromagnetiche sono del tutto indipendenti dal moto del sistema. Alcuni anni or sono ho già tentato di elaborare
una teoria di questo genere. Credo sia ora possibile trattare l'argomento con risultati migliori. La sola restrizione
sulla velocità consiste nella richiesta che essa sia inferiore a quella della luce."
Quindi Lorentz aderisce al programma di Poincaré, ma non completamente. Quest'ultimo infatti richiedeva che
tutti i fenomeni elettromagnetici obbedissero al principio di relatività; il primo poteva solo garantirne molti.
Lorentz, nella sua memoria, dopo aver ancora una volta riscritto le equazioni di Maxwell più la sua (la forza che
agisce su un elettrone in moto in un campo elettromagnetico), cominciò subito con il considerare "un sistema che si
muove nella direziono dell'asse x con velocità costante v" rispetto all'etere immobile. Egli indicò poi con u "una
qualunque velocità di cui sia dotato un punto dell'elettrone in aggiunta alla precedente ", di modo che valgono le
trasformazioni di Galileo per le velocità:
vx = v + ux;
vy = uy;
vz = uz.
FISICA/MENTE
Lorentz passò allora a riscriversi le equazioni di Maxwell-Lorentz per un sistema di riferimento con gli assi solidali al
sistema in moto, trasformando (617) poi le equazioni ottenute mediante il seguente cambiamento di variabili:
dove le variabili così introdotte erano considerate variabili artificiali e non vere. In queste relazioni g rappresenta un
fattore numerico da determinarsi: "esso va considerato come una funzione di v il cui valore è 1 per v=0 e che, per
piccoli valori di v, differisce dall'unità per quantità del secondo ordine". ( 618)
Per quel che riguarda la variabile t', essa "può essere chiamata tempo locale; infatti, quando ... [v=0] e g = 1,
tale variabile diventa identica a quella che precedentemente già avevo indicato con questo nome" (619) (si veda la
relazione 1 del paragrafo 5).
Occorre osservare che le trasformazioni (5) non sono ancora quelle che conosciamo come 'trasformazioni di
Lorentz' (alle quali si arriverà dopo una correzione apportata da Poincaré nel 1905, come vedremo). (620) Con queste
trasformazioni, Lorentz cercava di esaudire la richiesta di Poincaré: trovare, appunto, delle trasformazioni che
lasciassero invariata la forma delle leggi dell'elettromagnetismo ed in definitiva le equazioni di Maxwell-Lorentz, per
qualsiasi traslazione a velocità costante del sistema di riferimento. Con questo insieme di sostituzioni, a cui Lorentz
ne aggiunse altre per lo spostamento elettrico D e per il campo magnetico H, egli era in grado di trattare i fenomeni
FISICA/MENTE
elettromagnetici che si svolgono in un sistema in moto, in modo formalmente equivalente alla loro trattazione in un
sistema in quiete. Risolto il problema, la soluzione reale di esso, per Lorentz, si otterrà risostituendo di nuovo le
variabili vere a quelle artificiali.
Lorentz era confortato sulla correttezza del suo procedimento dal fatto che, come egli diceva, "le formule per un
sistema che non si muova di moto traslatorio sono implicite in quanto precede. Infatti, per un tale sistema, le quantità
con apice diventano identiche alle corrispondenti senza apice"; basta solo porre zero in luogo di v nelle (5) per
rendersene conto. Tra l'altro questa sostituzione comincia a fornirci una condizione su g: quando v = 0 deve risultare g
= 1.
Si deve osservare che, data l'artificialità delle sostituzioni proposte, non esiste alcuna relazione fisica tra i due
sistemi, quello legato all'etere e quello che si muove rispetto a questo con velocità v. Di conseguenza, fino a questo
punto, Lorentz non aveva ancora risolto l'altro problema che si era proposto: trovare una spiegazione
dell'inosservabilità del moto della Terra rispetto all'etere, per ordini superiori al primo in v/c.
Per riuscire nel suo scopo, Lorentz introdusse a questo punto tutta una serie di ipotesi che condizionavano con
una grossa ipoteca l'intera sua teoria.
La prima ipotesi era così formulata: (621)
" Supponiamo ora che gli elettroni, che io considero come sfere di raggio R quando sono in quiete, cambino le loro
dimensioni per effetto di una traslazione, cosicché le dimensioni nella direzione del moto diventino g/(1- v2/c2)1/2
volte più piccole e quelle nella direzione perpendicolare g volte più piccole."
Nella trattazione lorentziana compare qui una novità rispetto ai lavori precedenti; ora l'ipotesi macroscopica della
contrazione è interpretata come effetto della contrazione microscopica di ciascun elettrone. E proseguiva Lorentz:
(622)
"La nostra ipotesi equivale ad affermare che in un sistema elettrostatico Σ, in moto con velocità v, tutti gli elettroni
sono degli ellissoidi schiacciati, con i loro assi più piccoli nella direzione del moto."
Introducendo la sostituzioni di variabili già data, per un sistema immaginario Σ ' immobile, l'elettrone diventa di
nuovo sferico.
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A questo punto si passava alla seconda ipotesi: (623)
"Supponiamo che le forze che si esercitano tra particelle prive di carica, così come quelle tra tali particelle e gli
elettroni, siano influenzate da una traslazione nello stesso identico modo delle forze elettriche in un sistema
elettrostatico."
E ciò vuol dire che se i centri di tutte le particelle costituenti il sistema Σ sono in una data configurazione di
equilibrio, la stessa configurazione di equilibrio (per i centri delle particelle) si avrà anche in Σ'. L'effetto del moto
sarà la deformazione degli elettroni, le coordinate dei cui centri saranno quelle date dalle variabili artificiali (5), senza
ulteriori modificazioni. In altre parole ancora, "se animiamo di velocità v il sistema Σ', esso diventerà da sé il sistema
Σ " (624) e quindi la traslazione produrrà una deformazione macroscopica.
L'introduzione di queste prime due ipotesi permetteva a Lorentz di concludere: (625)
"Si potrà facilmente vedere che l'ipotesi che avevo avanzato in passato in connessione con l'esperimento di
Michelson, è implicita in quella che è stata ora affermata. Comunque la presente ipotesi è più generale, perché la
sola limitazione imposta sul moto è che la sua velocità sia inferiore a quella della luce."
Con le posizioni fatte, il nostro andava a calcolarsi la quantità di moto elettromagnetica di un elettrone , trovando
per essa l'espressione:
e, poiché "ogni cambiamento nel moto del sistema comporterà un corrispondente cambiamento nella quantità di
moto elettromagnetica, sarà quindi necessaria una certa forza data in verso ed intensità da: (626)
Lorentz osservava però che l'espressione di questa forza, a seguito delle ipotesi sulle deformazioni elettroniche
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causate dal moto, diventava molto complicata se si consideravano moti variabili con rapidità. Era quindi necessario
supporre moti che variavano in modo sufficientemente lento per poter applicare agevolmente la (6). Diceva Lorentz:
(627)
"L'applicazione della (6) ad una tale traslazione quasi-stazionaria, come è stata chiamata da Abraham, (628) è un
problema molto semplice. Sia, ad un dato istante, a1 l'accelerazione nel verso della traiettoria, ed a2 l'accelerazione
perpendicolare ad essa. Allora la forza F sarà data da due componenti aventi i versi di queste accelerazioni e date
da:
Quindi, nei fenomeni in cui si ha a che fare con una accelerazione nella direzione del moto, l'elettrone si comporta
come se avesse una massa m1 ; in quelli in cui l'accelerazione è normale alla traiettoria, come se avesse una massa
m2 . Queste quantità m1 ed m2 possono quindi essere propriamente chiamate le masse elettromagnetiche
longitudinale e trasversale dell'elettrone. Suppongo che non vi sia alcuna altra massa, né vera né materiale."
Ecco quindi l'introduzione di una terza ipotesi: la massa è puramente elettromagnetica, almeno la massa degli
elettroni.
Come vedremo più in dettaglio nel prossimo paragrafo, il distacco dalla fisica newtoniana comincia a diventare
enorme; pur di rimanere in un quadro esplicativo, in ultima analisi, di carattere newtoniano, via via si demolivano le
FISICA/MENTE
premesse concettuali di questo programma. Ma c'è di più: venivano introdotti i concetti di masse diverse a seconda
della direzione del moto, con in più il fatto che la massa dipende dalla velocità di traslazione del sistema.
Lorentz così proseguiva: (629)
"Quando 1/(1 - v2/c2)1/2 e g differiscono dall'unità per quantità dell'ordine di v2/c2 per piccole velocità troviamo:
m1 = m2 = k
(con il solito valore di k)
Questa è la massa con cui abbiamo a che fare se ci sono piccoli moti vibratori degli elettroni in un sistema non
dotato di moto traslatorio."
Con l'introduzione di queste ipotesi, alle quali, come vedremo, se ne aggiungeranno delle altre, e con le
conseguenze analitiche che da esse derivavano, Lorentz fu in grado di mostrare che dalla teoria discende
l'inosservabilità del moto della Terra mediante fenomeni elettromagnetici.
Leggiamo ancora da Lorentz: (630)
"Passiamo ora ad esaminare l'influenza del moto della Terra sui fenomeni ottici in un sistema di corpi trasparenti ...
Per ragioni di semplicità supponiamo che, in ciascuna particella, la carica è concentrata in un certo numero di
elettroni separati, e che le forze elastiche che agiscono su uno di questi e che, in connessione con le forze elettriche,
determinano il suo moto, sono originate all'interno dei confini dello stesso atomo. Mostrerò che, se partiamo da un
dato stato di moto in un sistema non dotato di traslazione, da esso possiamo dedurre uno stato corrispondente che
può esistere nello stesso sistema quando esso è in moto di traslazione."
Dall'elaborazione di questa ulteriore ipotesi introdotta, Lorentz trovò un'altra espressione per la massa longitudinale
m1 (la massa trasversale m2 rimaneva invece invariata):
FISICA/MENTE
Questa eventualità fornisce finalmente l'opportunità di calcolare quanto vale il fattore g; infatti la massa longitudinale
m1 deve risultare la stessa indipendentemente dal modo con cui si è ricavata.
Confrontando la prima delle (7) con la (8), deve risultare:
FISICA/MENTE
Confrontando questo risultato con il secondo membro della (9), si vede subito che, perché essi siano uguali, deve
risultare dg/dv = 0, da cui si può facilmente stabilire che g deve essere una costante (g = cost).
FISICA/MENTE
Ricordando che altrove avevamo visto che, per v = 0, doveva risultare g = 1, il valore di g è determinato (g = 1).
Per proseguire però sulla strada della dimostrazione della non osservabilità degli effetti del moto della Terra sui
fenomeni elettromagnetici, Lorentz dovette i ntrodurre un'ulteriore ipotesi: (631)
" Dobbiamo ora supporre che l'influenza di una traslazione sulle dimensioni (dei singoli elettroni e di un intero
corpo ponderabile) è limitata a quelle che hanno la direzione del moto, diventando queste 1/(1 - v2/c2)1/2 volte più
piccole di quelle che sono allo stato di quiete. Se aggiungiamo quest'ipotesi a quelle fatte più su, possiamo essere
sicuri che due stati, l'uno nel sistema in moto e l'altro nello stesso sistema in quiete, ... possono esistere
contemporaneamente."
Se cioè alcune grandezze elettromagnetiche possono essere definite in un sistema in quiete come determinate funzioni
del tempo, nello stesso sistema posto in movimento (e quindi deformato) si possono definire le stesse grandezze come
funzioni del tempo locale. E ciò si può facilmente mostrare applicando tutte le ipotesi e le equazioni di trasformazione
che Lorentz aveva fin qui dedotte. In particolare, affermava Lorentz: (632)
"Se in due punti di un sistema si propagano nella stessa direzione raggi di luce aventi lo stesso stato di
polarizzazione, si può mostrare che il rapporto fra le ampiezze [di queste onde elettromagnetiche] in questi punti non
è alterato da una traslazione ... [e cioè] fornisce una spiegazione del risultato negativo di Michelson ... e mostra
anche perché Rayleigh e Brace non hanno trovato traccia di doppia rifrazione prodotta dal moto della Terra.
Allo stesso modo diventa chiaro il risultato negativo dell'esperimento di Trouton e Noble se ammettiamo l'ipotesi ...
[della contrazione degli elettroni, già affermata]. Si può dedurre da questa e dall'ultima ipotesi fatta ... che il solo
effetto della traslazione deve essere stata una contrazione dell'intero sistema di elettroni, delle altre particelle che
costituivano il condensatore carico ... [e di tutto il sistema di misura]. Una tale contrazione non doveva dare origine
ad un sensibile cambiamento di direzione [del condensatore] ."
E quanto fin qui affermato è ora vero per qualunque ordine del rapporto v/c. (633)
La memoria di Lorentz si concludeva con una discussione relativa ai moti molecolari. (634) Questa parte è
interessante perché dalla sua discussione emerge bene il senso assegnato da Lorentz al tempo locale. Abbiamo già
detto che ogni posizione occupata dal sistema in moto ha un suo tempo proprio (tempo locale) e che esso non
FISICA/MENTE
coincide con quello misurato da un osservatore immobile (rispetto all'etere) e non coincide neppure con nessun altro
dei tempi relativi agli altri punti del sistema in moto.
Ora, data una molecola che appartiene ad un sistema in moto, il suo equilibrio è assicurato dalle forze che ad un
dato istante t' (tempo locale) le altre molecole esercitano su di essa. Ebbene, i tempi reali, a cui corrispondono tempi
locali t' per molecole differenti, non sono simultanei per Lorentz. Questa simultaneità di tempi la si può ritrovare solo
nel sistema in quiete. Ed allora Lorentz si trovò costretto ad introdurre l'ulteriore ipotesi che
" queste forze [che agiscono tra molecole] abbiano effetto a così piccola distanza che, per particelle agenti l'una
sull'altra, la differenza dei tempi locali può essere trascurata." (635)
Con questa approssimazione la simultaneità era garantita anche nel sistema in moto, in quello delle variabili
artificiali. E così, in questo sistema, è possibile ancora lo stato di equilibrio di una molecola, data la simultaneità delle
azioni che le altre molecole esercitano su di essa. La non simultaneità dei tempi locali nel sistema in moto non deve
evidentemente introdurre il sorgere di forze risultanti che tirino la molecola in oggetto da una parte o dall'altra.
Conseguenza di ciò è che (636)
" ognuna, di queste particelle, insieme a quelle ad essa legate nella sfera di attrazione o repulsione, formerà un sistema
che subirà la deformazione spesso ricordata."
Ed in definitiva, (636)
"le tipiche relazioni tra forze ed accelerazioni esisteranno [sia nel sistema in quiete che in quello dotato di moto
traslatorio] se supponiamo che le masse di tutte le particelle sono influenzate da una traslazione allo stesso modo
delle masse elettromagnetiche degli elettroni."
E con questa ennesima ed ultima ipotesi (complessivamente Lorentz ne ha fatte 11), che va a generalizzare i
risaltati della teoria degli elettroni, Lorentz portò a compimento il suo programma che rappresenta la massima
espressione degli sviluppi della fisica classica agli inizi del XX secolo.
Alcune considerazioni possono essere fatte. (637)
Innanzitutto l'intera teoria di Lorentz è basata sull'esistenza di un etere immobile. Questo etere, assimilabile allo
spazio assoluto di Newton, gioca il ruolo di riferimento privilegiato. Moto e quiete non hanno un valore meramente
FISICA/MENTE
relativo, per Lorentz; la quiete è quella assoluta del riferimento dell'etere} rispetto a questo riferimento ha senso
considerare moti assoluti. Come si vede, non ostante le critiche di Poincaré, si rimane ancorati ad una concezione che
solo formalmente abbisogna di equazioni di trasformazione; in realtà le coordinate vere sono quelle del sistema in
quiete. Lorentz, insomma, non contempla nel suo programma l'estensione del principio classico di relatività ai
fenomeni elettromagnetici (tant'è vero che le sue trasformazioni non sono reciproche). (638)
In questo senso le equazioni di trasformazione sono artificiali e la contrazione assume significato fisico solo per
rendere conto dell'inosservabilità del moto della Terra attraverso l'etere. D'altra parte è proprio l'etere che origina le
deformazioni che impediscono l'osservazione del moto della Terra attraverso di esso: era davvero una grande impresa
quella che affrontò e per molti versi risolse Lorentz.
Ed il tutto nell'ambito di un tentativo di unificazione delle due principali scuole di fisica; quella corpuscolare e
quella di campo, quella dell'azione a distanza e quella dell'azione a contatto.
Come abbiamo già detto, per portare a compimento il suo programma, Lorentz fu costretto ad introdurre delle
ipotesi che andavano ad ipotecare pesantemente i risultati ottenuti e che per altri versi negavano le premesse
concettuali della fisica newtoniana.
Forze dipendenti dalla velocità, deformazione degli elettroni, contrazione delle lunghezze, dipendenza della
massa dalla velocità, masse differenti a seconda della direzione del moto, natura elettromagnetica dell'elettrone, ... :
l'insieme di tutte queste assunzioni e/o risultati doveva comportare una profonda revisione di tutti i fondamenti della
fisica. E tutto ciò sarà tentato e fatto proprio in quegli anni, ma di questo ci occuperemo nel prossimo paragrafo.
Andiamo ora a cogliere il senso dell'ulteriore intervento di Poincaré proprio su questa memoria di Lorentz.
Per quanto ci servirà, riscriviamoci le equazioni (5) di trasformazione, sostituendo alla g che vi compare il valore
1 determinato da Lorentz:
FISICA/MENTE
avendo semplificato l'espressione per il tempo locale con la riduzione del secondo membro allo stesso denominatore.
E' a questo punto opportuno fare alcune considerazioni.
Per Lorentz, indubbiamente, le equazioni di trasformazione di Galileo sono indiscutibilmente valide. Tra l'altro,
come abbiamo visto, egli le usa all'inizio del suo lavoro per la composizione delle velocità degli elettroni con quella
del sistema di riferimento. Scriviamoci quindi l'equazione galileiana di trasformazione della posizione di un elettrone
nel passaggio da un sistema di riferimento (quello dell'etere immobile) all'altro (quello in moto con velocità v rispetto
all'etere). (639)
Supponiamo che S sia il sistema in quiete (quello dell'etere) e che S' sia il sistema in moto con velocità v e
riferiamoci alle figure 37 e 38.
Al tempo t = 0 i due sistemi saranno situati come in figura 37 e cioè con le origini coincidenti. Dopo un tempo t ≠ 0
FISICA/MENTE
i due sistemi saranno situati, sempre l'uno rispetto all'altro, come in figura 38 e cioè con le origini O ed O' spostate
di un tratto d (e poiché i due sistemi sono animati, l'uno rispetto all'altro, di moto traslatorio uniforme, si avrà d = vt).
A questo punto supponiamo che P rappresenti un elettrone che a t = 0 (figura 37) inizi a muoversi in S, nel verso
positivo del riferimento, con velocità u. Dopo un tempo t ≠ 0 (lo stesso di figura 38) l'elettrone occuperà su S la
posizione x0; la posizione x che esso occuperà rispetto ad S' sarà data da (figura 39):
x0 = x + d
->
x = x0 - d
->
x = x0 - vt.
FISICA/MENTE
Quanto detto, esteso alla prima delle trasformazioni (10), ci fa ottenere:
e, più in generale, cambiando opportunamente i simboli adottati:
E' importante rendersi conto che questi passaggi non sono stati fatti esplicitamente da Lorentz; è solo una
ricostruzione a posteriori che permette di farli, tenendo conto, tra l'altro, di un lavoro di Lorentz del 1909, La teoria
degli elettroni, (640) nel quale è sostenuto un qualcosa del genere. Ora è di gran rilievo il fatto che le trasformazioni
(l0) che Lorentz ha introdotto possono essere scritte, al massimo, con l'introduzione di quanto appena ricavato nella
sola prima equazione, in modo da ottenere le equazioni (11) di trasformazione.
Ciò vuol dire che Lorentz non esegue la medesima sostituzione nelle due x che compaiono nelle (10). In particolare,
FISICA/MENTE
egli non esegue la sostituzione della trasformazione di Galileo per la posizione, nella x che compare nell'espressione
del tempo locale. E ciò è in accordo con quanto sostenuto altrove: il tempo locale è diverso per coordinate diverse del
sistema in moto; esso varia al variare della posizione del sistema in moto; per esso non può essere stabilita
simultaneità; ogni posizione occupata dal sistema in moto ha un suo tempo proprio.
Passiamo ora ad occuparci del lavoro di Poincaré, Sulla dinamica dell'elettrone, (641) del giugno 1905, appena
tre mesi prima del lavoro di Einstein sull' Elettrodinamica dei corpi in movimento (settembre 1905), del quale ci
occuperemo ampiamente nel paragrafo 2 del Cap. V.
Poincaré, che in varie occasioni si era espresso in modo molto favorevole riguardo al lavoro di Lorentz del
1904, sentì la necessità di intervenirvi sopra. Egli sosteneva: (642)
"L'importanza del problema mi ha spinto a riprenderlo in esame; i risultati che ho ottenuto sono in accordo con
quelli trovati dal Sig. Lorentz su tutti i punti importanti; io sono stato solamente condotto a modificarli ed a
completarli in qualche punto di dettaglio; si vedrà più avanti che le differenze sono d'importanza secondaria."
Passando ad un confronto della teoria di Lorentz e delle sue trasformazioni (che egli chiama trasformazioni di
Lorentz) con quelle sviluppate da altri, ed in particolare da P. Langevin (1872-1946), egli optò per la teoria di
Lorentz, poiché, l'altra, risultava incompatibile con il postulato di relatività (anche questa è una denominazione
introdotta da Poincaré) che avrebbe dovuto permettere di scrivere le equazioni di Maxwell esattamente nella stessa
forma per due sistemi di riferimento in moto traslatorio uniforme l'uno rispetto all'altro (ed il lavoro di Lorentz si
avvicinava molto a questa possibilità, anche se non completamente).
Poincaré si proponeva quindi di ritrovare i risultati di Lorentz "per altra via, facendo ricorso ai principi della
teoria dei gruppi", (645) tenendo conto di un elemento molto importante,di natura più fisica,così introdotto da
Poincaré:
"se si vuole conservare [la teoria di Lorentz] ed evitare delle contraddizioni intollerabili, bisogna supporre una
forza speciale che spieghi contemporaneamente e la contrazione e la costanza di due degli assi." (644)
Qui Poincaré si rendeva conto che l'elettrone deformabile di Lorentz poteva arrivare ad esplodere e pertanto era
necessario tener conto di una sorta di tensione interna dell'elettrone, di origine sconosciuta, che impedisse il
disintegrarsi dell'elettrone.
FISICA/MENTE
Inoltre Poincaré introduceva un problema nuovo in connessione con l'elettrodinamica: che tipo di influenza
hanno tutte le nostre teorie sulle leggi della gravitazione ? Egli diceva: (645)
"non possiamo accontentarci di formule semplicemente giustapposte e che vanno d'accordo solo per una felice
coincidenza; occorre, per così dire, che queste formule arrivino a compenetrarsi mutuamente."
Una strada sembrava essere individuata da Poincaré quando affermava: (646)
"se noi ammettessimo il postulato di relatività, [le leggi dei fenomeni fisici sono le stesse per un osservatore in quiete
e per un osservatore che si muove di moto traslatorio uniforme], troveremmo nella legge di gravitazione e nelle leggi
dell'elettromagnetismo un numero comune che sarebbe la velocità della luce; e lo ritroveremmo ancora in tutte le
altre forze di origine qualunque."
E ciò si può spiegare o ammettendo che questo fatto non è che una apparenza, un qualcosa che dipende dal nostro
sistema di misura, o ammettendo che tutti i fenomeni sono di origine elettromagnetica.
Fatte queste premesse, Poincaré iniziò la sua memoria riscrivendo le equazioni di Maxwell ed avvertendo che il
sistema di unità di misura da lui usato è tale che la velocità c della luce risulta uguale ad 1 (numero puro). Ora,
secondo Poincaré, le equazioni di Maxwell possono essere semplificate mediante l'introduzione di una notevole
trasformazione introdotta da Lorentz. E questa trasformazione è interessante per il nostro poiché spiegava il perché
certe esperienze che volevano evidenziare il moto della Terra rispetto all'etere ci fornivano risultato nullo. Quindi
l'attenzione andava a centrarsi su queste trasformazioni che Poincaré riscrisse cambiando le posizioni iniziali (5) di
Lorentz nel modo seguente:
dove g ed ε sono due costanti qualunque, da determinarsi. Ed in base alle proprietà dei 'gruppi', studiati dal
FISICA/MENTE
matematico norvegese S. Lie (1842-1899), Poincaré trovò che g doveva risultare uguale ad 1, mentre ε = v/c (dal
punto di vista algebrico della teoria dei gruppi, e non può essere che un numero puro). Con queste sostituzioni le
(l2) diventano:
Queste trasformazioni non sono però corrette da un punto di vista dimensionale. Occorre dare significato fisico a
quanto ottenuto per via matematica. Per rendere omogenee dimensionalmente le (l3) occorre; moltiplicare per c la
quantità (v/c).t che compare a numeratore della prima delle (l3); dividere per c la quantità (v/c).x che compare a
numeratore dell'ultima delle (l3). E ciò è corretto anche da un punto di vista algebrico perché, come si ricorderà, si era
supposto c = 1. Si ottiene così:
FISICA/MENTE
e questo risultato ottenuto da Poincaré è quello che è oggi noto come il gruppo di trasformazioni di Lorentz, (648)
quello che, per via completamente diversa, fu ricavato da Einstein nella sua memoria del 1905. Ora, finalmente, le
equazioni dell'elettromagnetismo risultano invarianti rispetto a questo gruppo di trasformazioni.
E' interessante mostrare che se , nelle trasformazioni ricavate da Lorentz scritte nella forma (11), si esegue la
trasformazione di Galileo oltre che nella prima anche nella quarta equazione (quella per il tempo locale), si ottiene il
medesimo risultato (14) trovato da Poincaré.
Scriviamoci allo scopo la quarta delle (11) e sostituiamo alla x la quantità x - vt ottenuta, come abbiamo visto,
mediante una trasformazione di Galileo:
Lo stesso Lorentz, la cui onestà intellettuale deve essere sottolineata con forza in tempi come quelli in cui viviamo,
riconobbe posteriormente che le sue trasformazioni erano incomplete; dirà Lorentz: (649)
"Si noterà che in questo lavoro le equazioni di trasformazione della Relatività di Einstein non sono state ottenute del
FISICA/MENTE
tutto ... Io non sono stato capace di far sparire il termine - vu'x/c2 nella equazione [di Maxwell per lo spostamento
elettrico] e di porre questa equazione..nella forma che vale per un sistema a riposo."
Ritornando a Poincaré, pur non stando qui a soffermarci sull'importanza e complessità del suo contributo,
occorre sottolineare che esso non può essere banalmente considerato come correttivo; "basti solo notare che con
Poincaré si assiste ad un capovolgimento del programma di Lorentz: mentre per quest'ultimo si trattava di ricercare
una spiegazione dell'inosservabilità del moto della Terra attraverso l'etere, per Poincaré questa inosservabilità è
conseguenza del postulato di relatività che egli assume all'inizio della sua trattazione. E' in questo quadro di
riferimento che la teoria di Lorentz viene accolta da Poincaré: come egli stesso dimostra,
"l'ipotesi di Lorentz è l'unica che sia compatibile con l'impossibilità di mettere in evidenza il moto assoluto; se si
ammette questa impossibilità, bisogna ammettere che gli elettroni in moto si contraggono così da diventare degli
ellissoidi di rivoluzione, due degli assi dei quali rimangono costanti; bisogna dunque ammettere ... l'esistenza di un
potenziale supplementare proporzionale al volume dell'elettrone." (650)
E' così dunque che l'ipotesi della contrazione, ritenuta in precedenza dallo stesso Poincaré come artificiosa, viene ora
pienamente accolta. Inoltre, all'interno della trattazione del fisico-matematico francese, diverse delle ipotesi che
Lorentz era stato precedentemente costretto ad introdurre, divengono semplici conseguenze della teoria che ha come
presupposti il principio di relatività e la contrazione dell'elettrone.
Ci sono altri contributi di Poincaré che meritano di essere ricordati, anche per quanto dovremo discutere in
seguito. Il primo è relativo al problema, che per la prima volta viene posto, della sincronizzazione di due orologi,
nell' ipotesi di esistenza del tempo locale. (651)
In una conferenza tenuta a St Louis (USA) nel 1904, Poincaré, riferendosi ai risultati dei lavori di Lorentz,
diceva: (652)
"L'idea più ingegnosa [di Lorentz] è stata quella del tempo locale. Immaginiamo due osservatori che vogliano
sincronizzare i loro orologi mediante segnali luminosi. Si scambiano i segnali ma, poiché sanno che la trasmissione
della luce non è istantanea, nell'intercettarli adottano delle precauzioni. Quando la stazione B avverte il segnale
della stazione A, il suo orologio non deve segnare la stessa ora di quello della stazione A al momento della emissione
del segnale, ma questa ora aumentata di una costante che rappresenta la durata della trasmissione. Supponiamo, per
esempo, che la stazione A invii il suo segnale quando il suo orologio segna l'ora zero e che la stazione B l'avverta
FISICA/MENTE
quando il suo orologio segna l'ora t. Gli orologi risultano sincronizzati se il ritardo, uguale a t, rappresenta la durata
della trasmissione. Per verificarlo la stazione B manda a sua volta un segnale quando il suo orologio segna l'ora
zero; allora la stazione A deve avvertirlo quando il suo orologio segna t. In questo caso gli orologi risultano
sincronizzati. Effettivamente segnano la stessa ora alle stesso istante fisico, ma ad una condizione: che le due stazioni
siano immobili. In caso contrario la durata della trasmissione non sarà la stessa nei due sensi, poiché, ad esempio, la
stazione A va incontro alla perturbazione ottica emessa da B, mentre la stazione B si allontana rispetto alla
perturbazione emessa da A. (653) Gli orologi sincronizzati in questo modo non segneranno allora il tempo vero;
segneranno quello che si può chiamare il tempo locale (654) di modo che uno di essi ritarderà rispetto all'altro. Poco
importa perché non abbiamo alcun mezzo per avvertirlo. Tutti i fenomeni che, ad esempio, si producano in A
staranno in ritardo, ma tutti avranno lo stesso ritardo e l'osservatore non lo avvertirà poiché il suo orologio ritarda.
(655) E, così come richiede il principio di relatività, non avrà mezzo alcuno per sapere se è in riposo o in movimento
assoluto." (656)
Un altro tema, rilevante per le asimmetrie che comporta, fu affrontato da Poincaré nella conferenza di St Louis; quello
di due cariche elettriche statiche che si muovono con la Terra attraverso l'etere. Scriveva Poincaré: (657)
"Supponiamo di avere due corpi elettrizzati che se anche ci sembrano in riposo, sono trascinati dal moto della Terra.
Una carica elettrica in moto, ce l'ha insegnato Rowland, equivale ad una corrente; questi due corpi carichi
equivarranno quindi a due correnti parallele e con lo stesso verso, e queste due correnti dovranno attrarsi. (658)
Misurando questa attrazione misureremmo la velocità della Terra e non la sua velocità rispetto al Sole o alle stelle
fisse, ma la sua velocità assoluta ... Questa attrazione elettrodinamica si sottrae alla repulsione elettrostatica e la
repulsione totale è più debole che se i due corpi si trovassero in riposo. Però, poiché per misurare questa repulsione
dobbiamo equilibrarla con un'altra forza e poiché tutte queste forze si trovano ridotte nella stessa proporzione, non
avvertiremo il fenomeno."
Infine, ad ulteriore sostegno del principio di relatività, Poincaré ideò un'immagine fantastica non priva di suggestione
ed ancora oggi spesso utilizzata. (659) Scriveva Poincaré, riguardo alla relatività dello spazio: (660)
"Supponiamo che, in una notte, tutte le dimensioni dell'Universo divengano più grandi: il monde resterà simile a se
stesso ... Solamente ciò che aveva la lunghezza di un metro, misurerà ora un chilometro; quello che misurava un
millimetro misurerà un metro. Il letto in cui dormo ed il mio corpo si sarebbero ingranditi della stessa proporzione;
quando mi svegliassi la mattina seguente, che cosa proverei di fronte ad una trasformazione così sorprendente ? Beh,
semplicemente non mi accorgerei di nulla. Le misure più raffinate non sarebbero in grado di rivelarmi niente di
questa immensa rivoluzione, dato che i metri di cui mi servirei sarebbero variati nella stessa proporzione che gli
FISICA/MENTE
oggetti che io andrei a misurare con essi. In realtà questo scompiglio non esisterebbe altro che per quelli che
ragionano come se lo spazio fosse assoluto."
***
A conclusione di questo paragrafo si può dire che, agli inizi del XX secolo, la teoria di Lorentz era in grado di
rendere conto di quasi tutti i fenomeni elettromagnetici noti. (661) II programma di Lorentz, di ricondurre tutti i
fenomeni fisici (anche quelli meccanici) ai comportamenti dei microscopici elettroni (riduzionismo), era giunto al suo
compimento. Nell'evolversi della costruzione della teoria, abbiamo assistito ad "un rovesciamento dei rapporti tra
meccanica ed elettromagnetismo, nella prospettiva di fondare la prima sulle basi di quest'ultimo." (662) Concetti ben
consolidati nella tradizione fisica ne sono usciti completamente modificati; forze che dipendono dalla velocità,
lunghezze che si contraggono, masse che variano al variare della velocità, tempi locali, il principio di azione e
reazione posto in discussione, ... Questo caro prezzo pagato in certezze rende ben conto della profondità, complessità
ed intensità dei problemi che si ponevano. Eppure "tutta questa serie di innovazioni e di rotture rispetto alla
tradizione newtoniana sono accettate purché sia fatta salva la capacità del quadro di riferimento globale (etere,
particelle e loro interazioni) di garantire l'interpretazione dei fenomeni." (662)
Paradossalmente si era operato in questo senso per garantire un supporto materiale a quelle onde
elettromagnetiche che, questo si, non si poteva ammettere viaggiassero nel vuoto. Questo supporto materiale era poi
sempre diventato più immateriale, fino al punto che era sfuggito ad ogni possibile ricerca. E pur non mostrandosi,
l'etere era di fatto diventato quello spazio e riferimento assoluto di newtoniana memoria.
La fisica newtoniana mostrava varie falle che occorreva chiudere al più presto ma, nel contempo, mostrava tutta
la sua potenzialità esplicativa, proprio quella che aveva condotto alle così complesse elaborazioni di Lorentz,
7 - MECCANICISMO E CRISI DELLA MECCANICA.
- TENTATIVI DI COSTRUIRE UNA MECCANICA SU BASI DIFFERENTI (HERTZ) .
- LA CRITICA DI MACH: L'EMPIRIOCRITICISMO
FISICA/MENTE
Alla fine dell'Ottocento, una quantità molto grande di fatti sperimentali e di elaborazioni teoriche portavano a
concludere sull'insufficienza della meccanica che, così come si era affermata a partire da Newton, attraverso gli
sviluppi della Meccanica Razionale ed Analitica soprattutto della scuola francese del XVIII secolo, non riusciva più a
rendere conto compiutamente di quanto si andava via via scoprendo. E ciò risultava non dallo sviluppo di un solo
campo della fisica ma, praticamente, da tutti.
Una breve ricapitolazione ci sarà utile.
Con l'affermarsi della teoria ondulatoria della luce, lo sviluppo dell'ottica dei corpi in movimento, almeno fino
all'esperienza di Miehelson-Morley del 1887, tentava di ricondurre i vari fenomeni all'esistenza di un etere che
assolveva il duplice compito di sostegno per le vibrazioni e di spazio assoluto cui riferire i fenomeni stessi.
Con i lavori di Maxwell-Hertz, l'ottica diventa un capitolo dell'elettromagnetismo ed i problemi dell'ottica dei
corpi in movimento diventano i problemi dell'elettrodinamica dei corpi in movimento con un etere che si trova
sempre a giocare un ruolo di primo piano. E quindi, in definitiva, i problemi sorgono essenzialmente
dall'elettrodinamica dei corpi in movimento e più in particolare dalle proprietà e comportamento di quell'etere che,
nonostante i numerosi tentativi, rifiuta di mostrarsi.
E questo per un verso.
D'altra parte, altri problemi nascono dagli sviluppi della termodinamica.
Cerchiamo di capire la natura di queste due classi di problemi in relazione ai postulati fondamentali della
meccanica.
Per rendere conto dei fenomeni osservati l'elettrodinamica, come già visto, deve considerare: forze dipendenti da
angoli, forze dipendenti da velocità, forze a contatto, la non invarianza delle equazioni di Maxwell per una
trasformazione di Galileo, lunghezze che variano, tempi locali, messa in discussione del principio di azione e reazione
e del principio di conservazione della quantità di moto, inosservabilità dello spazio assoluto, masse che variano a
seconda del verso del moto. Certamente si va costruendo una fisica che via via rende conto dei fatti sperimentali,
continuando a rincorrerli, ma, altrettanto certamente, questa fisica va via via negando le premesse dalle quali era nata.
E ciò con la convinzione di star lavorando per la sua conservazione. Tutto quanto deve essere tenuto in conto
FISICA/MENTE
dall'elettrodinamica costituisce un vero e proprio colpo di maglio ai concetti fondamentali della meccanica:
lunghezze, masse, tempi, forze, spazio assoluto, principi di conservazione. Tolto questo, che resta della meccanica
oltre la spiegazione dei fenomeni strettamente meccanici per cui la stessa era nata ? (662 bis) Ed il problema si pone
con maggior forza proprio perché continua a persistere la volontà di voler spiegare tutto con la meccanica.
Per parte sua, quali contributi alla messa in discussione della meccanica vengono dalla termodinamica ?
La questione certamente più rilevante era posta dall'affermazione di irreversibilità di tutti i fenomeni naturali. Da
una parte, con la teoria cinetica, si erano utilizzate le leggi perfettamente reversibili della meccanica, dall'altra la
termodinamica, uno dei prodotti dell'elaborazione cinetico-molecolare, forniva dei risultati che avevano perso quella
caratteristica di reversibilità. Inoltre, dovendo trattare sistemi composti da un enorme numero di costituenti, era stato
necessario introdurre sistematicamente metodi statistici e probabilistici ed, in particolare, il concetto di stato più
probabile. Gi si accorgeva sempre più che la trattazione di fenomeni microscopici richiedeva la formulazione di leggi
diverse da quelle ricavate per i fenomeni macroscopici. E per di più, alcune delle conclusioni ricavate a livello
microscopico, con quei metodi statistici che incontreranno molti oppositori, venivano estese ai fenomeni
macroscopici. E' il caso dell'introduzione della funzione entropia che veniva ad assumere significati del tutto
assimilabili alla grandezza tempo, soprattutto dal punto di vista della sua unidirezionalità. Ma un altro aspetto del
problema doveva presentarsi proprio all'alba del nuovo secolo, quando Planck, per rendere conto dei risultati
sperimentali relativi all'irraggiamento di un corpo nero (si veda il paragrafo 2 di questo capitolo) e nell'ambito di una
trattazione termodinamica del problema, è costretto ad ammettere la discontinuità dell'energia, la sua quantizzazione
(si noti che Boltzmann già nel 1872 aveva utilizzato, come mero artificio di calcolo, la quantizzazione dell'energia
facendo poi una successiva operazione - il limite per questi quanti tendenti a zero - che rendeva priva di importanza la
prima operazione). In questo ambito, le stesse metodologie di lavoro utilizzate nella ricerca fisica sembrano subire un
forte contraccolpo. L'uso delle analogie e soprattutto dei modelli meccanici a cosa servono in un mondo microscopico
che ubbidisce a leggi differenti da quelle del mondo meccanico macroscopico ?
C'è insomma una grossa mole di problemi che vanno tutti nella direzione di rimettere in discussione i
fondamenti ed i metodi della fisica affermatasi con Newton e sviluppatasi nell'ambito del meccanicismo.
L'insoddisfazione latente e molto spesso evidente cominciò a prendere corpo nella seconda metà del secolo
XIX, inizialmente con dei tentativi di riformulazione della meccanica di Newton su basi differenti.
La questione che maggiormente faceva discutere e che sollevava critiche era il concetto di forza, la sua
definizione, la sua esistenza, la sua essenza. A questo problema si aggiungeva quello della massa; cos'è e che rapporti
FISICA/MENTE
ha con la materia ? e con la forza ? e la materia cos'è ? e cosi via.
Un primo tentativo di liberare la meccanica dalle forze fu realizzato dal fisico francese Barré de Saint-Venant
(1797-1896) il quale, nei suoi Principi di Meccanica basati sulla Cinematica (Parigi, 1851), riprendendo alcune
proposizioni di Lazare Carnot, sviluppate nel Saggio sulle macchine in generale (Parigi, 1763) e nei Principi
fondamentali dell'equilibrio e del moto (Parigi, 1803) e dopo aver sostenuto che le forze sono una specie di
intermediari occulti e metafisici che non intervengono né tra i dati né tra i risultati di un qualunque problema
meccanico, definì la massa e la forza a partire dai concetti (da Saint-Venant ritenuti fondamentali e primitivi) di
movimento, velocità ed accelerazione. Così egli scriveva: (662 ter)
" Masse - La massa di un corpo è il rapporto tra due numeri che esprimono quante volte questo corpo ed un altro
corpo, scelto arbitrariamente e che rimane costantemente lo stesso, contengono parti che, separate e sottoposte due a
due ad urti l'una contro l'altra, si comunicano, mediante l'urto, velocità opposte uguali.
Forze - La forza o l'attrazione positiva o negativa di un corpo su di un altro è un segmento che ha come grandezza il
prodotto della massa di quest'ultimo [corpo] per l'accelerazione media dei suoi punti verso quelli del primo e come
direzione quella di questa accelerazione."
Quello che va sottolineato è che Saint-Venant, per primo ha una chiara coscienza del fatto che le definizioni di massa
e forza sono strettamente legate tra loro e che, secondo Saint-Venant, è impossibile dare una definizione di forza se
prima non si è definita con chiarezza ed univocamente la massa. E la definizione di massa che viene fornita, come si
può vedere, è intanto indipendente da quell'equivoco che sempre l'aveva accompagnata: che c'entra la massa con la
quantità di materia ? Qui la quantità di materia sparisce. Inoltre questa definizione di massa discende dalla
conservazione della quantità di moto e, come vedremo, sarà una delle basi dell'elaborazione di Mach. Anche se SaintVenant non portò a compimento il suo programma, il suo lavoro si concluse con l'auspicio che presto le qualità
occulte come la forza spariscano dalla fisica per essere sostituite solo da velocità e sue variazioni.
Per parte sua e negli stessi anni, il fisico francese P. Reech (l805 -1874), nel suo Corso di Meccanica secondo la
natura generalmente flessibile ed elastica dei corpi (Parigi, 1852), tentava, sulla traccia di Euler che tentò di fondare
una dinamica sul concetto di forza anche se poi quest'ultima era definita solo staticamente, di dare la forza come
concetto primitivo e cioè non come causa di movimento, ma
"effetto di una causa qualunque, chiamata pressione o trazione e che noi apprezziamo con estrema chiarezza in un
filo teso, supposto privo della sua qualità materiale o massa." (663)
FISICA/MENTE
Come si può osservare da questo breve passo, anche per Reech la sola possibile definizione di forza è di natura
statica: l'allungamento di un filo o di una molla. Il confronto degli allungamenti può permettere il confronto tra forze.
Si tratta di una prima definizione operativa che si scontra però con la sua estensione al caso dinamico. E non a caso
Reech definiva come entità misteriose proprio quelle forze di tipo dinamico come le gravitazionali o le elettriche e
magnetiche.
Sulla strada invece di eliminare dalla meccanica il concetto di forza si muoveva anche il fisico tedesco G.B.
Kirchhoff. Nelle sue Lezioni di matematica, fisica e meccanica (Lipsia, 1874-1876), egli tentò di costruire una
dinamica in cui i concetti di forza e massa fossero derivati dai concetti primitivi ed intuitivi di spazio, tempo e
materia. (664) Secondo Kirchhoff, la meccanica deve limitarsi a descrivere i movimenti disinteressandosi delle loro
cause. Considerando la massa (concetto primitivo) come un coefficiente costante di una data particella, la forza risulta
definita come il prodotto della massa per l'accelerazione. E poiché in meccanica non abbiamo mai a che fare con una
forza, ma sempre con sistemi di forze che hanno come effetto il moto, noi, dallo studio di questo moto, non possiamo
risalire al sistema di forze, ma solo alla loro risultante. Per questo la definizione di forza non può che essere
incompleta.
Su questi argomenti intervenne anche il fisiologo tedesco E. Du Boys-Reymond (1818-1896). (665) In due
opuscoli, I confini della conoscenza della natura (Lipsia, 1872) ed I sette enigmi del mondo (Berlino, l880),
riprendendo alcune posizioni del filosofo positivista britannico H. Spencer (1820-1903), (667) egli sostenne che i
metodi della Meccanica, arrivata al suo culmine con Laplace, ci rendono impossibile andare ad una conoscenza
completa della natura. In particolare quella Meccanica, che Du Boys-Reymond considera come cosa distinta dal
meccanicismo, non è in grado di darci informazioni sulla natura della materia e della forza. Inoltre, nell'ipotesi di un
mondo corpuscolare regolato dagli urti delle particelle, ci è impossibile riuscire a cogliere l'inizio del moto. E poi,
come è possibile render conto di forze agenti a distanza nel vuoto ? Esse sono addirittura inconcepibili. Scriveva Du
Boys-Reymond: (668)
"E' facile scoprire l'origine di queste contraddizioni. Esse sono radicate nell'impossibilità, per noi, di rappresentarci
qualcosa che non sia sperimentato con i nostri sensi o con il senso interno."
Ecco quindi che inizia a porsi, da parte di scienziati, il problema del nostro rapporto con la natura ed in particolare di
come esso sia condizionato dai nostri sensi.
Anche Hertz, come già accennato, tentò,sulle orme di Kirchhoff, di costruire una meccanica che prescindesse dal
FISICA/MENTE
concetto di forza. La critica qui va più a fondo perché, pur non negandoli completamente, coinvolge l'uso dei modelli
meccanici nella spiegazione fisica. E' un complesso tentativo di assiomatizzazione quello che condusse Hertz nei suoi
Principi della Meccanica (Lipsia, 1894). A proposito del concetto di forza, scriveva Hertz: (669)
" Non si può negare che in moltissimi casi le forze che si usano nella meccanica per trattare problemi fisici sono
soltanto dei partner sonnecchianti, che sono ben lungi dall' intervenire quando devono essere rappresentati i fatti
reali."
Certo che il concetto di forza è stato utile nel passato, ma ora, riguardo all'introduzione di relazioni non strettamente
necessarie
"tutto ciò che possiamo chiedere è che queste relazioni dovrebbero, finché è possibile, essere limitate, e che una
saggia discrezione dovrebbe essere osservata nel loro uso. Ma è stata la fisica sempre parca nell'uso di tali
relazioni ? Non è stata essa costretta piuttosto a riempire il mondo all'eccesso con forze dei più vari tipi - con forze
che non sono mai apparse nei fenomeni, o anche con forze che sono entrate in azione solo in casi eccezionali ?"
(669)
L'esempio che viene portato è quello di un pezzo di ferro su di un tavolo. Esso è immobile. Quale fisico riuscirebbe a
convincere il prossimo che quello stato di riposo è dovuto ad una infinità di forze che si fanno equilibrio ? Hertz può
cosi continuare: (669)
"E' dubbio se le complicazioni possano essere evitate del tutto; ma non vi è dubbio che un sistema di
meccanica che le evita o le esclude è più semplice, ed in questo senso più adeguato, di quello qui considerato;
quest'ultimo infatti non solo consente tali concezioni, ma addirittura ce le impone con la forza."
Come la forza anche l'energia potenziale pone dei problemi. Se infatti noi ci proponiamo che
"nelle ipotesi dei problemi entrino soltanto caratteristiche che sono accessibili direttamente all'esperienza ... , senza
assumere una considerazione preventiva della meccanica, dobbiamo specificare con quali semplici, dirette
esperienze proponiamo di definire la presenza di una quantità di energia, e la determinazione del suo ammontare."
(669)
Ora, ciò vuol dire che l'energia deve essere intesa come una qualche sostanza e
FISICA/MENTE
"l'ammontare di una sostanza è di necessità una quantità positiva; ma noi non esitiamo mai ad assumere che
l'energia potenziale contenuta in un sistema sia negativa." (670)
Per Hertz, in definitiva, tutte queste incongruenze portano alla necessità di sviluppare la meccanica "in una forma
logicamente ineccepibile", basandola sui tre concetti fondamentali di tempo, massa e spazio. (671) Ma, attenzione,
noi non possiamo che avere un'immagine parziale dei fenomeni; noi introduciamo, secondo Hertz, forze ed energie
per rendere conto di un qualcosa che, nascosto ai nostri sensi, opera sui fenomeni stessi. Ma poi, quando dobbiamo
descrivere quel qualcosa, è conveniente ricorrere proprio a ciò che cade sotto i nostri sensi e cioè movimenti e masse.
Ebbene, ciò lo facciamo per un principio di comodità; diamo dei nomi, ai quali non corrisponde alcuna realtà fisica, a
ciò che in realtà non conosciamo, a ciò che ci è nascosto. La nostra meccanica può essere costruita considerando
movimenti e masse nascoste, anziché forze ed energie non necessarie, oltre, naturalmente, ai movimenti ed alle masse
evidenti. (672) Scriveva Hertz: (673)
"Se cerchiamo di comprendere i movimenti dei corpi che ci circondano e di riportarli a delle regole semplici
e chiare, ma nel considerare solo ciò che ci cade direttamente sotto gli occhi, in generale le nostre ricerche si
arenano ... Se vogliamo ottenere un'immagine del mondo chiusa su se stessa, sottomessa a delle leggi, dobbiamo,
dietro le cose che vediamo, ipotizzare altre cose invisibili e cercare, dietro la barriera dei nostri sensi, degli attori
nascosti."
E la forza e l'energia possono proprio essere intese in questo senso, a patto di descriverle come masse e movimenti:
(673)
"Noi siamo liberi d'ammettere che ciò che è nascosto non è altro che movimento e massa, non differenti dalle masse e
dai movimenti visibili ed aventi solamente non altre relazioni con noi che il nostro modo abituale di percepire ... Ciò
che siamo abituati a designare con i nomi di forza e di energia si riduce allora ad una azione di massa e di
movimento; ma non è necessario che questa sia sempre l'azione di una massa o di un movimento percepibile da parte
dei sensi materiali."
L'intera meccanica di Hertz è basata su di un principio fondamentale:
"Un sistema libero è in riposo e descrive in modo uniforme una traiettoria che e' il cammino più breve [cioè quello
che ha una curvatura minore e cioè una geodetica],"
Ora ogni sistema che ci offre la natura è un sistema libero. Ma vi sono anche dei sistemi che sembrano liberi sui quali,
FISICA/MENTE
in realtà, agiscono delle masse nascoste e dei moti altrettanto nascosti. Più in generale si può dire che un sistema
libero è un insieme di sistema nascosto e sistema visibile. E non ci si stupisca di masse o movimenti nascosti. L'etere,
di grande attualità all'epoca di Hertz è proprio una massa nascosta. Inoltre, quando si parla di moti vibratori delle
particelle costituenti la materia, stiamo in realtà parlando di movimenti nascosti.
La forza in tutto ciò non compare come entità fisica; essa potrà tuttalpiù figurare come utile strumento
matematico e ciò potrà accadere quando si ha la decomposizione di un sistema libero in due parti: bisognerà allora
considerare l'azione di una delle parti sull'altra e viceversa.
Da questo punto, per mezzo di un processo puramente induttivo è possibile ricavarsi l'intera meccanica.
In definitiva, un dato sistema che cade sotto i nostri sensi è sempre una parte di un sistema isolato di cui l'altra
parte è nascosta. Tramite la teoria dei vincoli è possibile scrivere le equazioni del moto del nostro sistema osservabile.
Ciò che in ultima analisi è poi richiesto è l'accordo con l'esperienza; in caso contrario, nell'impostazione del problema,
non si è tenuto conto di altri movimenti ed altre masse nascoste. Le masse ed i moti nascosti, intesi come vincoli,
sono un ottimo strumento teorico per elaborare l'intera meccanica.
Abbiamo fin qui accennato ad alcuni tentativi e lavori che cercavano di rifondare la meccanica newtoniana su
basi differenti. Ma il rappresentante più noto e più influente di questo movimento di pensiero fu senza dubbio il fisicofisiologo-filosofo austriaco E. Mach (1838-1916) sul quale occorre soffermarsi un poco.
Il nostro, laureatosi in fisica a Vienna nel 1860, iniziò degli studi di fisiologia e nel 1863 pubblicò un primo
lavoro, Compendio di fisica per medici, nel quale mostrò di essere un convinto meccanicista: tutte le scienze, come
anche la fisiologia, non sono altro che meccanica applicata. Ma fu proprio la fisiologia che poco a poco scosse dalle
fondamenta la sua fede meccanicista. La questione, così come si poneva all'inizio, era: come nella fisio logia molte
difficoltà sorgono perché si vuole spiegare tutto con la fisica, allo stesso modo, nella fisica le difficoltà nascono
perché si vuole spiegare tutto con la meccanica.
Mach diede primo corpo alle sue idee nella sua opera principale, La Meccanica nel suo sviluppo storico critico,
che vide la luce, in prima edizione, nel 1883. (674) In questo lavoro Mach ricostruiva la storia della Meccanica a
partire dalle origini. La sua non era una semplice storia ma, come annuncia il titolo dell'opera, una vera e propria
critica dei fondamenti della meccanica, al modo in cui sono stati formulati e si sono affermati. L'interesse principale
dell'opera di Mach è che questa critica della meccanica si afferma dall'interno del mondo della fisica e la tesi di fondo
su cui il lavoro è imperniato è che, nel passato, la meccanica ha svolto un ruolo fondamentale, mentre ora risulta un
FISICA/MENTE
freno che tende a limitare la grande mole dei diversi fatti empirici.
Senza voler entrare in un'analisi che abbia una qualche pretesa di completezza, veniamo a quanto sostenuto da
Mach nella sua Meccanica in relazione ad alcuni concetti fondamentali della meccanica: massa, principio di azione e
reazione, spazio, tempo e movimento.
Cominciamo dalla massa e dal principio di azione e reazione. Scriveva Mach: (675)
"Per quanto riguarda il concetto di massa, osserviamo che la formulazione data da Newton è infelice. Egli dice che
la massa è la quantità di materia di un corpo misurata dal prodotto del suo volume per la densità. Il circolo vizioso è
evidente. La densità infatti non può essere definita se non come la massa dell'unità di volume."
Non si può evidentemente definire una grandezza mediante un'altra grandezza non definita e cosi la massa risulta
priva di una definizione. Questa difficoltà ne comporta delle altre particolarmente in connessione al principio di
azione e reazione. Infatti, come scriveva Mach, (676)
"Poiché Newton ha definito come misura della forza la quantità di moto acquisita nell'unità di tempo (massa per
accelerazione), ne segue che corpi agenti l'uno sull'altro si comunicano in tempi uguali quantità di moto uguali ed
opposte, ossia si comunicano velocità opposte inversamente proporzionali alle loro masse."
Se mettiamo ora in relazione quanto qui detto con ciò che Mach aveva osservato a proposito del concetto di massa
arriviamo, con Mach, ad affermare: (677)
"L'oscurità del concetto di massa si fa evidente quando si applica in dinamica il principio di azione e reazione.
Pressione e contropressione possono essere uguali, ma come sappiamo che pressioni uguali producono velocità
inversamente proporzionali alle masse ? ... [Infatti] i due distinti enunciati con cui Newton ha formulato il concetto
di massa ed il principio di reazione dipendono l'uno dall'altro, cioè l'uno suppone l'altro."
A questo punto Mach passava a formulare il concetto di massa ed il principio di azione e reazione in un modo che
rappresentasse un superamento delle difficoltà accennate: (678)
"Dato che esperienze meccaniche ci informano dell'esistenza nei corpi di una particolare caratteristica che
determina l'accelerazione, niente impedisce di formulare in via ipotetica la seguente definizione: Diciamo corpi di
massa uguale quelli che, agendo l'uno sull'altro, si comunicano accelerazioni uguali ed opposte. Con ciò non
FISICA/MENTE
facciamo altro che designare una relazione fattuale ... Se scegliamo il corpo A come unità di misura, attribuiremo la
massa m a quel corpo che imprime ad A un'accelerazione pari a m volte l'accelerazione che esso riceve da A. Il
rapporto delle masse è il rapporto inverso delle accelerazioni preso con segno negativo ... Il nostro concetto di massa
non deriva da alcuna teoria. Esso contiene soltanto la precisa determinazione, designazione e definizione di un fatto.
La quantità di materia è del tutto inutile."
Definita così la massa, cosa resta del principio di azione e reazione ?
"II concetto di massa che noi proponiamo rende inutile una formulazione distinta del principio di azione e
reazione. Nel concetto di massa e nel principio di azione e reazione ... viene enunciato due volte lo stesso fatto; cosa
evidentemente superflua. Nella nostra definizione, dicendo che due masse 1 e 2 agiscono l'una sull'altra, si è già detto
che esse si comunicano accelerazioni opposte che stanno tra loro nel rapporto 2:1." (679)
A proposito quindi della massa, la cui definizione - secondo Mach - sottende quella del principio di azione e reazione,
il nostro autore poteva così concludere: (680)
"Resi attenti dall'esperienza, abbiamo scoperto che esiste nei corpi una particolare caratteristica determinante
accelerazione. Con il riconoscimento e la designazione non equivoca di questo fatto, la nostra opera è compiuta. Non
andiamo oltre questa designazione, perché qualsiasi aggiunta causerebbe solo oscurità. Ogni incertezza scompare
quando si sia capito che nel concetto di massa non è contenuta una teoria, ma una esperienza."
Prima di andare oltre nella ricostruzione della critica di Mach, sono importanti alcune osservazioni. Innanzitutto (680
bis) è da negare l'ultima affermazione di Mach? all'interno della definizione di massa che egli ci fornisce (rapporto
delle masse come rapporto inverso delle accelerazioni, cambiato di segno) c'è una teoria e, pare incredibile, proprio la
seconda legge di Newton (oltre alla prima legge della dinamica). Nessuno ci autorizza infatti a sostenere, basandoci
sulla sola osservazione, che due componenti di un dato sistema si muovano sotto la sola influenza delle loro azioni
mutue. Affermare ciò prevede l'applicazione della teoria di Newton nel caso di un sistema isolato. Inoltre quella
stessa definizione di massa è almeno soggetta ad un'altra critica, si badi bene, all'interno degli stessi ragionamenti
svolti da Mach. Come vedremo più oltre una delle polemiche più accese di Mach sarà contro lo spazio assoluto di
Newton e conseguentemente contro il moto assoluto. Ebbene, Mach non si preoccupa di estendere la validità della sua
definizione né di verificarla in un riferimento diverso, sia esso dotato di moto rettilineo uniforme sia di moto
accelerato. E poi, che definizione è la sua ? Non è piuttosto un metodo di misura ? Ed ancora che fine fa il principio di
azione e reazione nella statica, dove non compaiono accelerazioni ? In definitiva, con Bunge, si può sostenere che qui
Mach fa molta confusione: per rincorrere il fantasma dell'esperimento confonde una uguaglianza (rapporto tra masse
FISICA/MENTE
= - rapporto inverso tra accelerazioni) con una identità ed assegna quindi lo stesso significato al primo ed al secondo
membro, utilizzando il tutto come definizione (c'è una uguaglianza numerica non logica: inoltre il voler considerare la
seconda legge come una mera convenzione è di nuovo errato perché, se tale fosse, sarebbe sempre vera ed invece,
sperimentalmente, non lo è; infine la definizione stessa in senso stretto ha un limite di validità molto limitato come
Bunge mostra nel suo lavoro. (680 bis)
Ma veniamo ora alla critica di Mach ai concetti di spazio, tempo e movimento.
Dopo aver ricordato i brani in cui Newton definiva queste grandezze all'interno dei suoi Principia, (681) Mach
commentava: (682)
"Leggendo questi passi si ha l'impressione che Newton sia ancora sotto l'influenza della filosofia medioevale, e non
abbia mantenuto il proposito di attenersi al fattuale. Dire che una cosa A muta con il tempo significa semplicemente
dire che gli stati di una cosa A dipendono dagli stati di un'altra cosa B. Le oscillazioni di un pendolo avvengono nel
tempo, in quanto la sua escursione dipende dalla posizione della Terra. Dato però che non è necessario prendere in
considerazione questa dipendenza, e possiamo riferire il pendolo a qualsiasi altra cosa (i cui stati naturalmente
dipendono dalla posizione della Terra), si crea l'impressione errata che tutte queste cose siano inessenziali. Sì,
nell'osservazione del moto pendolare possiamo astrarre da tutti i corpi esterni e scoprire che a ciascuna posizione
del pendolo corrispondono nostre sensazioni e pensieri diversi. Il tempo ci appare allora come qualcosa a sé stante,
dallo scorrere del quale dipende la posizione del pendolo, mentre i corpi che prima avevamo liberamente preso per
riferimento sembrano perdere ogni importanza. Ma non dobbiamo dimenticare che tutte le cose sono in dipendenza
reciproca e che noi stessi, con i nostri pensieri, siamo solo una parte della natura. Non siamo in grado di misurare i
mutamenti delle cose rapportandoli al tempo. Al contrario il tempo è una astrazione, alla quale arriviamo proprio
attraverso la constatazione del mutamento, grazie al fatto che per la dipendenza reciproca delle cose non siamo
costretti a servirci di una determinata misura."
Con questa critica del tempo com'è allora possibile definire il moto ed, in particolare, quello uniforme (spazi uguali in
tempi uguali) ? Scriverà Mach: (683)
" Chiamiamo uniforme quel moto nel quale incrementi uguali di spazio corrispondono ad incrementi uguali di spazio
in un moto di riferimento (la rotazione della Terra). Un moto può essere uniforme solo in rapporto ad un altro. Il
problema se un moto sia uniforme in sé è privo di significato."
Ritornando al tempo, dopo questa definizione di moto uniforme, Mach poteva affermare: (684)
FISICA/MENTE
"Allo stesso modo non si può parlare di tempo assoluto (indipendente da ogni mutamento). Infatti questo tempo
assoluto non può essere commisurato ad alcun moto, e perciò non ha valore né pratico, né scientifico. Nessuno può
pretendere di sapere alcunché al riguardo di esso. E' dunque un inutile concetto metafisico (685) ... Ogni oscurità
metafisica svanisce quando ci rendiamo conto che la scienza si propone solo di scoprire la mutua dipendenza dei
fenomeni."
Quanto qui sostenuto rappresenta la completa relativizzazione di ogni processo naturale ed è a questo punto che Mach
si sofferma un istante a considerare il ruolo della storia delle scienze, che egli considera importante e scientifico nello
stesso momento in cui la storia serve a liberare la scienza stessa dai pregiudizi e dalle ipostatizzazioni. (686)
Quindi Mach passa a sottoporre a critica i concetti di spazio e moto assoluti riprendendo, tra l'altro, l'esperimento
e l'interpretazione che lo stesso Newton dà della secchia ruotante. Dopo aver ricordato i brani in cui Newton, sempre
nei Principia, definisce i concetti in esame e descrive l'esperimento della secchia, (687) Mach passava a ribadire le
sue concezioni sulla relatività di tutti i fenomeni fisici e quindi ad esporre la sua critica: (688)
"Se in un sistema di corpi distribuiti nello spazio si trovano masse che si muovono con velocità diverse ed in
condizione di poter entrare in rapporto reciproco, allora si verificano delle forze. Quanto grandi siano queste forze,
può essere stabilito se si conoscono le velocità, alle quali ogni massa può essere portata. Anche le masse in quiete
sono forze, se non tutte le masse sono in quiete ... Tutte le masse, tutte le velocità, quindi tutte le forze sono relative.
Non esiste differenza tra relativo ed assoluto, che noi riusciamo a cogliere con i sensi. D'altra parte non c'è ragione
che ci costringa ad ammettere questa differenza, dato che l'ammissione non ci porta vantaggio né teorico né di altro
ordine. Gli autori moderni che si lasciano convincere dall'argomento newtoniano del vaso d'acqua a distinguere tra
moto assoluto e moto relativo, non si rendono conto che ... la teoria tolemaica e quella copernicana sono soltanto
interpretazioni, ed entrambe ugualmente valide. Si cerchi di tener fermo il vaso newtoniano, di far ruotare il cielo
delle stelle e di verificare l'assenza delle forze centrifughe."
E' importante a questo punto andarsi a rileggere l'argomento di Newton nel paragrafo 1 del capitolo 1 di questo
lavoro, in modo da poter seguire meglio le critiche di Mach: (689)
"Consideriamo i fatti sui quali Newton ha creduto di fondare solidamente la distinzione tra moto assoluto e moto
relativo. Se la Terra si muove con moto rotatorio assoluto attorno al suo asse, forze centrifughe si manifestano su di
essa, il globo terrestre si appiattisce, il piano del pendolo di Foucault ruota ecc. Tutti questi fenomeni scompaiono, se
la Terra è in quiete, e i corpi celesti si muovono intorno ad essa di moto assoluto, in modo che si verifichi ugualmente
FISICA/MENTE
una rotazione relativa. Rispondo che le cose stanno così solo se si accetta fin dall'inizio l'idea di uno spazio assoluto.
Se invece si resta sul terreno dei fatti, non si conosce altro che spazi e moti relativi ... Non possiamo dire come
sarebbero le cose se la Terra non girasse ... I principi fondamentali della meccanica possono essere formulati in
modo che anche per i moti rotatori relativi risultino presenti forze centrifughe. L'esperimento newtoniano del vaso
pieno d'acqua sottoposto a moto rotatorio c'insegna solo che la rotazione relativa dell'acqua rispetto alle pareti del
vaso non produce forze centrifughe percettibili, ma che tali forze sono prodotte dal moto rotatorio relativo alla massa
della Terra e agli altri corpi celesti. Non ci insegna nulla di più. Nessuno può dire quale sarebbe l'esito
dell'esperimento in senso qualitativo e quantitativo, se le pareti del vaso divenissero sempre più massicce, fino ad uno
spessore di qualche miglio. Davanti a noi sta quell'unico fatto."
Anche ora quindi si ha a che fare solo con moti relativi; è la stessa cosa pensare la Terra in quiete e le stelle fisse in
rotazione, oppure la Terra in rotazione intorno al proprio asse e le stelle fisse in quiete. Nel primo caso però non v'è
più appiattimento della Terra ai poli ed il pendolo di Foucault non oscilla più allo stesso modo. La difficoltà nasce da
corme è stata definita la legge d'inerzia che va formulata in altro modo. Come si può vedere la tesi di fondo è molto
simile a quella di Berkeley, anche se Mach, con il suo richiamarsi alle stesse fisse, non cade nell'agnosticismo del
filosofo statunitense. (690) Per Mach l'esperimento di Newton ha il solo difetto di essere incompleto; manca la parte
che vede il secchio fisso e le stelle fisse messe in rotazione. Il nostro ritiene che Newton non avesse bisogno di
introdurre lo spazio assoluto che poi dopo non usa nella sua meccanica. Inoltre, con Berkeley, nel ragionamento di
Newton occorre introdurre prima uno spazio assoluto per poi riferire il moto di rotazione ad esso. Qui in realtà Mach
non coglie la necessità che aveva Newton di quello spazio che, di fatto, entra nella sua meccanica; il problema era
quello di distinguere le forze vere da quelle apparenti e Newton credeva di poterlo fare attraverso la distinzione dei
moti relativi da quelli assoluti. Per Mach è conseguentemente inutile introdurre fantasticherie quando è possibile
rifarsi ai soli fenomeni. Ed è inoltre inutile, o meglio antieconomico, introdurre strane entità. Per rendere conto dei
fenomeni basta osservare che: (691)
"Le leggi newtoniane sui moti dei pianeti restano conformi alla legge d'inerzia anche se questi moti sono riferiti al
cielo delle stelle fisse ... Constatiamo ancora una volta che il riferimento ad uno spazio assoluto non è per nulla
necessario."
Come dicevamo, è il principio d'inerzia che va riformulato: un dato corpo K, in quiete o in moto, lo sarà ora non
rispetto ad un illusorio spazio assoluto, ma rispetto ai corpi costituenti l'universo e cioè le stelle fisse. Inoltre la stessa
inerzia del nostro corpo esiste solo in virtù del fatto che vi è altra materia nell'universo. (692)
Il riferire i moti alle stelle fisse era già presente in Newton ma egli preferì non affidare la sua meccanica ad un
FISICA/MENTE
qualcosa che poteva avere il carattere del provvisorio: (693) per questo introdusse lo spazio assoluto. Ma Mach
osservava che bisogna rifarsi al fattuale e per ora di spazio assoluto non vi è necessità, mentre disponiamo delle stelle
fisse. Con l'avvertenza che: (694)
"fino a che punto l'ipotesi delle stelle fisse possa valere anche in futuro, resta naturalmente da stabilire."
Insomma la meccanica è nata in un determinato contesto in cui sarebbe stato possibile, secondo Mach, utilizzare
criteri antieconomici. Oggi è necessario prendere atto che molte delle affermazioni del passato debbono essere riviste.
Gli stessi fondamenti della meccanica, nella visione di Poincaré accettata da Mach, non sono altro che delle
"convenzioni che avrebbero potuto essere diverse."
Del resto, secondo Mach,
" Tutta la scienza ha lo scopo di sostituire, ossia di economizzare esperienze mediante la riproduzione e
l'anticipazione di fatti nel pensiero. Queste riproduzioni sono più maneggevoli dell'esperienza diretta e sotto certi
rispetti la sostituiscono. Non occorrono riflessioni molto profonde per rendersi conto che la funzione economica della
scienza coincide con la sua stessa essenza ... Non riproduciamo mai i fatti nella loro completezza, ma solo in quei
loro aspetti che sono importanti per noi, in vista di uno scopo nato direttamente o indirettamente da un interesse
pratico." (695)
Ma allora, si potrebbe obiettare, come mai, proprio nelle parole dello stesso Mach, una volta la scienza poteva essere
antieconomica ? Una possibile risposta sembra adombrare quanto viene più o meno decisamente negato da molti
fisici ed epistemologi del nostro tempo (e non solo): La scienza è determinata dal modo di produzione e, nell'epoca di
Mach, in connessione con un enorme sviluppo economico (l'età dell'imperialismo), alla scienza si richiede proprio
economicità, efficienza. (696) Questo concetto è ben espresso dallo stesso Mach nelle ultime pagine della sua
Meccanica: (697)
"La divisione del lavoro, la specializzazione di un ricercatore in un piccolo dominio, l'esplorazione di questo dominio
perseguita come compito di tutta una vita sono condizioni necessarie per un fruttuoso progresso scientifico." (698)
Ritornando alla concezioni di Mach sulla meccanica ed in particolare ai rapporti di essa con la fisica, il nostro arriva
alla conclusione che, in questo contesto di economicità della scienza, occorre smetterla di voler interpretare tutto con
la meccanica:
FISICA/MENTE
"Non esistono fenomeni puramente meccanici. Quando delle masse si comunicano accelerazioni reciproche, in
apparenza vi è solo un fenomeno di moto, ma in realtà a questo moto sono legate variazioni termiche, magnetiche ed
elettriche che, nella misura in cui si producono, modificano quel fenomeno ... Volendo parlare con precisione, ogni
fenomeno appartiene a tutti i domini della fisica, che sono distinti l'uno dall'altro per ragioni convenzionali, per
ragioni fisiologiche o anche per ragioni storiche.
La concezione secondo cui la meccanica è il fondamento di tutte le altre parti della fisica, e perciò tutti i fenomeni
fisici devono essere spiegati meccanicamente, è per noi un pregiudizio. La conoscenza più antica in ordine di tempo
non deve necessariamente restare il fondamento dell'intelligibilità di ciò che è scoperto più tardi ... Dobbiamo
limitarci all'espressione del fattuale senza costruire ipotesi su ciò che sta al di là di questo, e non può essere
conosciuto e verificato ...
Le ipotesi meccaniciste non costituiscono un effettivo risparmio di concetti scientifici ... Quando un'ipotesi ha
facilitato per quanto è possibile, l'acquisizione di fatti nuovi sostituendo ad essi idee già familiari, ha esaurito la sua
funzione. E' un errore credere che le ipotesi possano spiegare i fatti meglio di quanto facciano i fatti stessi." (699)
La serrata, puntuale e, molto spesso, profonda critica di Mach alla meccanica ebbe certamente molta influenza
sul suo tempo. In particolare le critiche allo spazio, al tempo ed al moto, direttamente od indirettamente, andavano
prefigurando i profondi rivolgimenti.che avrebbero scosso la fisica in quegli anni, soprattutto con la nascita e
l'affermazione della relatività einsteniana.
Ma vi sono altri aspetti dell'opera di Mach che non possono essere sottaciuti, anche se non potremo occuparci di
essi con lo spazio che richiederebbero.
Innanzitutto, secondo Mach, la nostra conoscenza del mondo è basata sulle sensazioni che ci provengono
dall'esperienza: alla logica del nostro pensiero sta l'ordinare queste sensazioni in una scienza. Solo con le sensazioni
possiamo rapportarci alla realtà, che ci circonda; è con l'esperienza che nasce la conoscenza in quanto l'esperienza ci
fornisce le sensazioni da ordinare. I fenomeni sono quindi un insieme di interrelazioni tra l'osservatore e le cose
osservate; in qualche modo è la soggettività dell'osservatore che determina il fenomeno (idealismo soggettivo). Anche
se Mach più volte afferma che egli non vuole costruire un sistema filosofico, nei fatti, quanto abbiamo ora detto è la
negazione dell'esistenza di ogni realtà al di fuori dell'esperienza, è la negazione dell'esistenza del mondo in sé di Kant:
quando non possiamo rapportarci al mondo con l'esperienza, che ci fornisce le sensazioni, nulla possiamo dire
sull'esistenza del mondo stesso. Questa corrente di pensiero rappresenta uno dei due filoni principali del più generale
fenomenismo e va sotto il nome di empiriocriticismo; (700) esso, per certi versi (economicità della scienza), si
FISICA/MENTE
richiama al positivismo e, per altri (non esistenza di leggi generali, di fenomeni generali, ma solo di casi particolari),
al nominalismo. Mach fu il fondatore ed il principale esponente dell'empiriocriticismo; (701) egli, come abbiamo
visto, ebbe come obbiettivo principale della sua polemica il meccanicismo e, più in particolare, la sua metafisica
materialistica. Ebbene, se da una parte ciò riscosse l'approvazione di molti scienziati e studiosi del suo tempo (e non
solo), (702) dall'altra il tentativo di assimilare meccanicismo con materialismo e di spostare quindi la polemica
contro il. materialismo, trovò diversi e qualificatissimi oppositori tra i quali, Boltzmann, Planck e lo stesso Lenin.
C'è un punto da distaccare in quel che abbiamo fin qui detto. La negazione di ogni realtà al di fuori dell'
esperienza porterà Mach a schierarsi su una posizione decisamente antiatomistica. Alla domanda "cos'è un atomo ?",
egli era solito rispondere con "mai visto uno". Ma, al di là di questo aneddoto, la polemica di Mach era incentrata sul
fatto che alcuni atomisti non usavano gli atomi come semplici ipotesi ma assegnavano ad essi una realtà fisica; realtà
che, in accordo con le premesse di Mach, doveva essere rifiutata in quanto gli atomi non cadono sotto i nostri sensi.
Allo stesso modo, l'assegnare agli elettroni della teoria di Lorentz una realtà era tenacemente combattuto da Mach.
(704)
Ma la polemica di Mach doveva riguardare ogni aspetto che avesse riguardato il meccanicismo e così anche la
causalità, intesa come un tipico strumento di quel meccanicismo che si attaccava su tutti i fronti, divenne soggetto di
una dura critica da parte di Mach. (705) Così scriveva Mach: (706)
"Quando parliamo di causa e di effetto, noi mettiamo arbitrariamente in evidenza quegli aspetti, sul cui rapporto
poniamo attenzione in vista di un risultato per noi importante. Ma nella natura non vi è né causa né effetto ... Il
carattere essenziale della connessione causa-effetto esiste solo nell'astrazione che compiamo allo scopo di
riprodurre i fatti (707) ... Si può dire che c'è una categoria dell'intelletto sotto la quale è sussunta ogni nuova
esperienza, purché si riconosca che essa ha avuto origine dall'esperienza. L'idea della necessità del rapporto causaeffetto ha probabilmente la sua prima origine ... dall'osservazione dei nostri movimenti volo ntari e dei mutamenti
che provochiamo con essi nell'ambiente circostante ... Causa ed effetto sono enti mentali aventi una funzione
economica. Alla domanda perché essi esistano, è impossibile rispondere, per il fatto che proprio astraendo da ciò che
e uniforme abbiamo imparato a chiedere perché."
In definitiva, per Mach, la causa indica la necessità di un dato effetto; ma noi non ci imbattiamo mai nelle necessità;
esse non ci sono mai offerte dalla natura, esulando dalla nostra esperienza. Secondo Mach, il concetto matematico di
funzione può utilmente sostituire l'inesistente dipendenza causa-effetto. (708)
Concludendo su Mach occorre ricordare che, nonostante il complesso delle sue posizioni, che abbiamo fin qui
FISICA/MENTE
cercato di riassumere, egli non rinuncia alla possibilità di una visione unificata delle scienze. E, nella sua visione, è la
termodinamica, soprattutto là dove introduce il concetto di irreversibilità, estraneo alla meccanica, che può proporsi
come possibile fisica unificatrice di tutte le scienze. Ed in questo Mach converge con la tesi di fondo dell'energetica,
altro filone del fenomenismo, del quale andiamo ora ad occuparci.
8 - LA POSIZIONE DI OSTWALD E DUHEM: L'ENERGETISMO. LA
TERMODINAMICA ALLA BASE DI UNA NUOVA FISICA. LE POSIZIONI DI
BOLTZMANN E POINCARE'.
II primo che tentò di costruire una fisica fondata sulla termodinamica, sull'onda del successo del lavoro di
Helmholtz Sulla conservazione della forza, fu il fisico britannico W.J.M. Rankine (1820-1872). (710) Nel suo
Lineamenti di una scienza dell'energetica (1855), egli sostenne che il metodo più proficuo per conoscere la natura è
quello che si affida ad astrazioni che sono in grado di essere formalizzate per condurci alla scoperta di principi
generali. La termodinamica, nella quale l'energia gioca il ruolo più importante perché da essa dipendono i
cambiamenti, è il migliore strumento che può servire alla conoscenza della natura. In definitiva, per Rankine, la
scienza energetica è il sistema teorico più generale per la conoscenza del mondo naturale che ci circonda.
La tesi di Rankine venne ripresa dal fisico tedesco G. Helm (1851-1923) il quale, nel suo Lezioni sull'energia
(1877), sostenne, in accordo in questo con Mayer, che tutte le forme di energia sono equivalenti, togliendo in questo
modo un qualche ruolo privilegiato all'energia meccanica. E poiché tutte le forme di energia sono equivalenti, la
materia, che in meccanica è il veicolo di trasmissione dell'energia, perde il suo ruolo centrale (Helm aveva buon gioco
a sostenere questa tesi soprattutto a partire dal 1886, dopo le prime esperienze di Hertz). In questo quadro esplicativo
veniva, rifiutata l'idea di atomo e di corpuscolo e quindi di ogni descrizione modellistica. Per fare scienze, occorre
osservare i fenomeni cercando delle relazioni matematiche tra le diverse osservazioni senza introdurre ipotesi; le
stesse osservazioni, comunque, non hanno mai una validità assoluta. (711) Scriveva Helmt: (712)
"Per la fisica teorica generale non vi sono né atomi né energia, né nulla di simile, ma solo esperienze tratte
immediatamente da gruppi di osservazioni. Perciò penso che il maggior pregio dell'energetica consista nella sua
facoltà di adattarsi in modo immediato alle esperienze, molto più di quanto non potessero farlo le vecchie teorie."
Dopo questi brevi cenni agli iniziatori, arriviamo al più noto rappresentante dell'energetica, il chimico-fisico
FISICA/MENTE
tedesco W. Ostwald (1853-1932). (713) Egli avanza delle idee addirittura più radicali di quelle di Helm: non solo
l'energia è la base di tutti i fenomeni naturali, ma essa. è addirittura una sorta di nuova sostanza. (714) In una sua
opera, L'energia (1908), che ebbe una notevolissima influenza sugli scienziati del tempo, egli formula così le sue
concezioni;
"Si intende per energetica lo sviluppo dell'idea secondo la quale tutti i fenomeni della natura debbono essere
concepiti e rappresentati come delle operazioni effettuate sulle diverse energie. La possibilità di una simile
descrizione della natura, non poté essere immaginata che quando fu scoperta la proprietà generale che possiedono le
diverse forme di energia di potersi trasformare le une nelle altre. Robert Mayer fu dunque il primo che poté prendere
in considerazione questa possibilità.
Fino a lui tutti gli scienziati aderivano alla concezione meccanicista, cioè all'idea che i fenomeni naturali sono tutti,
in ultima analisi, di natura meccanica, il che vuol dire che possono essere ricondotti a dei movimenti della materia.
Là dove non si poteva dimostrare l'esistenza di questi movimenti, come nel caso del calore e dell'elettricità, si
ammetteva che essi si producessero negli atomi, cioè in particelle così piccole da sfuggire all'osservazione diretta ...
L'ipotesi meccanicista ha due inconvenienti molto grandi; in primo luogo essa obbliga ad adottare un gran numero
d'altre ipotesi indimostrabili, quindi essa è impotente a farci comprendere il legame che esiste incontestabilmente,
dal momento che lo constatiamo giornalmente, tra i fenomeni fisici nel senso stretto del termine ed i fenomeni
psicologici...
Ora, sono le teorie meccaniche tali da poter essere applicate in un modo sufficientemente generale ? Ebbene no, non
c'è dubbio che esse non lo sono. Bisogna in primo luogo far notare che tra i fenomeni a noi conosciuti non ce ne sono
che pochi (la maggioranza dei fenomeni astronomici) che soddisfano alle leggi meccaniche ... Noi spieghiamo questo
fatto mediante l'attrito. Il problema che allora si pone è di far rientrare i fenomeni d'attrito nelle leggi meccaniche ...
Un'altra strada fu seguita da R. Mayer. Essa consisteva nel considerare i fenomeni meccanici come semplici casi
particolari delle generali trasformazioni dell'energia, che sottostanno tutte alla legge di conservazione."
Se non si sceglie questa strada, com'è possibile, secondo Ostwald, dar conto dell'elettricità statica ? Dove stanno qui i
movimenti ?
"Questo problema è nato unicamente dall'ipotesi arbitraria che si abbia a che fare con un fenomeno meccanico,
quando esso non lo è affatto. Esso è, con tutta la forza del termine, uno pseudoproblema, per usare un'espressione
FISICA/MENTE
molto corretta di E. Mach ...
Di fronte alla concezione meccanicista si erge quella di Mayer, che noi chiamiamo la concezione energetica poiché
essa si fonda essenzialmente sulla nozione di energia ... Non è possibile caratterizzare in modo migliore il metodo
dell'energetica; essa estrae dai fenomeni le proprietà delle differenti specie di energia, e generalizza queste proprietà
per mezzo dell'induzione ...
Così si deve considerare Robert Mayer come il primo degli energetisti. Ai suoi occhi, l'energia è un oggetto reale, ed
egli la colloca come tale, a lato della materia, dalla quale, per lui, si distingue per la sua imponderabilità ...
Un tratto che contribuisce a fare di Mayer un vero energetista, un energetista con spirito moderno, è la sua
avversione per le ipotesi."
Con queste parole Ostwald traccia il nucleo centrale dell'energetica. Ma, come abbiamo visto per Mach, la polemica
contro il meccanicismo non si ferma qui: essa tende a diventare dura polemica contro tutto il materialismo. (716 bis)
Nel 1895, al congresso dei medici e naturalisti che si tenne a Lubecca, Ostwald lesse una comunicazione dal
titolo, molto significativo, Il superamento del materialismo scientifico. Tra le altre cose Ostwald disse:
"La materia è un'invenzione, del resto abbastanza imperfetta, a cui facciamo ricorso per rappresentarci quanto vi è
di permanente in tutto ciò che accade. La realtà effettiva, quella che opera su di noi, è l'energia, [inoltre]
l'irreversibilità di fatto dei fenomeni effettivi della natura dimostra che vi sono processi i quali non sono descrivibili
mediante equazioni meccaniche, e con ciò il verdetto sul materialismo scientifico è deciso."
Ed Helm, presente a quel congresso, nello scrivere la sua cronaca (l898), coglie bene i livelli e l'intensità dello
scontro, che non erano banalmente legati a questa o a quella teoria, ma ad un modo nuovo o almeno diverso di fare
scienza e, più in generale, ad una diversa concezione del mondo. Scrive Helm: (719)
"Nella polemica che si accese a Lubecca non si trattava di atomismo o di spazio occupato da materia continua, non
della irreversibilità nella termodinamica, o dei fondamenti energetici della meccanica. Queste sono tutte bazzecole.
Si trattava in realtà dei principi della nostra conoscenza della natura."
Anche A. Sommerfeld (l868-195l) era presente a quel congresso e così descriveva (1944) la situazione: (720)
FISICA/MENTE
"Il campione dell'energetica era Helm, dietro di lui stava Ostwald e dietro entrambi la filosofia di Ernst Mach (che
non era presente di persona). A loro si opponeva Boltzmann, assecondato da Felix Klein. (721) La battaglia tra
Ostwaid e Boltzmann fu molto simile ad un duello tra un toro ed un agile torero. Tuttavia, questa volta il toro
sconfisse il torero nonostante la sua agilità.
Gli argomenti di Boltzmann non trovarono resistenza. Noi giovani matematici eravamo tutti dalla parte di
Boltzmann; fu subito ovvio per noi che era impossibile che da una sola equazione per l'energia potessero seguire le
equazioni del moto anche di un solo punto materiale."
Spero si intuisca da quanto qui brevemente riportato a che livello e con che asprezza ci si scontrava.
La tesi di Ostwald e di tutta la corrente fenomenista, che vedeva Boltzmann praticamente solo a tentare una
qualche opposizione, era sostanzialmente la seguente.
Molti fenomeni fisici e, si noti l'accostamento, psicologici, non sono spiegabili con la meccanica. In particolare,
e qui si ritorna ad una obiezione che Loschmidt fece a Boltzmann, (722) "l'irreversibilità termodinamica non può
essere spiegata dalla meccanica che ha delle equazioni che risultano completamente reversibili. Inoltre il complesso
dei fenomeni elettromagnetici non è riconducibile ad una interpretazione meccanicista. Ed in definitiva, secondo
Ostwald, tutta l'enorme varietà dei nuovi fenomeni sfuggono ad una interpretazione meccanica a meno di supporre
strane entità, come gli atomi, delle quali non si ha nessun indizio sperimentale o a delle ipotesi (723) che sfuggono a
qualunque verifica sperimentale. Il rifiuto della meccanica e dei suoi metodi comporta il rifiuto dei fondamenti della
meccanica ed in particolare di quella entità, la materia, che non è altro che una particolare energia che noi percepiamo
come materia con i nostri sensi. Tutto ciò che ci circonda non è altro che energia. Noi abbiamo a che fare con
differenti forme di energia che si trasformano l'una nell'altra facendo salvi i principi di conservazione e di
degradazione (l° e 2° principio della termodinamica). L'energia è alla base di tutto, anche dei fenomeni psicologici. In
particolare: (7 24)
"Ciò che udiamo trae origine dall'azione esercitata sul timpano dalle vibrazioni dell'aria. Ciò che vediamo è soltanto
energia raggiante che esercita sulla retina un'attività chimica, la quale viene percepita come luce ... Da questo punto
di vista la totalità della natura ci si presenta come una serie di energie continuamente mutevoli nel tempo e nello
spazio, delle quali abbiamo conoscenza nella misura in cui percuotono il nostro corpo, e specialmente gli organi di
senso dotati di una forma adatta a ricevere le energie appropriate."
Ma, con ancora maggiore chiarezza, l'energetica è la panacea che fa comprendere all'uomo tutto ciò che durante secoli
FISICA/MENTE
si è affannato a cercare di conoscere: (725)
"Il materialismo è incapace di rispondere alla questione di sapere come il corpo può arrivare a produrre lo spirito,
che differisce totalmente da esso, e lo spiritualismo è impotente a confutare l'obiezione che il mondo, per il solo fatto
che non si conforma alla nostra volontà, ma continua, molto spesso a nostre spese, per la sua strada, non dovrebbe
essere una creazione del nostro spirito.
L'energetica permette, a mio avviso, di uscire da tutte queste difficoltà in una sola volta ed in un modo del tutto
naturale, grazie al fatto che essa ha distrutto l'idea di materia ... Non bisogna più preoccuparsi di come lo spirito e la
materia possano agire l'una sull'altra; la questione che bisogna risolvere è quella di sapere in quale relazione la
nozione di energia, che è molto più ampia di quella di materia, si incontri con la nozione di spirito."
In definitiva, mediante l'introduzione dell'energia nervosa e di quella psichica, Ostwald riconduce la psicologia
all'energetica. Così "la coscienza ha delle basi energetiche" ed anche la sociologia, intesa come rapporto tra individui,
può essere ricondotta all'energetica. (726)
Su queste basi Ostwald metteva in discussione le ipotesi non verificabili dei meccanicisti. Una metafisica
dell'energia! E quel che più conta è il grande seguito che queste idee avevano. (727)
Ma ancora più rilevante è l'estrapolazione che veniva fatta e che rispondeva a questa successione: fallimento
del meccanicismo; la materia non esiste; (728) superamento del materialismo nell'interpretazione del mondo.
Ed in questo vi fu una netta e chiara convergenza delle due correnti del fenomenismo: l'empiriocriticismo e
l'energetica. L'empiriocriticismo forniva all'energetica la critica puntuale, attenta e precisa della meccanica;
l'energetica forniva all'empiriocriticismo l'unificazione della scienza sulla base della termodinamica. Ambedue si
incontravano sull'antimaterialismo.
C'è un ultimo aspetto delle concezioni di Ostwald al quale bisogna accennare poiché riguarda uno degli
argomenti al quale abbiamo dedicato varie pagine: il ruolo dell'etere nella visione fenomenista. In un suo scritto del
1903, Energia e chimica, così si esprimeva Ostwald: (729)
"Io non credo che l'ipotesi di questo mezzo, l'etere, sia inevitabile ... Non c'è necessità di cercare un portatore quando
l'incontriamo dappertutto. Questo ci pendette di considerare l'energia raggiante come qualcosa che esiste
indipendentemente nello spazio."
FISICA/MENTE
Ma qui ci troviamo nel pieno di ipotesi in libertà, formulando le quali nulla è dato per la loro verifica sperimentale e,
quantomeno, non si capisce bene perché vengano formulate se non per servire da completamento della tesi di fondo.
Questa negazione dell'etere ha, se possibile, un valore ancora minore della sua affermazione. Così come quando
Ostwald prende a prestito l'affermazione di Hertz (ben altrimenti motivata !) sul fatto che "la teoria di Maxvell è il
sistema delle equazioni di Maxwell": in questo non c'è altro che la volontà di screditare l'elaborazione maxwelliana
che, come abbiamo visto, almeno in una prima fase, era strettamente legata agli strumenti ed ai metodi del
meccanicismo (le analogie, i modelli, ... ). Del resto abbiamo già accennato al giudizio che un altro fenomenista, il
fisico francese M.P. Duhem (1861-1916), dava dei lavori di Maxwell. Ed anche Duhem afferma che "ciò che c'è
d'essenziale nelle teorie di Maxwell sono le equazioni di Maxwell." (730)
Ma, poiché sono inaccettabili i metodi che hanno portato Maxwell a ricavare le sue equazioni, sarà almeno
possibile, si domanda Duhem, mantenerle come punto di partenza per ricavare nuove teorie ?
Ciò sarebbe lecito ad un matematico ma non ad un fisico poiché il fisico non può prescindere dall' "insieme delle
ipotesi e dei ragionamenti con i quali è giunto alle equazioni in questione." Si nega quindi, oltreché i
risultati sperimentali, quanto sostenuto da Hertz. Non è vero che due teorie sono equivalenti, se conducono agli stessi
risultati; occorre tener conto anche dei ragionamenti, delle ipotesi e dei metodi che hanno condotto a quei risultati.
Così Duhem può continuare:
"Non si possono dunque adottare le equazioni di Maxwell se non si ricavano da una teoria dei fenomeni elettrici e
magnetici; e poiché queste equazioni non s'accordano con la teoria classica, che discende dai lavori di Poisson, sarà
necessario respingere questa teoria classica, di rompere con la dottrina tradizionale e di creare con delle nozioni
nuove, su delle ipotesi nuove, una teoria nuova dell'elettricità e magnetismo."
C'è qualcuno che abbia tentato questa strada ? Certamente, si risponde Duhem, e questi è Boltzmann il quale è
riuscito a ricavare le equazioni di Maxwell "in un modo logico". (731)
Ma Duhem ha ancora dei dubbi, soprattutto perché:
"Se per ricavare le equazioni di Maxwell in un modo logico, seguiamo i metodi proposti dal Sig. Boltzmann, ci
vediamo costretti a dover abbandonare in parte l'opera di Poisson e dei suoi successori ... una delle parti, cioè, più
precise e più utili della fisica matematica. D'altra parte, per salvare queste teorie, dobbiamo rinunciare a tutte le
FISICA/MENTE
conseguenze della teoria di Maxwell e, in particolare, alla più seducente di queste conseguenze, alla teoria
elettromagnetica, della luce ?"
Anche Poincaré, del resto, ha notato l'impossibilità di rinunciare alla teoria elettromagnetica della luce. Come
risolvere il problema ? Come venir fuori dal dilemma ? Ebbene, secondo Duhem, c'è un'altra teoria che ci permette di
superare ogni difficoltà: si tratta della teoria di Helmholtz, esposta nel suo lavoro del 1870, Sulle equazioni del
movimento dell'elettricità per corpi conduttori in moto (che già abbiamo discusso nel paragrafo 3 di questo capitolo).
Questa teoria, sempre secondo Duhem, permette di conciliare logicamente l'antica elettrostatica, il vecchio
magnetismo e la nuova teoria della propagazione delle azioni elettriche in mezzi dielettrici. Questa teoria
"è un ampliamento naturale dei lavori di Poisson, d'Ampère, di Weber e di Neumann ... ; senza perdere nessuna delle
recenti conquiste della scienza elettrica, essa ristabilisce la continuità della tradizione."
Insomma, per Duhem, occorre ripristinare la tradizione. Per far questo occorre ritornare ad Helmholtz che, se da una
parte è quello che ha dato il via alla energetica con il suo lavoro del 1847, Sulla conservazione della forza, dall'altra è
certamente un atomista che vede appunto la corrente elettrica come flusso di corpuscoli. Il fenomenista Duhem
ammette quindi le particelle che la sua corrente di pensiero respinge in modo deciso ? Certamente che no, anche se
la logica, da Duhem più volte reclamata, ne soffre un poco. Nel suo Introdu zione alla Meccanica Chimica (l893),
Duhem sostiene: (732)
"Perché cercare di sostituire delle costruzioni meccaniche ai corpi ed alle loro modificazioni, invece di considerarli
per come i sensi ce li offrono, o piuttosto per come la nostra capacità di astrazione, lavorando sui dati sensibili, ce li fa
concepire ? ... Perché immaginarsi i cambiamenti di stato come degli spostamenti, delle giustapposizioni di molecole,
dei cambiamenti di traiettoria, invece di caratterizzare un cambiamento di stato per il turbamento che provoca rispetto
alle proprietà sensibili e misurabili di un corpo ... ? ...
Queste riflessioni conducono a rovesciare il metodo finora seguito in fisica; ... la teoria migliore sarà quella che non
farà entrare nei suoi ragionamenti altre nozioni che non quelle che hanno un senso fisico, che siano direttamente
misurabili ... ; quella che non prenderà come principi che delle leggi di origine sperimentale ... ; quella che si proporrà
come fine non di spiegare i fenomeni ma di classificarli"
e tutto questo, osservo io, con buona pace di Galileo e di tutti coloro che si sono battuti contro l'aristotelismo. (733)
FISICA/MENTE
Ma c'è di più. Occorre far risaltare quanto già annunciato: la coerenza logica di Duhem. Da una parte si
ammettono le non sperimentabili particelle di Helmholtz, per rendere conto di ciò che della teoria di Maxwell
interessa a Duhem, al fine di affermare la tradizione e la sua continuità nella fisica. Dall'altra si afferma la necessità di
rovesciare il metodo finora seguito in fisica rinunciando a tutto ciò che come gli atomi non è né misurabile né
sperimentabile.
Anche Duhem poi sente l'esigenza di trovare una scienza che si ponga come unificatrice rispetto alla fisica. E
questa scienza è naturalmente la termodinamica, che ci permette di descrivere logicamente il mondo che ci circonda
su una base perfettamente sperimentabile. In questo senso dunque Duhem si pone come uno tra i più convinti
sostenitori dell'energetica anche se, per il vero, non raggiunge gli eccessi metafisici e fanatici di Ostwald (situandosi
più vicino a Mach che non allo stesso Ostwald). Anche Duhem avrà quindi una grossa parte nella polemica
antimeccanicista, sull'altro fronte della quale si batteva, come già ricordato, il fisico austriaco L. Boltzmann.
Questi, subito dopo il congresso di Lubecca, introdusse alcuni brani significativi nel suo Lezioni sulla teoria dei
gas (Lipsia, 1896-1898). Scriveva Boitzmann: (734)
"Sono convinto che questi attacchi sono basati puramente su un malinteso e che il ruolo della teoria dei gas nella
scienza non sia ancora esaurito ... Secondo me sarebbe una grande tragedia per la scienza se la teoria dei gas fosse
temporaneamente dimenticata a causa di un momentaneo atteggiamento ostile verso di essa."
Del resto Boltzmann aveva sempre inteso che gli atomi non fossero altro che un'ipotesi, aggiungendo la
considerazione (l886) che "forse, un giorno, l'ipotesi atomica sarà sostituita da qualche altra ipotesi: ma non è molto
probabile che ciò accada." (735) Ed inoltre egli era convinto che :
"noi ricaviamo l'esistenza delle cose unicamente dalle impressioni che esse incidono sui nostri sensi." (736)
Conseguentemente, per fare scienza:
"la via più diretta dovrebbe essere quella di partire dalle nostre sensazioni immediate per dimostrare come, per
mezzo di esse, abbiamo ottenuto conoscenza dell'universo. Tuttavia, poiché questa via non sembra condurci al nostro
scopo, dobbiamo seguire la via opposta, che è quella della scienza naturale." (737)
Quindi Boltzmann contrappone il dato immediato dei nostri sensi al dato mediato della scienza naturale e ciò a causa
del fatto che non s'intravede ancora il modo di fare scienza con il solo dato sensoriale immediato. Inoltre, per far
FISICA/MENTE
scienza occorre una metodologia che sfrutti tutto quanto sia utile all'elaborazione teorica (analogie, modelli, ... ),
fatta salva la verifica sperimentale. Molto lucidamente scriveva Boltzmann: (738)
"II compito principale della scienza è precisamente quello di costruire delle immagini che servano a rappresentare
un insieme di fatti in modo tale che si possa predire da questi l'andamento di altri fatti simili. Naturalmente si intende
che la previsione deve essere sempre verificata sperimentalmente. Probabilmente essa sarà verificata solo in parte.
Vi è allora una speranza che si possano modificare e perfezionare le immagini in modo tale che esse rendano conto
anche dei nuovi fatti."
In questo contesto una teoria meccanica ( e non una spiegazione meccanica) ha senso solo se è in grado di fornirci
"le leggi più semplici possibili" mentre la, fenomenologia non è altro che una pura illusione. Aggiungeva Boltzmann:
(739)
"La fenomenologia ha creduto di poter rappresentare la natura senza, in alcun modo, andare al di la dell'esperienza,
ma io penso che questa sia un'illusione. Nessuna equazione rappresenta con accuratezza assoluta un qualsiasi
processo, ma lo idealizza sempre sottolineando certi aspetti comuni a più processi e trascurando ciò che è differente,
andando in tal modo al di là dell'esperienza. E che ciò sia necessario, se vogliamo avere una qualche idea la quale ci
permetta di predire un qualcosa nel futuro, discende dalla natura dello stesso processo intellettuale, che consiste
appunto nell'aggiungere un qualcosa all'esperienza e nel creare una rappresentazione mentale che non è esperienza
e che può pertanto rappresentare molte esperienze." (740)
La posizione di Boltzmann è dunque in netta opposizione alla fenomenologia del suo tempo: occorre trascendere
l'esperienza per poter avere una visione più generale del mondo che ci circondar e più andiamo al di là dell'esperienza
e "più sono sorprendenti i fatti che riusciamo a scoprire." Ma, avverte Boltzmann, l'andare al di là dell'esperienza in
modo troppo audace può indurci in qualche errore. "La fenomenologia pertanto non dovrebbe vantarsi di non andare
al di là dell'esperienza, ma dovrebbe invece, semplicemente, dice Boltzmann, ammonire a non comp iere eccessi in
tal senso." Ed in definitiva, ribadisce il nostro, (741)
"i migliori risultati si otterranno, senza dubbio, se potremo sempre fare uso di ogni immagine che sia necessaria,
senza trascurare di mettere le immagini alla prova ad ogni passo, nei confronti di nuove esperienze.
Inoltre in questo modo non si sopravvaluteranno i fatti, essendo accecati dall'immagine, come spesso si argomenta
contro gli atomisti. Ogni teoria, di qualunque tipo essa sia, porta ad una simile forma di cecità qualora sia seguita in
modo troppo unilaterale."
FISICA/MENTE
Certamente Boltzmann era sostenuto, nel portare avanti le sue tesi, proprio dall'esperienza, da quanto cioè si andava
realizzando, con la forza dell'ipotesi, in quegli anni (si pensi a Maxwell, a Lorentz, ... ); altrettanto certamente egli era
convinto della necessità di non produrre rotture radicali con il passato: l'unità concettuale della fisica andava
mantenuta e questo non era certamente garantito dal fenomenismo e tanto meno dall'energetica. E' una posizione di
grande onestà intellettuale quella di Boltzmana che si batte, tra l'altro, per dare un senso alla ricerca scientifica. Nella
conferenza di St. Louis del 1904, della quale abbiamo già parlato, Boltzmann sostenne una posizione metodologica
che, sfortunatamente ed efficientemente, la ricerca fisica del nostro secolo non farà sua: (742)
"Gli scienziati sono ora propensi a mostrare una spiccata predilezione per discutere tesi filosofiche, ed hanno tutte le
ragioni per farlo. Una delle prime regole per la ricerca sulla natura è infatti quella secondo la quale non bisogna
mai prestare una fiducia cieca nella verità con gli strumenti con i quali si lavora, ma bisogna invece analizzarli in
tutte le direzioni ... Se un progresso reale è possibile, lo si può attendere solamente da una collaborazione tra
scienza e filosofia." (743)
E su questa illusione, che si dovrà scontrare con i bisogni di efficienza che vengono indotti nella fisica dalle necessità
produttive si chiuderà, col suicidio, la vita di Boltzmann (1906).
Proprio nell'anno della morte di Boltzmann, Duhem, nel suo lavoro La teoria fisica (1906), sosteneva: (744)
"Queste due domande:
Esiste una realtà materiale distinta dalle apparenze sensibili ?
Di quale natura è questa realtà ?
non entrano affatto nel campo del metodo sperimentale; quest'ultimo non conosce altro che delle apparenze sensibili
e non sa scoprire ciò che le supera. La soluzione di tali domande è trascendente rispetto ai metodi di osservazione di
cui fa uso la Fisica, ed è oggetto della Metafisica.
Pertanto, se le teorie fisiche hanno come oggetto la spiegazione delle leggi sperimentali, la Fisica teorica non è una
scienza autonoma: essa è subordinata alla Metafisica."
In questo duro scontro tra posizioni radicalmente diverse, si inserisce la posizione epistemologica di H.
FISICA/MENTE
Poincaré, che ridiscusse i fondamenti di tutti i capitoli più rilevanti della fisica, a partire naturalmente dalla
meccanica. Ne La scienza e l'ipotesi Poincaré inizia con l'osservazione che occorre ben distinguere, nella meccanica,
"ciò che è esperienza e ciò che è ragionamento matematico, ciò che è convenzione e ciò che è ipotesi". Quindi, dopo
aver sottolineato che: (745)
"non vi è spazio assoluto e noi concepiamo solo moti relativi ... ; non vi è tempo assoluto ... [e due durate sono uguali
solo] per convenzione; ... non abbiamo [l'intuizione diretta] della simultaneità di due avvenimenti producentisi in due
teatri diversi; ... la nostra geometria euclidea non è che una specie di convenzione di linguaggio [e quindi] possiamo
enunciare i fatti meccanici, riferendoli ad uno spazio non euclideo",
con la conseguenza che i concetti suddetti "non sono condizioni che s'impongono alla meccanica", Poincaré passa a
discutere i principi della meccanica.
Riguardo al primo principio, quello d'inerzia, esso "non s'impone a noi a priori" inoltre è impossibile verificarlo
sperimentalmente poiché è impossibile, in tutto l'Universo, disporre di "corpi sottratti all'azione di ogni forza".
Poincaré propone quindi di sostituire il principio d'inerzia con una legge d'inerzia generalizzata avente il seguente
enunciato: (746)
"l'accelerazione di un corpo dipende dalla posizione del corpo stesso, dai corpi vicini e dalla loro velocità."
Questa nuova legge è certamente quella con cui si è avuto a che fare in tutti i casi in cui si è dovuto fare una misura e
quindi essa è stata verificata sperimentalmente in alcuni casi particolari. Inoltre essa
"può essere estesa senza timore ai casi più generali, poiché sappiamo che in tali casi generali l'esperienza non può
più né confermarla, né contraddirla." (747)
Riguardo poi al secondo principio, Poincaré dice che così come esso è definito, basato cioè sul concetto di forza
come causa di accelerazioni di date masse, è privo di significato perché non sappiamo né cos'è la massa né cos'è la
forza. Quindi, "quando si dice che la forza è la causa di un movimento si fa della metafisica." (748) Perché la
definizione di forza abbia senso occorre potere e sapere misurare quest'ultima, e per far ciò non c'è altro modo che
passare al confronto diretto di due forze che ci permetta, ad esempio, di stabilire quando esse sono uguali. Per
realizzare questo proposito, secondo Poincaré, disponiamo di tre regole: l'uguaglianza di due forze che si fanno
equilibrio; l'uguaglianza dell'azione e della reazione (terzo principio); l'ammissione che certe forze, come il peso,
sono costanti nella grandezza e nella direzione. Il fatto poi che il principio di azione e reazione debba intervenire nella
FISICA/MENTE
definizione dell'uguaglianza di due forze fa si che
"tale principio non deve essere più considerato come una legge sperimentale ma come una definizione." (749)
Poste così le cose, si può affermare, con Kirchhoff, che la forza è uguale alla massa per l'accelerazione ma, "la legge
di Newton cessa a sua volta di essere considerata una legge sperimentale; è una semplice definizione".
Ed anche come definizione è ancora insufficiente "perché non sappiamo cos'è la massa". Per completarla
occorre di nuovo far ricorso alla definizione di azione e reazione:
"Due corpi A e B agiscono l'uno sull'altro; l'accelerazione di A moltiplicata per la massa di A è uguale all'azione di B
su A; nello stesso modo, il prodotto dell'accelerazione di B per la sua massa è uguale alla reazione di A su B. Poiché,
per definizione, l'azione è uguale alla reazione, le masse di A e di B sono in ragione inversa delle accelerazioni di
questi due corpi. Ecco definito il rapporto delle due masse: spetta all'esperienza verificare che esso è costante."
(750)
Ma anche qui si tratta solo di un'approssimazione, poiché bisognerebbe tener conto delle attrazioni che tutti i corpi
dell'universo esercitano su A e su B. E l'approssimazione è lecita solo se noi ammettiamo l'ipotesi delle forze centrali.
"Ma abbiamo il diritto di ammettere l'ipotesi di forze centrali ?"
Se dovessimo abbandonare questa ipotesi ci troveremmo di fronte al crollo dell'intera meccanica; non sapremmo più
come misurare le masse ed il principio di azione e reazione dovrebbe essere enunciato così:
"Il movimento del centro di gravità di un sistema sottratto ad ogni azione esteriore sarà rettilineo ed uniforme ...Ma
[poiché] non esiste sistema che sia sottratto ad ogni azione esteriore, la legge del movimento del centro di gravità
non è rigorosamente vera, se non applicandola all'universo tutto intero." (751)
Ma in che modo potremmo noi misurare le masse seguendo i movimenti del centro di gravità dell'universo ? La cosa è
manifestamente assurda ed allora siamo costretti a riconoscere la nostra impotenza ricorrendo alla seguente
definizione:
"le masse sono dei coefficienti che è comodo introdurre nei calcoli." (752)
FISICA/MENTE
Insomma, l'esperienza è certamente potuta servire di base ai principi della meccanica ma, poiché questi principi non
sono altro che approssimazioni (e già lo sappiamo), esperienze più precise non potranno aggiungere mai niente a
quanto sappiamo e quindi l'esperienza non potrà mai contraddire questi principi.
Più oltre Poincaré definisce quello che da lui è chiamato il "principio del movimento relativo":
"Il movimento di un sistema qualunque deve ubbidire alle stesse leggi, che si riferiscono a degli assi fissi, o a degli
assi mobili trascinati da un movimento rettilineo ed uniforme." (753)
Ed osserva che?
"Così enunciato il principio del movimento relativo rassomiglia singolarmente a ciò che ho chiamato il principio
dell'inerzia generalizzato; ma non è la stessa cosa, poiché, qui si tratta delle differenze di coordinate, e non delle
coordinata stesse. Il nuovo principio c'insegna dunque qualcosa di più." (754)
Ma poiché, per questo principio si può fare la stessa discussione fatta per il principio d'inerzia generalizzato, ne
consegue che anche esso non può essere né dato a priori, né ricavato come risultato immediato dell'esperienza.
E veniamo ora a quanto Poincaré dice a proposito di energia e termodinamica e di come quindi egli si rapporta
all'energetica. Dice Poincaré: (755)
"La teoria energetica presenta sulla teoria classica i vantaggi seguenti:
1°) Essa è meno incompleta; cioè, i principi della conservacene dell'energia e di Hamiton (756) ci insegnano più
dei principi fondamentali della teoria classica ed escludono certi movimenti non realizzati dalla natura e compatibili
con la teoria classica. 2°)Essa ci dispensa dall'ipotesi degli atomi, quasi impossibile da evitare con la teoria classica.
Ma solleva a sua volta nuove difficoltà: le definizioni di due specie di energia sono appena più facili di quelle della
forza e della massa nel primo sistema."
Inoltre, poiché nella conservazione dell'energia occorre tener conto di tutte le varie forme di energia bisognerà
considerare anche l'energia interna molecolare (Q), sotto forma termica, chimica o elettrica. Così, se indichiamo con
T l'energia cinetica e con U quella potenziale, possiamo scrivere il principio di conservazione dell'energia nella forma
seguente:
FISICA/MENTE
T + U + Q = costante.
"Tutto andrebbe bene se i tre termini fossero assolutamente distinti, se T fosse proporzionale al quadrato della
velocità, U indipendente da queste ultime e dallo stato dei corpi, Q indipendente dalle velocità e dalle posizioni dei
corpi e dipendente soltanto dal loro stato interno ... Ma non è così. Consideriamo dei corpi elettrizzati; l'energia
elettrostatica dovuta alla loro mutua azione, dipenderà evidentemente dalla loro carica, cioè dal loro stato; ma essa
dipenderà anche dalla loro posizione. Se questi corpi sono in movimento, agiranno l'uno sull'altro
elettrodinamicamente e l'energia elettrodinamica dipenderà non soltanto dal loro stato e dalla loro posizione, ma
anche dalle loro velocità. Non abbiamo più dunque alcun mezzo per fare la cernita dei termini che devono far parte
di T, di U e di Q, e di separare le tre parti dell'energia." (757)
L'unica cosa che possiamo dire è allora che vi è una certa funzione
f ( T+U+Q)
che rimane costante e nessuno ci autorizza a ritenere che questa particolare funzione, che si chiamerebbe energia, è
nella forma
T + V + Q = costante.
In definitiva la corretta enunciazione del principio di conservazione dell'energia è: vi è qualcosa che rimane costante.
"Sotto questa forma, esso si trova a sua volta fuori degli attacchi dell'esperienza e si riduce ad una specie di
tautologia. E' chiaro che se il mondo è governato da leggi, vi saranno delle quantità che rimarranno costanti. Come
accade per il principio di Newton e per una ragione analoga, il principio della conservazione dell'energia, fondato
sull'esperienza, non potrà più essere infirmato da essa. Questa discussione mostra che, passando dal sistema classico
al sistema energetico, si è realizzato un progresso; ma essa mostra altresì che questo progresso è insufficiente." (758)
Riguardo poi al principio di minima azione vi è una obiezione ancora più grave. Quando si pensa che, a seguito di
questo principio, una molecola per spostarsi da un punto ad un altro seguirà la linea più breve, sembra quasi che
questa molecola, "come un essere animato e libero", dopo essersi fatta tutti i suoi conti sui possibili cammini, scelga
quello più breve. Ciò ripugna letteralmente Poincaré (quasi che il principio di minima azione fosse dato a priori e non
a posteriori!).
FISICA/MENTE
In ultima analisi, i principi della meccanica, da una parte sono verità fondate su una esperienza grossolana,
dall'altra sono postulati applicabili all'intero universo da considerarsi come veri. Ebbene, se possiamo considerare i
principi della meccanica come postulati è per una semplice convenzione, la quale non è arbitraria ma, come alcune
esperienze ci hanno mostrato, comoda.
Occorre quindi rifarsi a questi principi generali, che sono cinque o sei, (759) poiché la loro
"applicazione ... ai differenti fenomeni fisici basta per insegnarci ciò che ragionevolmente possiamo aspettarci di
conoscere di una cosa ... Questi principi sono il risultato di esperienze sommamente generalizzate, e dalla loro stessa
generalità sembrano acquistare un grado elevato di certezza. In effetti, quanto più generali sono, tanto più
frequentemente si ha l'occasione di metterli alla prova, e moltiplicandosi le verifiche, assumendo le forme più diverse
e più insperate, finiscono per non lasciar posto a dubbi." (760)
Ma, allo stato presente, questi principi mostrano alcune crepe che occorre chiudere al più presto in qualche modo.
Una miriade di fatti sperimentali sembra non accordarsi con essi. Consideriamoli uno ad uno e vediamo dove essi
sembrano cadere in difetto.
- 2° principio della termodinamica
Osservazioni recenti, più accurate, del moto browniano (761) e la spiegazione datane dal matematico tedesco C.
Wiener (1826-1896) nel 1863 e dal chimico britannico W. Ramsay (1852-1916) nel 1876 mostravano che in un
mezzo in equilibrio termico (una soluzione colloidale) del calore viene trasformato spontaneamente in lavoro (delle
particelle in sospensione nella, soluzione si muovono rapidamente da una parte e dall'altra, con maggiore velocità
quanto più sono piccole). (762) Questo fenomeno sembra negare la validità del 2° principio.
- Principio di relatività
L'esperienza di Michelson-Morley sembra metterlo in discussione. Lorentz è stato costretto ad accumulare ipotesi per
cercare di sistemare le cose: tempo locale, contrazione delle lunghezze, ...
- Principio di azione e reazione
In difficoltà per quanto già discusso ed in particolare perché, nell'ipotesi di Lorentz, nell'emissione di radiazione da
parte di cariche elettriche accelerate esso non sembra rispettato.
FISICA/MENTE
- Principio di conservazione della massa
Recenti studi di Abraham, confermati da esperienze di Kaufmann, hanno mostrato la natura puramente
elettrodinamica della massa. Ebbene, questa massa deve allora aumentare con la velocità: la massa non si
conserverebbe più. Ma anche supponendo una massa meccanica essa, come Lorentz ha mostrato, sarebbe soggetta a
contrazioni.
- Principio d'inerzia
Se non ha più validità il principio di conservazione della massa, anche il principio d'inerzia cessa d'essere valido.
Infatti, in questo caso, qual è il centro di gravità che continua a muoversi di moto rettilineo uniforme ? A parte si può
osservare che nel caso la massa non si conservi, che ne è della legge di gravitazione universale di Newton ?
- 1° principio della termodinamica
Da quando P. Curie (1869-1906) e M. Curie (1867-1934) hanno posto del radio in un calorimetro ed hanno
osservato che la quantità di calore, prodotta incessantemente, era notevole, il principio di conservazione dell'energia
sembra in grave difetto.
- Principio di minima azione
E' l'unico che sembra rimanere intatto (anche se così come è formulato ripugna Poincaré).
Dopo questa rassegna abbastanza scoraggiante - e dalla quale si può subito capire che Poincaré aveva colto
tutti gli elementi alla base dei radicali cambiamenti che presto avrebbero interessato la fisica - Poincaré formula un
accorato appello:
"E' necessario che non si abbandonino i principi prima di aver fatto uno sforzo leale per salvarli."
Ed aggiunge:
(764)
"E' inutile accumulare ipotesi, poiché non si possono soddisfare in una volta. tutti i principi. Pino ad ora non si è
riusciti a salvaguardarne alcuni senza sacrificarne degli altri, ma la speranza di ottenere migliori risultati non è del
FISICA/MENTE
tutto persa."
Com'è possibile far ciò ? La risposta a questa domanda permette a Poincaré di scrivere la seguente proposizione di
grande interesse: (765)
"Forse ... dovremmo costruire tutta una nuova meccanica che non facciamo altro che intravedere, nella quale,
aumentando l'inerzia con la velocità, la velocità della luce diventerebbe un limite insuperabile. La meccanica
ordinaria, più semplice, rimarrebbe come una prima approssimazione, dato che sarebbe vera per velocità non molto
grandi, di modo che ancora torneremmo a trovare l'antica dinamica al di sotto della nuova."
Come risulta evidente, la critica di Poincaré è molto attenta agli sviluppi della fisica, ed il fisico-matematico francese,
anche se non fa il passo definitivo, ha intuito tutti i problemi che investono il mondo della fisica.. Ben altra classe
rispetto agli Ostwald o Duhem.
9 - TENTATIVI DI COSTRUIRE UNA NUOVA FISICA FONDATA
SULL'ELETTROMAGNETISMO: WIEN ED ABRAHAM.
Non ci resta ora che andare a discutere di un altro tentativo che, proprio al nascere del nuovo secolo, venne
tentato per cercare di mettere a posto le cose: fondare una nuova fisica su basi elettromagnetiche.
Abbiamo già fatto cenno alla raccolta di saggi che nel 1900 si pubblicò in onore di Lorentz. Tra questi abbiamo
citato quello di Poincaré che discuteva del non accordo della teoria di Lorentz con il principio di azione e reazione.
Tra questi saggi ve ne era uno del fisico tedesco W. Wien (1864-1928) lo stesso che abbiamo incontrato quando
ci siamo occupati dell'irraggiamento del corpo nero , Possibilità di una base elettromagnetica per la meccanica, nel
quale, dalla ripresa di alcune idee avanzate da J.J. Thomson nel 1881 e successivamente sviluppate da Heaviside nel
1889, (766) si prospettava la possibilità di ricavare le equazioni fondamentali della meccanica a partire dalle
equazioni del campo elettromagnetico. In questo lavoro Wien ritiene di poter generalizzare il risultato di Heaviside
ricavando dalla teoria eletiromagnetica l'inerzia meccanica. Egli scrive: (767)
FISICA/MENTE
"L'inerzia della materia, che ci dà una definizione della massa indipendentemente dalla gravità, si può dedurre senza
altre ipotesi dalla nozione già frequentemente impiegata di inerzia elettromagnetica."
L'elaborazione di questi concetti lo portò a trovare un risultato in accordo con quello di Heaviside per piccole
velocità. La massa di una particella carica in moto era dunque dovuta alla sua massa a riposo, alla quale si aggiungeva
una massa elettromagnetica, che nasceva a seguito del moto per un effetto di autoinduzione. Quando infatti una
particella carica è in moto essa equivale ad una corrente alla quale si accompagna un campo elettromagnetico
costante. Ogni variazione di velocità di questa particella comporterà una variazione di intensità del campo magnetico
che la circonda ed ogni variazione di questo campo comporta il nascere di una corrente indotta (in questo caso
autoindotta). (768) Poiché le correnti indotte tendono ad opporsi alle cause che le hanno generate (legge di Lenz), si
originerà una forza che tenderà ad opporsi alle accelerazioni della particella (sono quelle che provocano
l'autoinduzione). Tutto va come se la particella avesse un'inerzia più grande e cioè una massa più grande che,
originatasi in questo modo, è di natura elettromagnetica. (769) Questo aumento di massa sarà tanto più grande quanto
più è grande la velocità della particella poiché a velocità maggiori della particella corrispondono campi magnetici più
intensi e quindi autoinduzioni più intense (nel caso in cui la particella subisca accelerazioni). Data poi l'asimmetria
della variazione del campo magnetico nella direzione del moto (longitudinale) ed in quella perpendicolare
(trasversale) bisognerà considerare, al momento della variazione della velocità, due masse differenti, quella
longitudinale e quella trasversale.
Naturalmente questa e le altre elaborazioni teoriche che seguirono traevano spunto dalla scoperta dell'elettrone
da parte di J.J. Thomson. E , sull'onda delle esperienze di quest'ultimo, altre ne furono immediatamente pensate e
realizzate. Alcune di queste ebbero una notevole influenza sugli ulteriori sviluppi della fondazione elettromagnetica
della meccanica.
In particolare, grande interesse suscitarono i lavori sperimentali del fisico tedesco W. Kaufmann. (1871-1947).
Egli, con esperienze estremamente complesse e delicate (1901-1905), (770) nel misurare il rapporto tra la carica e la
massa degli elettroni emessi dal bromuro di radio (a velocità molto elevate), ebbe modo di osservare una notevole
variazione della massa con la velocità; in particolare trovò che a grandi velocità il rapporto tra la carica e la massa
diminuiva e, poiché era fuori discussione la costanza della carica (la teoria degli elettroni non la contemplava), se ne
doveva concludere che era la massa ad aumentare. Nel suo primo lavoro (190l) Kaufmann concluse che la massa
meccanica dell'elettrone era dello stesso ordine di grandezza della massa elettromagnetica. Successivamente (19021903) egli affermò che l'intera massa dell'elettrone era di natura elettromagnetica.
FISICA/MENTE
Dalle esperienze di Kaufmann e dai lavori di Wien presero spunto le elaborazioni teoriche del più noto tra i
sostenitori del programma elettromagnetico, il fisico tedesco M. Abraham (1857-1922). Egli, in due successive
memorie (1902-1903), (771) sostenne la sua tesi di fondo che consisteva nel considerare tutta la massa come
elettromagnetica, trovando dei risultati che sembravano in perfetto accordo con le esperienze di Kaufmann. Per
elaborare la sua teoria Abraham: ricorse ad alcuni risultati conseguiti da Poynting nel 1884 (teorema omonimo),
(772) che gli servirono per introdurre (1903) nella sua trattazione il concetto di quantità di moto elettromagnetica;
fece uso della espressione data da Lorentz per la forza cui è soggetta una particella carica in un campo
elettromagnetico (forza di Lorentz) e più in generale delle equazioni di Maxwell scritte nella forma di Lorentz; partì
dall'ipotesi di esistenza di elettroni dotati di carica negativa in tutti i corpi la cui massa fosse di natura
elettromagnetica.
Una grande difficoltà nasceva però fino dall'inizio; se un elettrone è di natura puramente elettromagnetica ed è
carico negativamente, come fa ad essere stabile ? Quali forze e di che natura lo tengono unito, visto che le sue diverse
parti, essendo cariche dello stesso segno, tendono a respingersi e quindi a disintegrarlo ?
Per evitare questa difficoltà, Abraham ricorse ad un'ipotesi discutibile, almeno a questo punto dell'elaborazione
teorica. Egli suppose che l'elettrone fosse una sfera perfettamente rigida ed indeformabile (sia quando esso era in
quiete sia quando era in moto) nel quale la carica fosse distribuita in modo uniforme (o nel volume o nella
superficie) . (773) In particolare, secondo Abraham, l'ipotesi di un elettrone deformabile doveva essere respinta
poiché essa:
" implica che si dovrebbe svolgere, a causa della deformazione, un lavoro meccanico, e che si dovrebbe quindi tener
conto, oltre che dell'energia elettromagnetica, di un'energia interna dell'elettrone. In questo caso diventerebbe
impossibile un'interpretazione elettromagnetica della teoria dei raggi catodici o di Becquerel, che sono fenomeni
puramente elettrici, e bisognerebbe rinunciare fin dall'inizio a fondare la meccanica sull'elettromagnetismo. (774)
L'ipotesi di indeformabilità veniva dunque a trovarsi in contrasto con altre elaborazioni teoriche ed in particolare
con quella di Lorentz. Essa permetteva però, come già detto, di ricavare dei risultati in accordo con le esperienze di
Kaufmann ed in particolare che la massa dipende dalla velocità. Tra l'altro, con l'introduzione della quantità di moto
elettromagnetica, Abraham riuscì a superare le obiezioni che Poincaré fece a Lorentz e relative al non accordo
della teoria degli elettroni con la conservazione della quantità di moto. Con la quantità di moto elettromagnetica si
può infatti rendere conto di quella pressione di radiazione che in quegli anni veniva, per la prima volta, misurata (P.
Lebedev, 1901; E. Hichols - G. Hull, 1903): quando un elettrone in moto accelerato emette onde elettromagnetiche, la
quantità di moto che perde è uguale alla quantità di moto elettromagnetica della radiazione. Dalla quantità di moto
FISICA/MENTE
elettromagnetica è poi relativamente semplice ricavarsi la massa elettromagnetica, cosa che Abraham fece, calcolando
per la prima volta (1903) le masse longitudinale e trasversale di un elettrone in moto. (775) I valori di queste masse
risultarono diversi da quelli che l'anno successivo (1904) fornì Lorentz e la cosa sembrava una seria obiezione alla
teoria di quest'ultimo, in quanto i risultati sperimentali di Kaufmann davano ragione ad Abraham. (776)
Solo più tardi (1908) nuove esperienze, effettuate con maggiore cura sperimentale dal fisico tedesco A.H.
Bucherer (1863-1927) e successivamente da altri, mostrarono che effettivamente le relazioni trovate da Lorentz erano
quelle corrette.
Nel 1903, comunque, la teoria di Abraham aveva il conforto sperimentale ma al suo interno poneva dei problemi
che lo stesso Abraham fa risaltare.
Egli scrive (777) che le equazioni del moto che ha trovato
"corrispondono esattamente alle equazioni differenziali che si ottengono per il moto di un corpo solido in un fluido
perfetto. Tuttavia, mentre per il problema meccanico, le componenti dell'impulso e del momento dell'impulso sono
funzioni lineari della velocità attuale di traslazione e di rotazione, ... nel problema elettrodinamico l'impulso ed il
momento dell'impulso non dipendono solo dal moto attuale dell'elettrone ma anche dalla sua storia precedente ...
Questa circostanza crea una grande complicazione nel nostro problema, che non sembra rendere possibile una
soluzione completa della dinamica dell'elettrone."
Come osservano Petruccioli e Tarsitani, "si perdeva il 'carattere deterministico' delle equazioni differenziali che
regolavano il moto dei corpi materiali, nel senso che l'impulso ed il momento - ora 'grandezze' di natura
elettromagnetica - non erano più definite in modo univoco in un punto dello spazio e del tempo, una volta assegnate
le condizioni iniziali, ma contenevano informazioni riguardanti tutta la vita degli elettroni anteriore all'istante
considerato." (777 bis )
Altre difficoltà sorsero poi quando si vollero estendere i risultati di Abraham agli altri costituenti la materia che
non fossero gli elettroni, alle forze molecolari ed a quelle gravitazionali. (778) Sembra ritrovarsi qui la situazione
creatasi con l'opera di Copernico, cambiare i ruoli di Terra (meccanica) e Sole (elettromagnetismo) senza
preoccuparsi di tutti i problemi fisici che la nuova struttura avrebbe comportato.
Ricapitolando brevemente, si può dire che a cavallo dei due secoli esistevano grosse differenze di opinione,
FISICA/MENTE
contrasti anche molto duri, sui fondamenti ed i metodi (ed anche oltre) dell'intera scienza fisica. C'è chi ama parlare di
'crisi', chi di 'continuità'; personalmente ritengo che certamente una quantità di problemi nascevano dall'esigenza di
sistematizzare l'enorme messe dei dati sperimentali che si veniva producendo nei più svariati campi della fisica, sotto
le pressioni delle esigenze tecnologiche della seconda rivoluzione industriale. Ed una qualche crisi doveva ben esserci
se solo si pensa, in termini di storia interna, che una quantità di risultati non rientrava in una spiegazione razionale,
determinata e conseguente con la fisica che fino ad allora si era costruita. L'eventuale crisi quindi nasceva dal venir
meno dell'ideale di scienza unificata, di possibilità di interpretazione della realtà naturale a partire da un unico
principio unificante, fosse esso quello meccanico, quello termodinamico, quello elettromagnetico.
Semplificando molto si può dire che almeno quattro correnti di pensiero si contendevano il primato nell'ambito
della fisica:
- quelli che ritenevano di dover procedere con gli strumenti ed i metodi fino ad allora seguiti;
- quelli che sentivano l'indispensabilità di una rifondazione della meccanica;
- quelli che ritenevano di poter basare l'intera fisica sulla termodinamica;
- quelli che ritenevano di poter basare l'intera fisica sull'elettrodinamica.
E neanche a pensare che non ci fosse sovrapposizione; molto spesso i sostenitori di una posizione confluivano in
un'altra, purché, ad esempio, l'ideale comune antimeccanicistico (che sempre più diventava antimaterialistico) fosse
realizzato. .Oppure quando si pensava che una data posizione non escludesse l'altra, o quando si tentava di mediare
per garantire la continuità. In ogni caso, vi erano ancora quelli che credevano alla 'curiosità scientifica', dei
sopravvissuti 'filosofi naturali', dei quali si perderà ogni traccia nel nostro secolo.
Un'altra corrente di pensiero, in aggiunta a quelle schematicamente ricordate, vincerà sul piano scientifico ma
non su quello filosofico, interpretativo e politico generale: si tratta, dei Planck e degli Einstein.
NOTE
FISICA/MENTE
(438) Per quel che riguarda la bibliografia generale che serva ad approfondire quanto qui solo accennato rimando alla nota 134.
(439) Bibl. 24, pag. 29. La frase fra parentesi è mia.
(440) Questa esigenza è ben espressa in uno scritto dell'ingegnere P. Reuleaux (1829-1905) che, nel 1875, così si esprimeva: Solo
il grande capitale può permettersi di acquistare ed. usare le potenti macchine a vapore ... Bisogna rendere l'energia
indipendente dal capitale. Il modesto tessitore sarebbe liberato dal prepotere del capitale se potessimo mettere a disposizione del
suo telaio, nella misura giusta, la forza motrice che gli serve. Lo stesso potrebbe farsi con successo nel campo della filatura ...
Altri campi sono quelli della costruzione di mobili, di chiavi, di cinghie, quelli dello stagnino, del fabbricante di spazzole, di
pompe, ecc... Quindi ciò che la meccanica deve fare per ovviare ad una gran parte del capitale, è fornire piccoli quantitativi di
energia a buon prezzo o, in altre parole, realizzare piccole macchine motrici, il cui esercizio esiga spese assai modeste." (Da
Klemm, bibl. 22, pagg. 347-348).
(441) Bibl. 22, pag.347. Si ricordi che un cavallo potenza (HP) vale circa 76 Kgm/sec , mentre un cavallo vapore (CV) vale
75Kgm/sec. Riguardo alla nascita del cavallo come unità di misura di potenza si può vedere bibl. 45, pagg. 44-45.
(442) II pollice, unità di misura di lunghezza, corrisponde a 2,54 cm.
(443) - Nel 1794 il britannico J. Bramah (1746-1614) inventa il porta-utensili scorrevole per torni paralleli e nel 1795 la pressa
idraulica;
- nel 1797 il britannico H. Maudsley (l771-l83l) migliora il porta-utensili per filettare munendolo di un banco a slitte e di un
accoppiamento a madrevite;
- nel 1801 il francese M. Brunel (1769-1849) costruisce i primi trapani;
- nel 1832 lo statunitense E. Mhitney (1765-1825) costruisce la prima fresatrice per la realizzazione di superfici piane e
costruisce le prime armi statunitensi a pezzi intercambiabili;
- nel 1802 ancora J. Bramah realizza la prima piallatrice meccanica;
- nel 1807 il britannico W. Newberry inventa la sega a nastro;
- nel l8l0 ancora Maudsley completa la realizzazione del primo tornio di precisione, interamente costruito in ferro, con il quale si
possono fabbricare viti con filettature precise e cilindri molto ben centrati e rettificati (con questo tornio inizia la produzione
standardizzata di viti e cilindri);
FISICA/MENTE
- nel 1825 il britannico J. Glement (1779 -1844) realizza una macchina in grado di spianare perfettamente le superfici
metalliche; "con l'aiuto di questi cilindri e superfici piane perfetti l'inglese J. Whitworth (l803-l887) sviluppò, negli anni 1830-50, il
suo misuratore di precisione a vite, che permetteva di misurare con una sensibilità fino ad un milionesimo di pollice, e i suoi torni di
precisione, le sue macchine spianatrici, perforatrici, tagliatrici e modellatrici che gli diedero fama mondiale" (bibl. 16, Vol. II, pag.
530).
- nel 1840 lo stesso Whitworth propose che si adottassero, nella costruzione di macchine, sia pezzi intercambiabili lavorati entro
strette tolleranze, sia filettature unificate.
(444) L'acciaio, per le sue caratteristiche, era di gran lunga preferibile per la costruzione di macchine che, proprio perché
soggette a rapidi movimenti, erano enormemente sollecitate. I prima acciai si cominciarono a produrre a partire dal 1783
quando il britannico H. Cort (l740-l800) inventò il sistema di puddellaggio, atto alla loro fabbricazione. Nel 1811 il tedesco
F. Krupp (1787-1826) inaugurò ad Essen la prima fonderia d'acciaio (nella Germania e già nel 1812 iniziò la produzione dei
primi acciai inossidabili.
Leghe di acciaio furono anche studiate e create da M. Faraday (!) nel 1822 ma gli acciai speciali ad alta robustezza e
resistenza si cominciarono a realizzare a partire dal 1856 quando, il britannico H. Bessemer (l8l3-l898) inventò il convertitore,
che porta il suo nome, per la produzione, appunto, dell'acciaio ed il tedesco P. Siemens (1826-1904), uno dei quattro fratelli
Siemens, inventò il forno a rigenerazione,sempre per la produzione dell'acciaio.
Nel 1862 la Krupp aveva già installato il primo convertitore Bessemer del continente.
Appena tre anni dopo (l865) i fratelli Martin, francesi, misero a punto un processo che, integrato con quello Siemens,
permetteva, un notevole risparmio di combustibile (processo Siemens-Martin).
Sia il convertitore Bessemer che il processo Siemens-Martin erano però adatti alla lavorazione di minerali senza tracce di
fosforo e si adattavano quindi bene ai giacimenti britannici e continentali esclusa la Germania i cui giacimenti erano ricchi di
minerale fosforico. La soluzione a questo problema fu trovata dal britannico S.G. Thomas (1850-1685) che con il processo che
porta il suo nome permise lo sfruttamento dei giacimenti del Belgio, della Lorena e della Germania.
Intanto nel 1668 era stato installato negli Stati Uniti il primo convertitore Bessemer.
A questo punto il grosso era fatto ma le richieste dell'industria si face vano sempre più pressanti;
-nel 1881 Siemens costruisce il forno elettrico per la fusione dell'acciaio;
- nel 1884 il processo Thomas viene esteso ai forni Martin;
FISICA/MENTE
- nel 1888 viene prodotto il primo acciaio speciale con forti percentuali di manganese;
- nel 1889 viene prodotto un altro acciaio speciale, quello al nichel;
- nel 1900 F.H. Taylor produce i primi acciai rapidi per utensili che consentono elevate velocità di taglio.
(445) Certo, perché l'elettricità arrivasse a questo grado di funzionalità, sono stati necessari molti successivi passi, ciascuno dei
quali, anche se in tempi relativamente brevi, ha rappresentato una tappa complessa e piena di implicazioni soientificotecnologiche. Cerchiamo di ripercorrere questi passi a partire dalle due fondamentali scoperte alla base della tecnologia
elettrica: quella di Volta e quella di Faraday.
- Nel 1800 A. Volta costruisce la pila elettrica, prima tappa fondamentale nello sviluppo dell'elettrotecnica;
- nel 1803 il tedesco J. Ritter (l776-l8l0) progetta l'accumulatore elettrico;
- nel 1809 H. Davy costruisce l'arco elettrico;
- nel 1820 il tedesco T.J. Seebeck (l770~l83l) riesce a magnetizzare l'acciaio;
- nel 1822 lo stesso Seebeck dimostra, che la corrente fa variare la temperatura di un circuito dando inizio alla termoelettricità;
- nel 1822 il britannico P. Barlow (1766-1862) dimostra la trasformabilità dell'energia elettrica in energia .meccanica (ruota di
Barlow);
- nel 1822 il tedesco G. S.. Ohm (1787-1854) ricava la legge che porta il suo nome e che lega tensione, corrente e resistenza;
- nel 1624 il francese J.C. Peltier (l785-l845) scopre l'effetto termoelettrico;
- nel 1825 lo statunitense M. Sturgeon (1783-1850) costruisce il primo elettromagnete d'uso pratico;
- nel 1831 M. Faraday scopre il fenomeno dell'induzione elettromagnetica e costruisce il primo semplice generatore di corrente
alternata;
- nel 1831 lo statunitense J. Henry (1797-1878) costruisce il primo semplice motore elettrico;
- nel 1832 il francese H. Pixii (1776-1861) costruisce una macchina per produrre corrente alternata con il primo dispositivo
FISICA/MENTE
commutatore per 'raddrizzarla';
- nel 1832 ancora Henry scopre il fenomeno dell'autoinduzione;
- nel 1833 Gauss e Weber realizzano il primo telegrafo elettrico;
- nel 1836 il francese A.P. Masson (l806-l880) realizza correnti elettriche indotte ad alta tensione;
- nel 1837 lo statunitense J. P. Morse (1791-1872) costruisce la prima linea telegrafica di uso pratico;
- nel 1838 il tedesco H. von Jacobi (l801-l874) costruisce un motore elettrico ad elettromagneti, alimentati da una batteria di pile,
con il quale fa muovere un battello sulla Neva;
- nel 1840 ancora Masson insieme a L.F. Breguet (l804-l883) costruiscono un trasformatore;
- tra il 1840 ed il 1844 ad opera, indipendentemente, del britannico W. Grove (1811-l896), del 'britannico de Moleyns, dello
statunitense J.W. Starr, del francese L. Foucault, vengono realizzati i primi tentativi per lampade ad incandescenza;
- nel 1845 G. Wheatstone modifica i generatori elettrici sostituendo i magneti permanenti con elettromagneti;
- nel 1848 G. Kirchhoff estende la legge di Ohm a circuiti complessi a più rami ;
- nel 1850 viene posato, attraverso la Manica, il primo cavo telegrafico sottomarino;
- nel 1851 il tedesco W. J. Sinsteden (l803-l878) costruisce il primo alternatore elettrico monofase;
- nel 1855 l'italiano De Vincenzi brevetta la prima macchina da scrivere elettrica;
- nel 1859 l'italiano A. Pacinotti (l841-1912) costruisce un indotto per macchine elettriche (anello di Pacinotti) , ad alto
rendimento, per la trasformazione dell'energia meccanica in elettrica e viceversa;
- nel 1865 termina la posa in opera del primo cavo transatlantico sottomarino (a cui lavora la ditta Siemens);
- nel 1866 W. Siemens (l8l6~l892) scopre il principio elettrodinamico e costruisce la prima dinamo elettrica;
- nel 1867 il belga Z.T. Gramme (l826-190l) inventa la dinamo ad autoeccitazione per ottenere una corrente continua costante;
FISICA/MENTE
- nel 1869 lo stesso Gramme costruisce una dinamo elettrica a corrente continua in grado di trasformare energia meccanica
in elettrica e viceversa;
- nel 1870 ancora Gramme, utilizzando i lavori di Pacinotti, costruisce la prima dinamo industriale;
- nel 1871 l'italiano A. Meucci (1804-1889) costruisce il primo rudimentale telefono;
- nel 1874 il tedesco S. Schuckert (1846-1895), collaboratore di Edison, inventa la commutatrice, una macchina rotante capace di
convertire la corrente alternata in continua e viceversa;
- nel 1875 ancora Gramme costruisce il primo alternatore ad induttore rotante;
-nel 1875 lo statunitense G. Green prospetta l'idea di alimentare le locomotrici ferroviarie mediante un filo aereo;
- nel 1876 lo statunitense G.A. Bell (1847-1922) chiede il brevetto per il telefono ;
- nel 1878 il britannico J. Swann (1828-1914) costruisce una lampada ad incandescenza a filamento di carbone;
- nel 1879 lo statunitense T.A. Edison (1847-1931) costruisce la prima lampada ad incandescenza;
- nel 1879 ancora W. Siemens costruisce il primo locomotore elettrico;
- nel 1880 di nuovo W. Siemens costruisce il primo ascensore elettrico;
- nel 1881 gli Stati Uniti presentano una centrale telefonica automatica;
- nel 1881 W. Siemens inventa un sistema scorrevole di collegamento alla linea elettrica (trolley);
- nel 1881 W. Siemens accoppia una macchina a vapore ad un generatore di corrente per la produzione di energia elettrica;
- nel 188l negli Stati Uniti viene inaugurato il primo impianto di illuminazione elettrica pubblica;
- nel 1881 W. Siemens costruisce forni elettrici per la fusione dell'acciaio;
- nel 1881 viene inaugurata a Berlino la prima tramvia elettrica (Siemens);
- nel 1882 viene inaugurata negli Stati Uniti, a New York, la prima centrale elettrica per la fornitura di energia elettrica per uso
FISICA/MENTE
domestico (Edison);
- nel 1884 il francese L. Gaulard (1850-1889) costruisce il trasformatore statico, dimostrando contemporaneamente la possibilità
del trasporto a distanza dell'energia elettrica;
- nel 1885 viene inaugurata la prima centrale elettrica tedesca;
- nel 1885 Edison sviluppa la dinamo multipolare;
- nel 1885 l'italiano G. Ferraris (1847-1897) scopre il campo magnetico rotante e, in base ad esso, costruisce il primo motore
elettrico a corrente alternata polifase;
- nel 1886 negli Stati Uniti entra in funzione il primo impianto di distribuzione di corrente alternata;
- nel 1886 lo statunitense E. Thomson brevetta il motore elettrico a repulsione;
- nel 1888 il tedesco H. Hertz dimostra l'esistenza delle onde elettromagnetiche;
- nel 1889 la statunitense Westinghouse costruisce i primi alternatori polifasi;
- nel 1889 la statunitense Otis Broters & Co. inizia la produzione industriale di ascensori (con il parallelo sviluppo degli acciai e
del cemento armato - Francia 1867 - si renderà possibile la costruzione di grattacieli);
- nel 1891 il russo M. Dolivo-Dobrowolski (1862-1919) inventa l'indotto a gabbia di scoiattolo per i generatori elettrici;
- nel 1891 in Germania si sperimenta la trasmissione di energia elettrica ad alta tensione (25.000 V), su una linea di 178 Km;
- nel 1891 negli Stati Uniti viene installata la prima linea ad alta tensione;
- nel 1892 Siemens sperimenta la prima locomotrice elettrica a corrente alternata. polifase;
- nel 1892 la Westinghouse costruisce i primi trasformatori raffreddati ad acqua;
- nel 1895 il russo A. Popof (1858-1905) costruisce un'antenna per la ricezione delle onde elettromagnetiche;
- nel 1895 l'italiano G. Marconi (l874-1937) compie i primi esperimenti di radiocomunicazione ;
FISICA/MENTE
- nel 1897 Marconi stabilisce il primo contatto radiotelegrafico a distanza;
- nel 1900 lo statunitense Hewitt (186l-1921) inventa il raddrizzatore a vapori di mercurio;
- nel 1900 la Westinghouse installa la prima turbina a vapore per la generazione dell'energia elettrica;
- nel 1902 la Westinghouse introduce l'elettrificazione a corrente monofase ad alta tensione per uso ferroviario;
- nel 1904 il britannico J.A. Fleming (1849-1945) costruisce il diodo;
- nel 1506 lo statunitense L. De Forest (l873~196l) costruisce il triodo.
(446) Le tappe più importanti dello sviluppo della chimica, dopo la scoperta delle leggi dei gas e di svariati elementi, soprattutto
per quel che riguarda il suo massiccio sfruttamento nell'industria sono:
- nel 1825 M. Faraday scopre il benzene che è un ottimo solvente organico e materia prima per molti derivati;
- nel 1826 M. Faraday scopre che la gomma naturale e' un idrocarburo aprendo la strada alla fabbricazione della gomma
sintetica;
- nel 1826 il tedesco 0. Unverdorben (l806-l873) scopre l'anilina, che e' una sostanza importantissima per la fabbricazione di
coloranti e prodotti farmaceutici;
- nel 1827 i francesi P.J. Bobiquet (1760-1840) e J.J. Colin (1784-1865) isolano l'alizarina (composto organico che si estrae dalle
radici della robbia, pianta abbondante nella Francia meridionale, utilizzato come colorante);
- nel 1828 il tedesco P. Wöhler (l800-l882) realizza la prima sintesi organi ca, quella dell'urea (composto organico dal quale si
possono ottenere resine sintetiche e che può essere usato come concime azotato);
- nel 1830 lo svedese J.J. Berzelius (1779-1848) introduce il concetto di isomeria;
- nel 1830 iniziano ricerche approfondite sul catrame che porteranno alla scoperta di molti composti organici che saranno alla
base dei grandi progressi della chimica organica e dell'industria che li sfrutterà;
- nel 1834 il tedesco F.F. Runge (1794-1867) colora delle fibre tessili con l'anilina ossidata (nero d'anilina);
- nel 1835 J.J. Berzelius scopre le proprietà dei catalizzatori che diventeranno della massima importanza nell'industria chimica;
FISICA/MENTE
- nel 1846 lo svizzero C.P. Schönbein (1799-1868) scopre la nitrocellulosa (importante composto per la produzione di coloranti,
di esplosivo, della seta artificiale);
- nel 1846 l'italiano A. Sobrero (l8l2-l888) scopre la nitroglicerina, (esplosivo estremamente pericoloso da maneggiare);
- nel 1848 il francese A. Payen (1795-1871 ) inventa un processo per la fabbricazione della cellulosa;
- nel 1856 il britannico W.H. Perkin (l838-1907) sintetizza il primo colorante artificiale, la malveina (violetto d'anilina);
- nel 1863 il belga E. Solvay (1838-1922) scopre un processo più redditizio per la fabbricazione della soda;
- nel 1865 il tedesco A. Kekulé (1829-1896) propone la formula di struttura esagonale del benzene, a partire dalla quale sarà
possibile realizzare una enorme quantità di nuovi composti organici;
- nel 1869 i tedeschi K. Graebe (1841-1927) e K. Liebermann sintetizzano l'alizarina;
- nel 1883 il britannico J. Swann (1828-1914) brevetta delle fibre filate di nitrocellulosa;
- nel 1866 lo svedese A.B. Nobel (l833-l896) elabora la nitroglicerina ottenendo la dinamite;
- nel 1901 il francese H. le Chatelier brevetta m processo di fabbricazione dell'ammoniaca sintetica.
In parallelo a quanto abbiamo brevemente elencato anche la chimica teorica si sviluppava rapidamente in un processo
di stretta interconnessione con le esigenze produttive. Si potrà notare che la Germania è alla testa della ricerca. Il settore dei
coloranti sintetici diventa ben presto trainante e la Germania sa sfruttare ciò che, ad esempio, la Gran Bretagna non utilizza (il
brevetto Perkin) e ciò che, ad esempio, la Francia esita ad accettare (la formula di struttura esagonale del benzene di Kekulé).
La grande industria chimica tedesca avvia inoltre giganteschi programmi di ricerca in propri laboratori ed in stretto legame con
le università (si pensi che la Basf nel 1880 investe la gigantesca cifra di un milione di sterline per la sintesi dell'indaco,
programma che solo dopo 17 anni sarà coronato da successo, con una imponente ricaduta tecnologica). Per dare un'idea
dell'enorme mole di lavoro svolto dalle sei maggiori industrie chimiche tedesche si pensi che esse, negli anni che vanno dal 1886
al 1900, brevettarono ben 948 sostanze coloranti, mentre, al confronto e nello stesso periodo, le sei maggiori industrie chimiche
inglesi ne brevettarono 66.
(447) Le principali tappe di sviluppo della meccanizzazione dell'industria tessile e dell'agricoltura si possono riassumere come
segue.
FISICA/MENTE
Le grandi innovazioni nei telai portano i processi di filatura e tessitura via via a livelli di automazione sempre più spinta. Già
agli inizi dell'Ottocento vari telai erano mossi a vapore. Piano piano vengono introdotti: il movimento differenziale alle
macchine per filatura (Gran Bretagna, 1810); le pettinatrici di fibre lunghe (Francia, 1825); il filatoio automatico
intermittente (Gran Bretagna, 1825); il filatoio ad anello (Stati Uniti, 1828); il filatoio continuo (Gran Bretagna, 1833); il telaio
circolare per maglie (Gran Bretagna, 1849); la macchina per cucire mossa a pedale e dotata di pezzi intercambiabili che ha il
grande pregio di lasciare le mani libere (Singer, Stati Uniti, 1851); il telaio rettilineo (Gran Bretagna, 1857); il telaio rettilineo
multiplo che permette la produzione contemporanea di molti esemplari dello stesso indumento (Gran Bretagna, 1864); il telaio
automatico (Stati Uniti, 1889); il telaio con sostituzione automatica delle spole vuote (Stati Uniti, 1892); la chiusura lampo (Stati
Uniti, 1893); l'annodatrice automatica per tessitura (Stati Uniti, 1805).
Con queste innovazioni l'industria tessile aumenta in modo impressionante la produzione senza incrementare i posti di
lavoro (se non indirettamente, nell'industria chimica dei coloranti). E per concludere con l'industria tessile c'è solo da
aggiungere che l'invenzione della macchina per cucire dà il via all'industria delle confezioni: i prodotti vengono da ora
commerciati completamente finiti.
Per quel che riguarda l'agricoltura c'erano da affrontare almeno tre grossi problemi: l'inurbamento massiccio, al
seguito della grande industria, richiedeva enormi quantità di cibo ponendo inoltre il problema della sua conservazione; molta
forza lavoro aveva abbandonato le campagne per cercare una sistemazione nella fabbrica; la popolazione era grandemente
aumentata in valore assoluto negli ultimi anni. Anche qui pertanto bisognava produrre di più, con metodi diversi e sfruttando al
massimo i prodotti tecnologici. Da una parte, intorno alla metà del secolo, l'industria chimica iniziò a fornire fertilizzanti e,
dall'altra, furono successivamente introdotti i seguenti ritrovati tecnologici: la trebbiatrice (Gran Bretagna, 1802); la falciatrice
meccanica (Gran Bretagna, 1814); la mietitrice (Gran Bretagna, 1826; Stati Uniti, 1834); la raccolta automatica del grano in
covoni mediante un nastro rotante senza fine (Stati Uniti, 1849); la seminatrice automatica (l850); l'aratura meccanizzata a
vapore (Gran Bretagna, 1850); la falciatrice automatica (1850); la legatrice automatica dei covoni (Stati Uniti, 1871); la
diffusione del refrigeratore a compressione di ammoniaca (Linde, Germania) per la conservazione dei cibi (l873); la
mietitrebbia combinata che miete il grano, lo trebbia, lo pulisce e lo insacca (Stati Uniti, 1886); la mietifalciatrice a vapore (Stati
Uniti, 1889); la mietitrebbia combinata su trattore a cingoli, mossa da una macchina a vapore (Stati Uniti, 1904) e da un motore
a benzina (Stati Uniti, 1906).
Per altri versi gli sviluppi della tecnologia idraulica dettero un notevole impulso all'elettricità:
- l'invenzione del britannico J.Francis (1815-1892) della turbina idraulica a reazione (1845);
- l'invenzione dello statunitense A. Pelton (1829-1916) della turbina idraulica ad azione (1884).
Le richieste di energia poi erano sempre maggiori e ad esse si faceva fronte da un lato con il carbone, che aveva quasi
completamente sostituito la legna da ardere, e solo parzialmente (nel periodo di cui ci stiamo occupando) con il petrolio,
dall'altro con l'energia idraulica e d&oall'altro ancora con il miglioramento delle macchine termodinamiche e dei loro
FISICA/MENTE
rendimenti. A quest'ultimo fine furono via via realizzate:
- la caldaia tubolare (Stati Uniti, 1824; Francia, 1828);
- la macchina a vapore surriscaldato (Svezia, 1833);
- la caldaia a serpentini (Francia, 1850);
- la caldaia a tubi inclinati (Wilcox-Stati Uniti, 1856);
- la macchina a vapore a pezzi intercambiabili (Stati Uniti, 1876);
- la turbina a vapore a reazione che faceva 18.000 giri/minuto (Gran Bretagna, 1884);
- la turbina a vapore ad azione che faceva 30.000 giri/minuto (Francia, l890);
- la turbina a vapore ad azione e ad asse verticale (Stati Uniti, 1896).
Il particolare sviluppo che ebbero le turbine fu dovuto al fatto che esse avevano un rendimento, in termini di denaro, molto più
elevato delle macchine a vapore alternative (per migliorare il rendimento di queste ultime fu introdotta la macchina a vapore a
cilindro orizzontale per la sua migliore capacità di sfruttare il moto rotatorio). La termodinamica delle macchine a vapore fu
sviluppata principalmente dal britannico W. Rankine (l820-1872) in un suo lavoro del 1859. Sempre più ogni settore della
produzione si andava sistemando in un tutt'uno integrato con svariati altri settori e sempre più ogni industria cercava di
raccogliere in sé tutte le attività produttive in modo da costruire un insieme unico integrato (trust).
(448) Prima di ooncludere questo paragrafo riporto altre innovazioni tecniche realizzate nel corso del secolo; quelle che hanno
avuto una grande importanza dal punto di vista economico-politico-sociale, a partire dalle rivoluzionarie conquiste nel settore
dei trasporti e delle vie di comunicazione (altri elementi indispensabili per lo sviluppo dei commerci).
- Nel 1807 R. Fulton (1765-1815) inizia un servizio regolare di battelli a vapore (Stati Uniti);
- nel 1814 G. Stephenson (1781-1848) inizia le prove della sua locomotiva a vapore (Gran Bretagna);
- nel 1827 ai compie la prima traversata dell'Atlantico a vapore (il primo servizio regolare inizia nel 1838);
- nel 1822 G. Stephenson con il figlio Robert costruisce la locomotiva Rocket (prima locomotiva moderna) iniziandone la
produzione in serie;
FISICA/MENTE
- nel 1830 viene inaugurata la prima ferrovia britannica e da allora molti paesi europei inaugureranno la loro prima ferrovia;
- nel 1859 entra in esercizio la prima carrozza letto (Stati Uniti);
- nel 1868 entra in esercizio il primo vagone frigorifero (Stati Uniti);
- nel 1869 viene aperto il Canale di Suez (realizzazione francese su progetto italiano);
- nel 1871 è inaugurato il tunnel del Frejus;
- nel 1881 è inaugurato il tunnel del San Gottardo ;
- nel 1885 G. Daimler costruisce la prima motocicletta;
- nel 1886 C. Benz costruisce la prima automobile a tre ruote;
- nel 1888 il britannico J.B. Dunlop (1840-1921) brevetta il prime pneumatico di uso pratico;
- nel 1893 viene aperto il canale di Corinto;
- nel 1896 lo statunitense H. Ford (1863-1947) costruisce la sua prima auto;
- nel 1898 inizia il traforo del Sempione;
- nel 1900 il tedesco F. von Zeppelin (1838-1917) costruisce il primo dirigibile a struttura metallica;
- nel 1903 gli statunitensi fratelli Wrigat effettuano il primo volo a motore.
Altre tappe da ricordare, nei settori più diversi, sono:
- l'introduzione del cuscinetto a sfora (Francia, l802)f;
- l'invenzione delle lenti per fari, costruite con vetri di un solo pezzo incisi a fasce concentriche (Fresnel, Francia, 1822)( ;
- l'invenzione del maglio a vapore (Gran Bretagna, 1838);
FISICA/MENTE
- la scoperta del linoleum (Gran Bretagna, 1844);
- la prima rotativa di stampa (Gran Bretagna, 1848);
- la distillazione del cherosene (Canada, 1854);
- la serratura di sicurezza (Yale, Stati Uniti, 1855)5;
- il brevetto del filo spinato (Stati Uniti, 1874);
- la costruzione del fonografo (Stati Uniti, 1872);
- il brevetto della prima penna stilografica (Watermann, Stati Uniti, 1884);
- la prima macchina per fabbricare bottiglie (Gran Bretagna, 1887);
- il primo processo (piroscissione) di distillazione del petrolio (Gran Bretagna, 1889);
- i fratelli Lumiere realizzano il cinematografo elaborando una precedente realizzazione di Edison (Francia, 1895).
(449) Da Baracca, Russo e Ruffo, bibl. 54, pag. 7.
(450) Ibidem, pag. 93.
(451) II matematico britannico C. Babbage (l792-l87l) fu uno dei primi teorici della parcellizzazione del lavoro. Nel 1832, in un
suo lavoro (On the economy of machinary and manifactures), dopo aver sostenuto che la suddivisione del lavoro riduce i tempi
dell'apprendistato e fa risparmiare materia prima, affermava: "un altro vantaggio che deriva dalla suddivisione del lavoro è il
risparmio di tempo poiché in ogni passaggio da una lavorazione ad un'altra un certo tempo va perduto. Quando la mano e la testa si
sono abituate per un certo tempo ad una determinata specie di lavoro, se questo cambia, mano e testa non possono assumere subito
la stessa destrezza che avevano raggiunto prima." Il brano è tratto da Klemn, bibl. 22, pag. 291 (nel testo citato vi sono altri brani
di grande interesse).
(452) Citato da Klemm, bibl. 22, pag. 309. Sulle macchine è importante leggere quanto dice Marx. Si veda la rivista Marxiana
dell'ottobre 1976.
(453) Il Capitale (vol. 1°) è del 1867. Con quest'opera Marx dette all'econo all'economia un assetto scientifico.
FISICA/MENTE
(454) Nel 1864 fu fondata la Prima Internazionale socialista che si sciolse nel 1873, dopo il fallimento della Comune di Parigi
(l87l). Nel 1889 fu fondata su basi diverse la Seconda Internazionale.
Al fianco di Marx lavorò F. Engels (1820-1895).
(455) Dall'orazione funebre di Marx, scritta e letta da Engels.
(455 bis) Klemm in bibl. 22, pag. 321.
(456) Baracca, Russo e Ruffo in bibl. 54, pag. 93.
(456 bis) La Germania si costituisce in stato solo dopo la sconfitta di Napoleone III (1871) ad opera dell'esercito di Bismarck
che strappò alla Francia l'Alsazia e la Lorena e fondò l'impero tedesco con alla testa Guglielrno 1° (nel frattempo l'impero
austro-ungarico giungeva via via al suo disfacimento).
Si noti che il grande statista Bismarck inaugurò una politica di alleanze che garantì all'Europa 50 anni di pace (50 ami nei quali
tutti cercarono di costruirsi imperi coloniali.
(457) Soltanto nel 1880 l'istruzione primaria venne resa obbligatoria ma con scuole che davano " un'istruzione inferiore alle
classi inferiori".
(458) Bibl. 23, pag. 277. Si veda tutto il paragrafo del testo da cui è tratto questo brano; dà ulteriori particolari sull'emergere
della Germania con il contemporaneo declino della Gran Bretagna. L'autore del testo, Cardwell, è uno storico britannico ed il
brano è perciò ancora più interessante.
(459) Bibl.24, pag. 54.
(460) Che era invece abbondante in Gran Bretagna e Germania. Tra l'altro la forza lavoro negli Stati Uniti costava di più di
quanto non costasse nei paesi citati, proprio per la sua scarsità. Questo fu un ulteriore incentivo allo sviluppo, negli Stati Uniti,
di macchine sostitutive del lavoro umano.
(461) Un altro elemento a favore del grande sviluppo tecnologico degli Stati Uniti fu una legislazione tra le più avanzate del
mondo per i brevetti (essa risaliva al 1691 e fu poi perfezionata nel 1790).
(462) Bibl.23, pag.280. Comincia l'era delle multinazionali.
(463) Engels scrisse un volume che si occupava dei rapporti soienza-filosofia, Dialettica della natura, che fu pubblicato postumo
FISICA/MENTE
soltanto nel secolo XX. Si veda bibl. 103.
(464) Allo scopo si vedano alcuni interventi ad un convegno che si tenne a Firenze nel 1970 riportati in bibl. 58.
(465) Si veda quanto già detto nei paragrafi 3 e 5 del capitolo 2°.
(466) II giroscopio era stato inventato da L. Foucault nel 1852.
(467) Bibl. 16, Vol. II, pagg. 494-495.
(468) Bibl. 17, Vol. V, pag. 69.
(469) Bibl. 24, pag. 126.
(470) E nel frattempo (1882) la Chiesa, con Papa Pio VII, dopo quasi 300 anni, sanziona ufficialmente l'accettabilità del sistema
copernicano. A questo proposito viene da pensare alla cosiddetta riabilitazione di Galileo da parte di Papa Giovanni Paolo II
(1980). E Giordano Bruno ? E gli altri ? E poi: hi ha bisogno di essere riabilitato ? (a questo proposito vi sono vari articoli sul
sito).
(471) Fraunhofer osservò poi che per diversi spettri la doppia riga gialla si trovava sempre "esattamente nello stesso posto"
risultando "conseguentemente utilissima" come sistema di riferimento.
(472) Draper usava una fiamma brillante per portare all'incandescenza i corpi e per questo sosteneva che gli spettri delle
sostanze solide fossero continui (era la fiamma brillante che originava lo spettro continuo). Occorrerà la fiamma di Bunsen,
molto calda e poco luminosa, per avere spettri discontinui.
(473) Kirchhoff, Sulle righe di Fraunhofer, Monats. Akad. Wissens.; ott. 1859, pag. 662. Riportato anche in bibl.89, pagg. 382384.
(474) In una memoria di Kirchhoff e Bunsen del 1880 (Analisi chimica mediante osservazioni spettroscopiche, Poggendorf's
Annalen, vol. 110, pag. 161) si legge: "uno di noi ha mostrato, per mezzo di considerazioni teoriche, che lo spettro di un gas
incandescente è invertito, cioè che le righe brillanti sono trasformate in righe nere quando una sorgente di luce, di intensità
sufficiente, che dia uno spettro continuo, è posta dietro lo stesso. Da ciò possiamo concludere che lo spettro solare, con le sue righe
nere, non è altro che l'inverso dello spettro che l'atmosfera del Sole stessa mostrerebbe. Quindi l'analisi chimica dell'atmosfera
solare richiede solo l'esame di quelle sostanze le quali, quando siano poste in una fiamma, producono righe brillanti che coincidono
con le righe nere dello spettro solare." Citato in bibl. 54. pag. 78.
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(476) Bibl. 100, pag. 838.
(477) Sull' Effetto fotoelettrico si veda il mio articolo presente nel sito.
(478) Allo scopo si veda la seconda parte del testo di bibl. 57. Si veda anche la corrispondenza tra Einstein e Born riportata in
bibl. 104.
(479) Bibl. 19, Vol. III, pag. 205.
(480) Il calcolo che Stoney fa per la carica dell'elettrone gli fornisce un valore 20 volte più piccolo di quello oggi accettato.
(481) Le scariche nei gas rarefatti erano iniziate molto tempo prima. I britannici Watson (l75l) e Morgan (1785) avevano
scaricato bottiglie di Leida in modesti vuoti. Davy (1822) aveva osservato, con esperienze analoghe, una luminosità verdognola.
Faraday (l838), lavorando con vuoti più spinti, vede scariche più colorate e, in particolare, osserva uno spazio scuro che
circonda il catodo. A pressione ancora più bassa il francese J.J.B. Abria (l811-l892) nel 1843 osserva la scarica dividersi in strati
alternativamente chiari e scuri, Geissler (1857) costruisce una pompa per vuoti più spinti (a vapori di mercurio) e realizza un
tubo di vetro chiuso, dentro cui sono fissati i due elettrodi. Plücker (1858), utilizzando tubi di Geissler, osservò la fluorescenza
del vetro nella parte antistante al catodo e scoprì che un magnete è in grado di spostarla. Hittorf (1869) pone nel tubo di Geissler
un oggetto tra anodo e catodo e dimostra, dall'ombra che la luce emessa dal catodo provoca nella zona antistante, che questa
luce si propaga rettilineamente; egli scopre anche che i raggi emessi dal catodo sono calorifici e che, sottoposti ad un campo
magnetico perpendicolare, essi acquistano una traiettoria elicoidale. Il britannico Karley (l87l) ipotizza, dalla deviazione che i
raggi subiscono sotto l'azione di un campo magnetico, che essi sono costituiti da particelle cariche negativamente.
(482) Bibl. 19, Vol. IlI, pag. 231.
(483) Il valore da lui trovato per q/a era 550 volte più grande del rapporto Q/M calcolato per lo ione idrogeno nei fenomeni
elettrolitici, cioè q/m = 550 Q/M. Da quello che sappiamo oggi, anziché 550 occorre trovare circa 1840; infatti, poiché la carica
dell'elettrone è uguale a quella del protone e poiché m è la massa dell'elettrone ed M è quella del nucleo d'idrogeno, cioè del
protone, si ha: 1/m = 1840 .1/M => M = 1840 m, si trova cioè quel che sappiamo e che cioè la massa del protone è circa 1840
volte quella dell'elettrone.
(484) Se non si dispone di due misure indipendenti è impossibile misurare separatamente la carica e la massa dell'elettrone;
quello che si può ottenere è solo il valore del rapporto della carica sulla massa e/m. Indicando, una volta per tutte, con e la
carica dell'elettrone e con m la sua massa, il valore per e/m trovato da Wiechert (confronta con la nota 483) doveva essere tra le
2 000 e le 4 000 volte il rapporto Q/M per lo ione idrogeno trovato nei fenomeni elettrolitici.
(485) Quando uno ione attraversa un vapore soprasaturo, agisce da nucleo di condensazione per il vapore ed intorno ad esso si
forma una minuscola gocciolina. Con questo strumento è quindi possibile seguire il cammino di una particella carica in un dato
FISICA/MENTE
recipiente riempito di vapore soprasaturo (camera a nebbia).
NOTE RELATIVE AL PARAGRAFO 3 (HERTZ)
(1) Un’altra delle conseguenze sperimentali delle equazioni di Maxwell riguardava la cosiddetta ‘pressione di radiazione’, Poiché
alla luce, come onda elettromagnetica, veniva assegnata una quantità di moto, doveva discendere come conseguenza una
pressione che la radiazione esercitava sulla materia. Per approfondire questo aspetto si può vedere R. Renzetti, La pressione
della luce, La Fisica nella Scuola, 3, 1991.
(2) Intorno al 1875 la situazione nell’ambito dell’ottica, ed in particolare quella dei corpi in movimento, era la seguente: - la
teoria ondulatoria della luce aveva avuto il suo riconoscimento ufficiale. Le misure di velocità della luce di Fizeau avevano
corroborato la spiegazione che la stessa teoria ondulatoria dava della rifrazione ammettendo che la luce avesse minore velocità
nei mezzi meno densi (contrariamente a quanto ammetteva la teoria corpuscolare). La teoria ondulatoria elaborata da Fresnel –
1818 – con l’ammissione di propagazione della luce per onde trasversali aveva spiegato – almeno al primo ordine di v/c – tutti i
fenomeni ottici fino ad allora noti tra cui l’esperienza di Arago – 1810 – che dimostrava la non influenza del moto orbitale della
Terra sulla rifrazione della luce proveniente dalle stelle – fatto che risultava in contrasto con la teoria corpuscolare della luce
medesima. Per conseguire tale risultato Fresnel aveva dovuto ammettere un trascinamento parziale dell’etere da parte dei corpi
in moto all’interno del medesimo. Questo trascinamento doveva dipendere dall’indice di rifrazione n della sostanza attraverso la
quale si propaga la luce con una velocità data dalla formula: w = c/n ± v(1 – 1/n2), dove la quantità 1 – 1/n² è il coefficiente di
trascinamento dell’etere e v è la velocità di spostamento del mezzo rispetto all’etere immobile (una tale relazione fu verificata
sperimentalmente da Fizeau al primo ordine di v/c);
– l’etere, indifferente nella fisica di Newton (questi sembra propendere per una sua esistenza nel sistema solare ma certamente
non lo pensa esteso all’infinito), acquista negli anni sempre maggiore importanza sembrando indispensabile sostegno alle
‘vibrazioni della luce’ che ora entravano anche per via elettromagnetica.
– la teoria dell’etere immobile (che qualcuno voleva identificare con lo spazio assoluto di Newton e lo voleva come riferimento
assoluto) spiegava bene il fenomeno dell’aberrazione (nel corso di un anno le stelle, osservate dalla Terra, descrivono delle
piccole ellissi nella volta celeste; il fenomeno fu scoperto da Bradley nel 1728) ma non riusciva a spiegare una serie di fenomeni
diversi tra cui l’esperienza di Arago e quella di Airy (misura della velocità della luce mediante un cannocchiale riempito
d’acqua);
–la teoria del trascinamento totale dell’etere (Stokes, 1845) incontrava delle difficoltà nella spiegazione dell’aberrazione e
risultava in disaccordo con le misure di Fizeau (misura della velocità della luce in un mezzo trasparente in moto);
-la fusione dell’etere ottico con l’etere elettromagnetico rese sempre più urgente la sua ricerca sperimentale insieme a quella
FISICA/MENTE
delle sue presunte proprietà e dei suoi rapporti con la materia in moto;
–l’Accademia delle Scienze di Parigi invitava i ricercatori a lavorare in questo senso;
-si andava diffondendo la coscienza che il problema era ormai quello di ricercare effetti del secondo ordine in v/c (e qui
ritorniamo alla lettera che Maxwell indirizzò a Todd e che fu pubblicata postuma su Nature nel 1880: in essa Maxwell
affermava “ … nei metodi terrestri per la determinazione della velocità della luce, la luce stessa torna indietro sempre lungo la
stessa traiettoria, così che la velocità della Terra rispetto all’etere dovrebbe alterare il tempo necessario per il doppio passaggio di
una quantità che dipende dal quadrato del rapporto tra la velocità della Terra e quella della luce [effetto del secondo ordine]: il
quale è un valore troppo piccolo per poter essere osservato …”);
–di lì a poco lo statunitense Michelson avrebbe realizzato l’esperienza auspicata da Maxwell.
(3) Allo scopo e per le implicazioni connesse si veda anche bibl. 3, pag.231. Si noti che anche la polarizzazione statica dei
dielettrici, così come era stata osservata da Faraday, andava a sostegno della teoria di Maxwell.
(4) Lo stesso Helmholtz sosterrà: “Le due teorie [la sua e quella di Maxwell] sono in un certo senso l’una il contrario dell’altra
…” (bibl.4, pag. 13, nota 2).
(5) I brani riportati dell’articolo di Helmholtz in oggetto, Uber die Bewegungsgleichungen der Elektricitact fur ruhende leitende
Korper sono citati in bibl. 2 , pag. 250.
(6) Si veda l’Introduzione dello stesso Hertz alla sua opera Electric Waves, bibl. 1, pag. 1.
(7) Anche il Maxwell che in seguito fu letto da Hertz, per stessa ammissione di quest’ultimo, gli risultava abbastanza oscuro:
“Non sono mai stato sicuro di aver compreso il significato delle sue affermazioni “ (ibidem, pag. 20). Si noti a parte la grande
potenzialità che ha l’indeterminatezza logica di una teoria (in questo caso quella di Maxwell).
(8) Bibl. 3, pag. 232.
(9) Bibl. 1, pag. 1.
(10) Uber die Beziehungen Zwischen den Maxwellsuchen electrodynamischen Grundgleichungen und den Grundgleichungen
der gegner Elektrodynamik, Wiedemann’s Annalen, 23, 1884,pagg.84-103.
(11) Occorreva disporre di un campo elettrico che variasse con grande frequenza. In questo modo, a maggiore frequenza di
variazione del campo elettrico, corrisponde una maggiore frequenza di variazione del campo magnetico concatenato e pertanto
FISICA/MENTE
una maggiore induzione. Se poi l’intensità del campo elettrico è grande si ottiene un’induzione ancora maggiore e, in definitiva,
una maggiore variazione della polarizzazione.
(12) Questo fatto era già stato segnalato da F. Savary nel 1827, da J. Henry nel 1842 e da Helmholtz nella sua famosa memoria
del 1847, Uber die Erhaltung der Kraft (Sulla conservazione della forza). Tra il 1853 ed il 1856, Kelvin risolse teoricamente il
problema trovando le condizioni di oscillazione, la frequenza e lo smorzamento in funzione della capacità C della bottiglia di
Leida, della resistenza R e del coefficiente di autoinduzione L del circuito [la resistenza R minore della radice del rapporto
dell'induttanza L e la capacità C]. Tra l’altro Kelvin dimostrò analiticamente che la frequenza delle oscillazioni di una bottiglia
di Leida (la radice del rapporto di L su C) è grandissima (dell’ordine di grandezza dei raggi infrarossi da poco scoperti) anche
se più piccola di quella della luce [la frequenza è proporzionale, con costante di proporzionalità che vale ½ p per la radice del
prodotto dell'induttanza L per la capacità C].
(13) Le oscillazioni prodotte da una bottiglia di Leida, nel caso migliore, hanno una lunghezza d’onda dell’ordine del
chilometro. Era pertanto impossibile che la scarica, con l’energia che può fornire una tale bottiglia, fosse rilevabile alla distanza
di 1 chilometro. Inoltre era impossibile misurare la lunghezza di una tale onda all’interno di un piccolo laboratorio.
(14) In una conferenza in cui trattò di Collegamenti tra luce ed elettricità. Bibl. 6, pag.81.
(15) Uber sehr schnelle elektrischen Schwingungen, Wiedemann’s Annalen, 31, 1887, pag. 421. I lavori di Hertz sono raccolti in
tre volumi: 1) Gesammelte Werke , Lipsia, 1914; 2) Electric Waves, New York, 1962; 3) The principles of Mechanics, New York,
1956. La memoria del 1884, già citata, è nel volume 1; quella in oggetto (1887) è nel volume 2. La traduzione qui riportata è
tratta da bibl. 11, Vol. III, pag. 224.
(16) Dalla conferenza citata in nota 14. Si noti che Hertz si serviva anche di un oculare per osservare le scintille nello
spinterometro M.
(17) Si noti che, in accordo con la teoria di Maxwell, la presenza di scintille in M in un caso e l’assenza nell’altro può essere
interpretato come conseguenza del fatto che le perturbazioni elettromagnetiche sono dotate di grande regolarità e si propagano
con velocità finita.
(18) Nel portare avanti queste sue ricerche Hertz si imbatté nell’effetto fotoelettrico originato dalla presenza di luce ultravioletta
nelle scintille del primario. Egli descrisse il fenomeno, che tra l’altro si presentò come una complicazione sperimentale, nella
memoria On an Effect of Ultraviolet Light Upon the Electric Discharge, Wiedemann’s Annalen, 31, 1887,pag. 983. Per
approfondire questo aspetto vedi: R. Renzetti, Venti anni di effetto fotoelettrico, La Fisica nella Scuola, 3, 1992.
(19) Bibl. 1, pagg. 4-5.
(20) On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators, Sitzungsber. d. Berl. Akad. d. Wiss.(10
FISICA/MENTE
novembre 1887). Riportata in bibl. 1, pagg. 95-106.
(21) Bibl. 1, pagg. 7 e sgg.
(22) Ibidem. La traduzione di questo brano è tratta da D’Agostino, bibl. 4, pag. 5. Nel seguito mi servirò ancora della traccia
suggerita da questa referenza.
(23) Una stimolante discussione sul diverso significato che Hertz ed Helmholtz annettevano alla ‘terza ipotesi’ si trova in bibl. 4,
pagg. 5-13 ed in bibl. 5, pagg. 311-321.
(24) Bibl. 1, pag. 6. Si deve notare che fino ad allora Hertz aveva interpretato le scintille che si producevano nel rivelatore come
un normale effetto d’induzione alla Faraday. Ma l’induzione agisce a breve distanza! Hertz si rese quindi conto di trovarsi
dinanzi ad un fenomeno diverso.
(26) On the Finite Velocity of Propagation of Electromagnetic Action, Wiedemann’s Annalen, 34, 1888, pag. 551. Riportato in
bibl. 1, pagg. 107-123.
(27) Secondo la strumentazione di Hertz il cambiamento di segno si sarebbe dovuto avere ogni 2,8 metri. Si ricordi che già era
noto che le onde in un cavo viaggiano con velocità finita.
(28) La tecnica di rivelazione è alquanto complicata e mostra l’alto grado di sofisticazione di questa esperienza. Una descrizione
di una tale tecnica si può trovare in bibl. 2, pagg. 272-285.
(29) Serviva il periodo di oscillazione del primario perché Hertz calcolava la velocità dell’onda nel cavo mediante la distanza tra
i ventri ed i nodi dell’onda stazionaria (lunghezza d’onda) divisa per il periodo di oscillazione del primario. Si noti che, sempre
nel 1890, E. Lecher fece delle misure che fornivano un valore approssimato al 2% di quello della velocità della luce. Nel 1893, a
Ginevra, E. Saracin e L. de La Rive mostrarono definitivamente che la velocità delle onde elettromagnetiche nei cavi e nell’aria
è la stessa.
(30) Obiezioni sulla liceità dell’intera esperienza furono mosse da L. de La Rive e da Poincaré: gli effetti misurati potevano
essere di origine strumentale. Certamente un difetto dell’esperienza stava nel disporre di un primario che forniva oscillazioni
fortemente smorzate (a causa, ad esempio, dell’irraggiamento) e quindi non armoniche.
(31) Bibl. 1, pag. 11. Si noti che le riflessioni delle onde, da tempo già osservate da Hertz, erano state da lui trascurate quando si
muoveva nel contesto della teoria di Helmholtz.
FISICA/MENTE
(32) On Electromagnetic Waves in Air and Their Reflection, Wiedemann’s Annalen, 34, 1888, pag. 610. Riportato in bibl. 1,
pagg. 124-136. On Electric Radiation, Wiedemann’s Annalen, 36, 1889, pag. 769. Riportato in bibl. 1, pagg. 172-185.
(33) Occorre notare che tra il 1893 ed il 1896 le esperienze di Hertz furono perfezionate da A. Righi il quale si servì di un
oscillatore in grado di produrre onde a frequenza più elevata e quindi più vicina a quella della luce. I risultati dei lavori di Righi
furono pubblicati in un’opera il cui titolo è un vero compendio del suo contenuto, L’ottica delle oscillazioni elettriche, 1897.
(34) The Forces of Electric Oscillations, Treated According to Maxwell’s Theory, Wiedemann’s Annalen, 36, 1889, pag. 1. On
the Fundamental Equations of Electrodynamics for Bodies at Rest, Wiedemann’s Annalen, 40, 1890, pag. 577. On the
Fundamental Equations of Electrodynamics for Moving Bodies, 41, 1890, pag. 369. Tutte queste memorie sono riportate in bibl.
1 rispettivamente alle pagg. 137-159; 195-240; 241-268. Si noti che le elaborazioni teoriche sull’irraggiamento del dipolo
rettilineo di Hertz, presenti nella prima di queste tre memorie, serviranno di base per i conti che molti teorici elaboreranno nel
futuro. In particolare Planck partì da qui per i suoi studi sull’irraggiamento del corpo nero. Si noti ancora che la provata
identità di luce ed onde elettromagnetiche con il fatto che queste ultime si possono produrre con correnti oscillanti, apre a due
nuovi problemi:come si produce la luce dagli atomi costituenti i corpi e come fa la luce a trasmettersi attraverso i corpi
trasparenti. (35) Si noti che a risultati dello stesso tipo era arrivato G.F. Fitzgerald nel 1883.
(36) Bibl. 1, pag . 195.
(37) Valga questo periodo a conferma di quanto dicevo più su: in realtà questa non era la posizione di Maxwell ma di
Helmholtz. Si veda anche quanto sostiene Rosenfeld (bibl.8, pag. 1665) e D’Agostino (bibl.4, pag. 9).
(38) Si noti che assegnare questa posizione a Maxwell significa ammettere che la teoria di Maxwell risulta un caso limite di
quella di Helmholtz.
(39) I due esempi che Hertz porta a giustificazione di questa frase sono in bibl. 9, pag. 189. Si osservi comunque che il punto
chiave da cui Hertz parte è la polarizzazione del dielettrico.
(40) Agli stessi risultati, come già accennato, era giunto O. Heaviside nel 1885. Si noti che Hertz dimostra anche l’accordo di
queste equazioni con la conservazione dell’energia.
(41) Soprattutto per le conseguenze metodologiche che aprirono la strada ai lavori di Einstein.
(42) Bibl. 9, pag. 201. E’ da notare che vengono accantonati tutti i problemi riguardanti la costituzione dell’etere. Quest’ultimo
rimane come la sostanza materiale che sostiene il campo; le proprietà fisiche dell’etere permettono di spiegare i fenomeni ottici
ed elettromagnetici e potranno dare una spiegazione anche del comportamento della materia ordinaria in fenomeni come
l’inerzia e la gravità.
FISICA/MENTE
(43) Bibl. 1, pag. 28. La traduzione è tratta da bibl. 7, pagg. 212-213. (44) Ibidem, pag. 25. Ad esempio i campi elettrici nel vuoto
sono considerati come polarizzazioni dell’etere e, conseguentemente, la carica elettrica del vuoto è data dallo stato di
polarizzazione dell’etere. Ed ancora con la polarizzazione dell’etere si identifica la corrente di spostamento di Maxwell.
(45) Bibl. 4, pag. 10.
(46) Si notino i primi passi in direzione dei lavori di Einstein.
(47) Ciò corrisponde a quanto dicevo qualche riga più su: non c’è distinzione, in Hertz, tra materia e forza.
(48) Si veda nota 2. La possibilità che sembrava più promettente non era né l’una né l’altra delle due che Hertz discute; si
trattava invece del trascinamento parziale di Fresnel-Fizeau.
(49) Bibl. 1, pag. 242. Si osservi che la teoria di Hertz dava risultati soddisfacenti nel caso di conduttori in moto; là dove cadeva
in difetto era nel caso di dielettrici in moto.
(50) Bibl. 1, pag. 246. La traduzione di questo brano è tratta da bibl. 10, pagg. 89-90. Si noti che il metodo di deduzione di Hertz
delle equazioni di Maxwell per i corpi in moto, si serviva del concetto di ‘derivata convettiva’ (ibidem) da lui introdotto per
rendere conto degli effetti di variazione del campo magnetico su un conduttore in moto e dovuti allo spazio circostante il
conduttore stesso.
(51) Bibl. 10, pagg. 90-91. Occorre sottolineare di nuovo, in relazione al punto f, che la teoria di Hertz può essere applicata solo
nell’ipotesi di esistenza di etere e di suo trascinamento totale. Di conseguenza essa non può essere applicata allo spazio vuoto ed
indipendentemente da ipotesi sullo stato di quiete o di moto dell’etere medesimo.
(541) Nel 1881 J.J. Thomson fece il tentativo di dedurre il coefficiente di trascinamento di Fresnel dalla teoria elettromagnetica
estendendo le equazioni di Maxwell al caso di un dielettrico in movimento, ottenendo un risultato che, secondo Thomson, era in
accordo con l'esperienza di Fizeau. Nel 1882 G.F. Fitzgerald si occupò per primo degli effetti che il moto della Terra dovevano
produrre sui fenomeni elettromagnetici, trovando che questi effetti si devono cancellare l'un l'altro simultaneamente (bibl.124,
pagg. 23-24).
(542) Bibl. 123, pagg. 132-133. Gli stessi concetti sono espressi da Maxwell nella voce Etere che egli scrisse per l'Enciclopedia
Britannica.
(543) G.H. Quincke (1834-1924) aveva lavorato con metodi interferenziali sia in ottica che in acustica (tubo di Quincke). R.W.
FISICA/MENTE
Bunsen (l8ll-l899) aveva lavorato, come già accennato, in spettroscopia con Kirchhoff, in fotometria ed in vari altri campi. A.
Cornu (1841-1902) aveva lavorato in spettroscopia e a misure di c (migliorando il metodo di Fizeau). G. Lippmann (1845-1921)
stava lavorando in tecniche avanzatissime di fotografia ed una sua realizzazione del 1893 gli valse il premio Nobel del 1908.
(544) Per questa ed altre interessanti notizie sulla storia delle esperienze di Michelson (e Morley) si vedano bibll.120 e 121.
Questa prima esperienza di Michelson era stata finanziata da A.G. Bell (colui che nel 1876 aveva brevettato il telefono) ed
iniziata a Berlino e quindi realizzata a Potsdam.
(545) A.A. Michelson, The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether, in American Journal of Science, S. 3, 22,
l88l; pagg. 120-129. La traduzione qui riportata è tratta da bibl. 123, pagg. 134-139.
(546) Nella memoria di Michelson del 1881, il calcolo di questo tempo era errato, poiché Michelson non aveva tenuto conto del
fatto che il vento d'etere si faceva sentire anche in questo caso. Egli dava quindi per t2 il valore 2d/c. L'errore, come lo stesso
Michelson afferma nella sua memoria con Morley del 1887, gli fu fatto notare dal fisico francese M. A. Potier nell'inverno del
1881. Esso fu subito corretto ed i risultati furono pubblicati su Comptes Rendus, 94, 520; 1882. Ma le cose ancora non andavano
bene e fu Lorentz nel 1886 a far notare che con i conti fatti da Michelson l'effetto da attendersi era sopravvalutato di un fattore
2.
(547) Con questa rotazione di 90° dello strumento viene eliminato anche un altro effetto: il fatto che non siamo ben sicuri della
direzione del vento d'etere anche se possiamo sospettare che sia tangente alla traiettoria della Terra intorno al Sole.
(548) Si noti che in assenza di vento d'etere e nell'ipotesi di bracci perfettamente uguali, in O non si dovrebbe avere nessuna
frangia d'interferenza, ma solo una interferenza costruttiva che darebbe il massimo di illuminazione. Ancora in assenza di vento
d'etere l'inevitabile disuguaglianza della lunghezza dei due bracci provoca inrterferenza. Qualora ci fosse il vento d'etere queste
frange d'interferenza dovrebbero spostarsi quando l'apparato viene ruotato di 90°. Questo era il risultato che si aspettava.
(549) Bibl. 123, pag. 139. Si tenga conto che le difficoltà nell'interpretazione dell'esperimento di Michelson sono di gran lunga
maggiori di quanto qui si è discusso. Allo scopo si può consultare il saggio di Holton, Einstein, Michelson y el experimento
crucial, riportato in bibl. 127. In particolare si veda la pag. 209.
(550) Per questa ed. altre notizie qui riportate rimando a bibl. 120.
(551) La richiesta di ciò era venuta da Rayleigh e Kelvin direttamente a Michelson mentre i due fisici britannici si trovavano
negli Stati Uniti per un giro di conferenze (1884).
(552) A.A. Michelson, E.W. Morley, Influence of Motion of the Medium on the Velocity of Light, Amer. Journ. Sci., 31; 1886;
pagg. 377-386.
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(553) H.A. Lorentz, De l'influence du mouvement de la terre sur les phénomènes lumineux, Arch. néerl., 21; 1887; pagg. 103-176
(già pubblicata in tedesco nel 1886).
(554) Ibidem, pag. 103.
(555) Si riveda la nota 313. Si noti che verso la fine del secolo la teoria di Stokes fu ripresa e perfezionata da Planck con
l'ammissione di un etere compressibile, irrotazionale e con un piccolo scorrimento rispetto ai corpi gravitanti massicci, intorno
ai quali è altamente condensato. Per una riproposizione, oggi, della teoria di Stokes-Planck si può vedere: AA.VV. , Esperimenti
di ottica classica ed etere, Scientia, Vol. III, fasc. 3°, 1976
(556) Per quanto qui dirò, mi sono servito di bibl. 124 e 128.
(557) H.A. Lorentz, De l'influence ..., citata, pag. 162.
(558) Si veda bibl. 120, pag. 29.
(559) Ibidem.
(560) Tra l'altro la lastra di vetro P di figura 30 era ora sostituita da una lastra con la faccia posteriore leggermente argentata
(cosa imparata da Michelson ad Heidelberg) in modo da ottenere uno specchio semitrasparente che forniva una figura
d'interferenza molto più chiara. Per questo strumento e per le misure che esso permetteva, Michelson ebbe il premio Nobel nel
1907.
(561) A.A. Michelson, E.H. Morley, On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether, Amer. Journ.Sci., S.3, 34;
1887; pagg. 331-345. Ed anche su Phil. Mag., S. 5, 24; 1887; pagg. 449-463.
(562) Phil. Mag. pag. 451 e pagg. 458-459. La traduzione qui riportata è tratta da bibl. 123, pag. 140 e pagg. 144-145.
(563) Si osservi che la conclusione dei due ricercatori statunitensi, per essere completamente corretta, doveva prevedere almeno
un'altra misura in un periodo diverso dell'anno (meglio a 6 mesi di distanza). Supponendo infatti che, nel dato periodo dell'anno
in cui l'esperienza fu fatta, l'etere e la Terra fossero l'uno relativamente all'altra immobili perché, ad esempio, l'etere riempiente
tutto lo spazio si muoveva con la stessa velocità orbitale della l'erra con il verso della tangente alla traiettoria in quel momento,
ebbene una misura a sei mesi di distanza, con la Terra dotata di velocità in verso opposto, avrebbe evidenziato un effetto doppio.
Ebbene, anche se questa esperienza era preventivata, non fu mai eseguita da Michelson-Morley, contrariamente a quanto si
legge su molti libri.
(564) L'esperienza di Michelson-Morley, sempre con gli stessi risultati, fu ripetuta dallo stesso Michelson ad una differente
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altezza dal livello del mare (Michelson continuava con i dubbi che aveva espresso a Rayleigh)^ nel 1897, quindi da Morley e
Miller tra il 1902 ed il 1904 e poi da svariati altri ricercatori, almeno fino al 1958 con tecniche sempre più sofisticate. Si noti che
furono anche ideate diverse varianti dell'esperienza: quella di Trouton e Noble (1903), di Trouton e Rankine (l908), e così via;
anche qui il risultato fu sempre negativo.
(565) I brani qui riportati sono tratti da bibl. 84, pagg. 159-160.
(566) Su questi argomenti Lorentz tornerà nel discorso inaugurale da lui tenuto, il 25 gennaio 1878, all'atto di prendere possesso
della cattedra di fisica teorica presso l'Università di Leiden.
(567) La formula della dispersione di Lorenz-Lorentz è:
(n2 + 2)/(n2 - 1) = (A - B/λ2)/(C/λ2 - D)
dove n è l'indice di rifrazione, A, B, C, D sono delle costanti e λ la lunghezza d'onda della luce nel vuoto.
(568) Un qualcosa di analogo era stato sostenuto da L. Lorenz nel 1867 (si veda il paragrafo 3 del capitolo III).
(569) Citato in Hirosige, bibl. 114, pag. 175.
(570) Elaborò (l880) una teoria cinetica della propagazione del suono; confermò (l88l) la validità dell'equazione di Van der
Waals per i gas reali (che era stata messa in discussione da Maxwell); si occupò (l886) dell'effetto termoelettrico da un punto di
vista termodinamico; completò (1887) il famoso teorema H di Boltzmann, che stabiliva l'unidirezionalità del tempo nei processi
descritti dalla teoria cinetica, in modo analogo a quanto la termodinamica aveva ricavato per l'entropia.
(571) H.A. Lorentz: La théorie électromagnetique de Maxwell et son application aux corps mouvants, Arch. neerl., 25; l892;
pag. 363.
Occorre qui ricordare che, prima del 1892, Lorentz aveva scritto un'altra memoria, quella del 1886 (della quale abbiamo già
parlato diffusamente alla fine del paragrafo precedente), nella quale si discuteva della Influenza del moto della Terra sui
fenomeni luminosi e con la quale si andavano ampliando i suoi interessi in direzione dell'elettrodinamica dei corpi in
movimento. E' questa la memoria nella quale si sviluppava la teoria dell'interazione tra etere e materia, dell'immobilità
dell'etere e del suo trascinamento parziale in alcune condizioni, dopo una discussione nella quale si dimostrava l'inconsistenza
della teoria di Stokes e si metteva in discussione l'attendibilità dei risultati dell'esperimento di Michelson del l88l. In questa
memoria l'etere e la materia giocavano ancora ruoli diversi; la materia costituita da cariche elettriche particellari e l'etere che,
nei fatti, è esso stesso campo. In questa costruzione è sempre la carica elettrica, che con le sue oscillazioni origina il campo,
l'elemento di unione tra l'etere e la materia.
FISICA/MENTE
(572) Occorre notare che la stesso Lorentz annunciò la sua conversione in una conferenza, Elettricità ed etere, che egli
pronunciò al Congresso Olandese di Fisica e Medicina nell'aprile del 1891; in questa conferenza egli addusse anche le ragioni
per le quali la teoria di Maxwell era preferibile a quelle della scuola continentale. Si deve inoltre notare che Lorentz fu aiutato a
modificare le sue concezioni anche dalla lettura di un lavoro di Poincaré: Électricté et optique. I. Les théories de Maxwell et la
théorie électromagnetique de la lumière, Parigi, 1890.
(573) In questa memoria e soprattutto in quella successiva del 1895 Lorentz parla di ioni. Solo nella memoria del 1899 si
introduce il termine elettrone. L'idea di una struttura discontinua della carica elettrica che portò poi alla scoperta dell'elettrone
cominciò a porsi in relazione agli esperimenti di Faraday sull'elettrolisi del 1833. Questi esperimenti, come già accennato,
rivelarono alcuni fatti inattesi e peraltro non spiegati dallo stesso Faraday, perché ad un elettrodo si liberi un grammo-atomo di
un elemento di valenza Z, facente parte del composto in questione, la soluzione elettrolitica deve essere attraversata sempre da
una quantità di elettricità pari a Z volte 96.522 Coulomb. La spiegazione di questo fenomeno fu data nel l874 dall'irlandese G.J.
Stones (1826-1911). Egli mostrò che se la materia e l'elettricità sono considerate discontinue e formate di tante piccole particelle,
allora tutti gli esperimenti di Faraday diventano semplici da spiegare. Se ciascun atomo di materia nel passare attraverso la
soluzione elettrolitica porta con sé una quantità di carica definita e ben determinata, allora la quantità di materia depositata su
di un elettrodo sarà direttamente proporzionale a questa quantità di carica. Ora, un grammo-atomo di materia contiene un
numero di atomi pari a N (numero di Avogadro) e quindi ciascun atomo trasporta una carica q pari a:
q = Z. (96.522/N) coulomb.
Così la carica che ogni ione elettrolitico di qualsiasi tipo esso sia, trasporta è sempre multipla di 96.522/N, che quindi risulta
essere la carica elementare (e). Il lavoro di Stoney fu pubblicato solo nel 1881 (Phil. Mag. 11, 384; 1881) anno in cui anche
Helmholtz era diventato un fervente sostenitore dell'esistenza di questa carica elementare (J. Chem. Soc. 39, 277;1881). E'
importante sottolineare l'adesione di Helmholtz a questa teoria poiché il prestigio di cui egli godeva permise una più rapida
propagazione dell'idea. Fu comunque ancora Stoney che ne1 1891 diede alla supposta carica elementare il nome di elettrone.
Va comunque notato che, come osserva Wittaker (bibl.112, Vol.1, nota 3 di pag. 392), al di là di uno stimolo concettuale,
l'elettrone in quanto tale, così come era postulato dai lavori di Stoney ed Helmholtz, non ebbe alcuna influenza sullo sviluppo
della teoria elettromagnetica. Anche la stessa scoperta sperimentale dell'elettrone, fatta da J.J. Thomson ne1 1897, non modificò
in nulla l'elettromagnetismo classico. L'unica conseguenza che ebbe fu il fornire una solida base alla teoria di Lorentz. La
ragione di ciò risiede nel fatto che, per l'elettromagnetismo classico, è poco importante che esistano delle particelle che
possiedono la stessa carica. L'importante è che si abbiano delle cariche particellari, infatti "l'uguaglianza o la disuguaglianza di
queste cariche non fa differenza per le equazioni. Per fare un esempio dalla meccanica celeste, non vi sarebbe alcuna d ifferenza
nelle equazioni se le masse dei pianeti fossero tutte uguali". Il fatto però che si fosse riusciti ad individuare ima carica elementare
per altri versi ebbe una ricaduta enorme nella fisica: nello sviluppo della fisica dei quanti e della fisica atomica.
(574) Nella memoria citata in nota 571. La traduzione dei brani riportati è tratta da bibl. 84, pag. 167-174.
FISICA/MENTE
(575) II primo che aveva dedotto questa formula in modo corretto era stato Heavisi de nel 1889; J.J. Thomson vi si era
avvicinato nel l88l. Come si può vedere la relazione che fornisce la forza di Lorentz è composta dalla somma di due termini; uno
rappresenta l'azione sulla carica da parte del campo elettrico E, l'altro l'azione sulla carica in moto da parte del campo
magnetico B. Si può subito ricavare che, nel caso di carica ferma (v = 0), l'unica forza che agisce è la ben nota relazione
elettrostatica F = qE. In assenza poi di campo elettrico (E = 0) e nelle condizioni corrispondenti ad α=90°, si trova F = qvB.
(576) Bibl. 120, pag. 32.
(577) O.J. Lodge: On the present state of our knowledge of the connection between ether and matter: an historical summary,
Nature, 46, 165; 1892; pagg. 164-165. Si veda. bibl. 122.
(578) La prima volta che Fitzgerald pubblicò i suoi risultati in proposito fu nel 1902, nel Vol. 34 dei suoi Scritti scientifici
pubblicati a Dublino dalla University Press.
(579) Nella nota 2 a pag. 121 di bibl. 134, Vol. 5, in un lavoro di Lorentz del 1895, quest'ultimo affermò che non conosceva
l'ipotesi di Fitzgerald. Conoscendo l'onestà intellettuale di Lorentz c'è da crederci.
(580) H.A. Lorentz: The Relative Motion of the Earth and the Ether, Arch. Néerl. Sci., 25, 363; 1892. Riportato su bibl. 134,
Vol.4, pagg. 219-223.
(581) H.A. Lorentz: Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpen, pubb licata su
bibl. 134, Vol 5, pagg. 1-137. La parte di questa memoria relativa all'esperienza di Michelson è stata tradotta in inglese e
pubblicata in bibl. 131, pagg.3-7. Una sintesi di questa parte è anche tradotta in italiano in bibl.123, pagg. 145-148.
(582) Bibl. 134, Vol. 4, pagg. 221-222.
(583) Ibidem.
(584) Bibl.131, pagg. 4-6. Si veda anche bibl. 123, pagg. 146-148, dalla quale è stata ripresa la traduzione di questo brano.
(585) Allo stesso risultato e nello stesso periodo era arrivato anche Heaviside.
(586) E' utile notare che nel 1892 Lorentz aveva fornito per la contrazione il valore approssimato 1 - v2/2c2, che si ottiene dal
valore dato nel 1895, (1 - v2/c2)1/2 sviluppato in serie secondo il binomio di Newton e fermandosi al secondo ordine in v/c (come
abbiamo visto nel paragrafo precedente).
(587) Quanto qui sostenuto è in accordo con quanto dice D'Agostino. Allo scopo si veda bibl.113, pag.35 e bibl.l5, fasc. Xl(c),
FISICA/MENTE
pagg.11-12. Anche in bibl.54, pag.163 ed in bibl. 132, pag.58 è sostenuta la stessa tesi. L'eventuale ipotesi ad hoc starebbe
nell'estensione delle forze elettriche e magnetiche alle forze molecolari.
(588) Bibl. 131, pagg. 5-6.
(589) Ibidem, pagg. 6-7.
(590) Si confronti anche con bibl. 113, pag. 135.
(591) Bibl. 131, pag. 6.
(592) Sulla questione della simultaneità, che ora sembra scontata, dovremo tornare in seguito.
(593) Anche se non ne farò cenno nel testo, va ricordato che in questa memoria Lorentz ricaverà, in modo più semplice ed in un
caso più generale, il coefficiente di trascinamento di Fresnel.
(594) Si veda la nota 524.
(595) La possibilità di operare in questo modo era stata mostrata dal fisico statunitense J. W. Gibbs (1839-1903) nel 1882-1883.
Allo scopo si veda bibl. 112, vol.I, pag. 396, nota 4.
(596) Bibl. 134, Vol.V, pag. 84. Si osservi che questo enunciato differisce leggermente da quello di Lorentz per il simbolo
utilizzato per la velocità v e per gli apici sulle funzioni e sulle variabili.
(597) Lorentz aveva già introdotto un'equazione di trasformazione per la variabile tempo, come risultato di un cambiamento di
coordinate, nella sua memoria del 1892: t' = t - v/[c2(1 - v2/c2]1/2 (supponendo uno spostamento lungo l'asse x di un sistema in
moto con velocità v rispetto ad un sistema in riposo).
(598) Ibidem, pag. 50. Citato in bibl. 114, pag. 207.
(599) E' interessante riportare il modo con cui Kottler introduce il tempo locale (bibl.l46, pagg.240-24l):
" Consideriamo al tempo t un'onda luminosa emessa al tempo zero da una sorgente di luce in movimento; essa si trova su una
superficie sferica di raggio ct, e la sorgente luminosa si è allontanata dal centro di questa superficie della distanza vt nel verso del
moto. I cammini percorsi dalla luce durante il tempo t appaiono allora come delle lunghezze disuguali, minima nella direziono del
moto (c - v)t, e massima nella direzione contraria (c + v)t. Di conseguenza è estremamente scomodo il tenerne conto nel calcolo,
poiché, per ogni direzione, bisogna considerare un'altra velocità. Il tempo locale di Lorentz fornisce un mezzo di calcolo comodo.
FISICA/MENTE
Per esempio, invece di rappresentarci, nel verso del moto, un moto della luce di velocità c - v, avente luogo nel tempo t, possiamo
rappresentarci un moto di velocità invariabile c, ma avente luogo durante un tempo più breve t'1, tale che il tragitto della luce resti lo
stesso: ct'1 = (c - v)t . In modo analogo, per il verso opposto si ha in luogo della velocità più grande c + v > c, un tempo t' più lungo:
ct'2 = (c + v)t. In modo del tutto generale, per una qualunque direzione r, si ha, in luogo della velocità variabile c - vr, dove vr è la
componente del moto della Terra per la data direzione, si considera il tempo variabile t', dato che il tragitto della luce ct' = (c - vr)t
resta invariabile. Da questo si ricava t' = (ct - vrt)/c [= t - vrt/c = t - vrc t/c2] = t - vr r/c2, dove r = ct è il raggio dell'onda sferica."
(600) Anche questo argomento, oltre a quelle relativo all'ipotesi della contrazione , fa concludere a Lorentz che è impossibile
rilevare il moto della Terra rispetto all'etere, almeno al primo ordine di v/c.
(601) E' interessante notare, con D'Agostino (bibl.113, pag.34), il modo con cui Lorentz costruisce la teoria "per passi successivi,
a partire da formulazioni matematiche a cui si attribuisce progressivamente significato fisico".
(602) La spiegazione dell'effetto Zeeman si può ricavare solo dalla fisica quantistica. Per una fortunata coincidenza la teoria di
Lorentz riusciva a renderne conto nel caso in cui l'effetto era normale. Nel caso più generale e più frequente, l'effetto Zeeman è
anomalo, le righe che si producono formano uno spettro molto complicato, ed in nessun modo è riconducibile alla teoria di
Lorentz. Si noti che la spiegazione teorica completa dell'effetto Zeeman normale fu elaborata e pubblicata da Lorentz nel 1897
(Phil. Mag., Vol. 43, pag. 232; 1897). Alla fine dello stesso anno T. Presten scoprì l'effetto anomalo.
(603) Bibl. 134, pag. 28. Citato in bibl. 111, pagg. 334-335.
(604) Anche Heaviside (1886 e 1891) si era scontrato con questo problema ed aveva percorso tutte le possibili strade per portarlo
a soluzione, ma mai aveva ipotizzato il rigetto del principio di azione e reazione.
(605) H. Poincaré: À propos de la théorie de M. Larmor, L'éclairage éléctrique, Vol.3, pagg.5-13 e pagg. 285-295; Vol. 5, pagg. 514 e pagg.385-392; ottobre 1895. Il fisico irlandese J. Larmor (1857-1942) aveva sviluppato una teoria, elaborazione di una
teoria del suo compatriota J. Mac Cullagh (1809-1847), che considerava 1'etere come etere girostatico, rotazionalmente elastico.
La teoria era stata inoltre applicata da Larmor alla spiegazione dei fenomeni elettromagnetici ed ottici; tutto, come faceva
rilevare Poincaré, con grandi difficoltà.
(606) Ibidem, pag. 412. Citato in inglese in bibl. 145, pag. 936. Occorre notare che questa formulazione, negli anni seguenti, sarà
chiamata da Poincaré principio di relatività. Vari autori, a partire da Whittaker (bibl.112, Vol.II, pagg.27-55; e, come esempio,
bibl. 114), hanno creduto di poter attribuire la prima formulazione relativistica a Poincaré, in connessione con Lorentz, proprio
dal brano qui riportato e da altri che vedremo più avanti. Non condivido questa posizione in accordo con altri autori (si veda, ad
esempio, bibl.54, 132, 133, 145), per i motivi che saranno discussi in seguito. Ora basti solo osservare che qui il supposto
principio di relatività viene affermato come legge empirica in attesa di una teoria che possa renderne conto.
FISICA/MENTE
(607) Ibidem, pag. 413. Citato in inglese in bibl. 145, pag. 936.
(608) H. Poincaré: La théorie de Lorentz et le principe de reaction, scritta in occasione del 25° anno del dottorato di Lorentz e
pubblicata in Recueil de travaux offert par les auteurs à H. A. Lorentz, Arch.Keerl., Vol.5, pag. 272; 1900.
Alcuni fatti accaduti tra il 1895 ed il 1900 vanno qui ricordati.
- Nel 1897 J.J. Thomson aveva scoperto l'elettrone (J.J. Thomson, On cathode rays,Phil. Mag., Vol.44; 1897) e nel 1899 ne aveva
misurato la carica e la massa (J.J. Thomson, On the masses of ions in a gas at low pressure, Phil. Mag., Vol.48; 1899. Si noti che,
soprattutto nella scuola britannica, il termine elettrone aveva il significato di ione monovalente e non quello attuale che fu invece
suggerito da O. Drude (1852-1933) nel 1900). Anche se questa scoperta non aveva un legame diretto con la teoria
elettromagnetica (si veda la nota 573), pure essa valse da possente sostegno alla teoria di Lorentz.
- Nel 1898 era uscito un articolo di Poincaré, La mesure du temps (Revue de Métaphysique et de Morale; riprodotto in La
valeur de la science, cap II; 1905. Si veda bibl.142, pagg.32-44), nel quale l'autore si occupa del problema della simultaneità e
della sincronizzazione degli orologi. Tra l'altro, in questo lavoro, l'autore afferma: "Ho cominciato con l'ammettere che la luce
ha una velocità costante e, in particolare, che la sua velocità è la stessa in tutte le direzioni. Questo è un postulato senza il quale
nessuna misura di questa velocità potrebbe essere tentata. Questo postulato non potrà mai essere verificato dall'esperienza. Questa
potrebbe contraddirlo se i risultati delle diverse misure non fossero concordi ... [Ebbene questo postulato] ci ha fornito una nuova
regola per lo studio della simultaneità ..." così noi sappiamo, per esempio, che una data eclissi di Luna non è avvertita
simultaneamente in tutti i punti del globo e questo perché la propagazione della luce non è istantanea e richiede tempi differenti
per percorrere distanze diverse. In definitiva, il problema della simultaneità è un problema di misura di tempi e noi non
possediamo una intuizione diretta della suddetta simultaneità e neppure dell'uguaglianza di due durate. A ciò serve solo
osservare, con Goldberg (bibl.145, pag.939), che il postulato della costanza della velocità della luce qui enunciato "è uno ben
strano postulato, che non può essere verificato dall'esperienza, e che può essere contraddetto da essa". Secondo Goldberg, più che
di un postulato, si tratta dell'ipotesi più comoda. Oltre a questo, Goldberg osserva: "La maggior parte dei tentativi di determinare
il moto relativo della terra e dell'etere nel diciannovesimo secolo sono stati caratterizzati dal fatto che la velocità della luce doveva
essere differente in differenti sistemi di riferimento. Avrebbe Poincaré potuto dire che senza il sistema di riferimento privilegiato
[l'etere] la velocità sarebbe stata costante ?" (ibidem).
- Nel 1899 Lorentz aveva pubblicato un altro lavoro, Théorie simplifiée des phénomenes électriques et optiques dans des corps
en mouvement (bibl. 134, Vol. V, pagg. 139-155), nel quale venivano ripresi tutti i temi trattati nella Versuch del 1895. A parte il
fatto che, a seguito della scoperta di J.J. Thomson, si introduce per la prima volta il termine elettrone in sostituzione di ione (fino
ad allora usato), in questa memoria il calcolo viene affinato e molte ipotesi semplificative renderanno più agevole l'intera teoria.
Vengono di nuovo date le equazioni di trasformazione per il tempo e per lo spazio in una forma quasi identica a quella
definitiva che si avrà solo nella memoria del 1904. Si avanza infine la possibilità di spiegare l'esperimento di Michelson
includendo nella trasformazione delle coordinate termini al secondo ordine in v/c, trascurati nella Versuch. E' interessante
FISICA/MENTE
notare, con lo stesso Lorentz, che questa possibilità
comporterebbe delle strane conseguenze come, ad esempio, la
variazione della massa degli elettroni. Lorentz commenta ciò affermando (bibl.l34, Vol.V, pag. 154. Citato in francese in
bibl.113, pag.37):
"Questa idea non è del tutto inammissibile, poiché la massa effettiva di un elettrone può dipendere da ciò che avviene nell'etere, e
durante una traslazione la direzione di questa ed una direzione perpendicolare non sono equivalenti. Se questa idea potesse essere
ammessa si potrebbe dedurre, nel modo indicato dalle nostre formule, da uno stato di moto su una terra in riposo, uno stato di moto
che sarebbe possibile nello stesso sistema ma collocato su una terra in moto. Ed è degno di nota che le dilatazioni determinate dalle
[formule di trasformazione delle coordinate spaziali] sono precisamente quelle che io ho dovuto ammettere per spiegare l'esperienza
del Sig. Michelson."
E ciò vuol dire che la variazione della massa dell'elettrone risulta tale da uguagliare la contrazione precedentemente ammessa
per rendere conto dell'esperienza di Michelson.
- Nel 1900 Larmor, nel suo lavoro Aether and. matter (Cambridge University Press, 1900), afferma la necessità di estendere le
equazioni di trasformazione di Lorentz ad ordini superiori di v/c. Egli osserva anche che, vista vera la contrazione di LorentzFitzgerald, un orologio che si muovesse con una velocità v rispetto all'etere, dovrebbe rallentare del rapporto l/(1 - v2/c2)1/2 .
- Nel 1900 Poincaré torna sul principio di relatività in una comunicazione letta al Congresso internazionale di fisica che ebbe
luogo a Parigi in quell'anno (la comunicazione è stata pubblicata su La scienza e l'ipotesi, capitoli 9 e 10. Si veda bibl.140, pagg.
137-173). Egli dice (ibidem, 165-166):
"Io non credo, malgrado Lorentz, che osservazioni più precise possano mai mettere in evidenza altro che spostamenti relativi dei
corpi materiali. Si son fatte esperienze, che avrebbero dovuto svelare i termini del primo ordine: i risultati sono stati negativi ... Si è
cercata una spiegazione generale, e Lorentz l'ha trovata ... Allora si son fatte esperienze più precise [al secondo ordine di v/c];
anch'esse sono state negative ... Occorreva una spiegazione; la si è trovata. Se ne trovano sempre: le ipotesi sono la base che non
viene mai meno. Ma ciò non è abbastanza ... Non è anche un caso questo singolare concorso, il quale fa si che una certa circostanza
[teorema degli stati corrispondenti] giunga proprio a punto per annullare i termini del primo ordine, e che un'altra circostanza [la
contrazione], del tutto differente, ma anch'essa opportuna, si incarichi di annullare quelli del secondo ordine. No, bisogna trovare
una medesima spiegazione per gli uni e per gli altri; e allora, tutto ci porta a pensare che questa spiegazione varrà egualmente per i
termini d'ordine superiore, e che l'annullamento reciproco di questi termini sarà rigoroso ed assoluto".
Poincaré puntava quindi all'unificazione della teoria manifestando la sua insoddisfazione all'accumularsi di ipotesi successive
per rendere conto dei fatti sperimentali che via via si presentavano. In particolare, la sua insoddisfazione relativa alla prima
formulazione dell'ipotesi della contrazione fatta da Lorentz (1895) emerge anche dalla lettura della seconda edizione di
Électricité et optique (G.Carré e C. Naud, Parigi 1901) nella quale Poincaré sostiene: "Questa strana proprietà sembra essere, nei
fatti, un colpo di pollice fornito dalla natura per evitare che il moto della terra sia messo in evidenza mediante fenomeni
ottici" (citato in bibl. 145, pag. 937).
FISICA/MENTE
(609) Si veda anche Science et Méthode, libro III°, cap.2°, par.3° (bibl.141, pagg.l70-173)
(610) per dimostrare la validità del principio di azione e reazione occorreva provare che la radiazione elettromagnetica
esercitava una pressione. Questa pressione era stata prevista da Maxwell nel Trattato del l873 (bibl. 76, pagg.591 e 592). Dice
Maxwell: "l'effetto combinato dello sforzo elettrostatico ed elettrocinetico è una pressione uguale a 2p in direzione della
propagazione dell'onda. Ora, 2p esprime pure l'energia complessiva nell'unità di volume. Perciò in un mezzo in cui si propagano
delle onde c'è una pressione in direzione normale alle onde, numericamente uguale all'energia dell'unità di volume ... Un corpo
piatto esposto alla luce del sole subirebbe una pressione [pari a circa 4/100 di atmosfera al secondo] soltanto sul suo lato illuminato,
e sarebbe perciò respinto dal lato su cui cade la luce [azione e reazione]." Il risultato previsto da Maxwell fu messo in dubbio ma,
nel 1876, il fisico italiano A. Bartoli (1851-1896) mostrò che quanto affermato da Maxwell era una necessaria conseguenza del 2°
principio della termodinamica. La pressione di Maxwell-Bartoli fu evidenziata sperimentalmente dal fisico russo P.H.Lebedev
(1866-1911) nel 1899. E certamente del fatto non era a conoscenza Poincaré nel 1900 (si noti che ancora nel 1909, nel suo scritto
Scienza e Metodo, Poincaré, mentre parla della pressione di Maxwell-Bartoli, non fa cenno a Lebedev),
(611) H.A. Lorentz: Electromagnetic phenomena in a system moving with any velocity less than that of light, Proc. Amst. Acc.,
Vol.6; 1904. Si veda anche bibl. 134, Vol.5, pagg.172-197 e bibl.131, pagg.11-33. Occorre osservare che tra il 1900 ed il 1904
Lorentz si era occupato del problema del corpo nero pubblicando tre articoli: nel 1900, Teoria della radiazione e secondo
principio della termodinamica; nel 1901, Le leggi dell'irraggiamento di Boltzmann e di Wien; nel 1903, Sull'emissione e
l'assorbimento da parte di metalli di radiazion di colore di colore di grande lunghezza d'onda. Speoialmente in questa ultima
memoria il corpo nero era trattato sulla base della teoria degli elettroni e Lorentz aveva trovato accordo con la formula di
Rayleigh-Jeans nel caso di onde lunghe. Per queste tre memorie si veda bibl. 134, rispettivamente in: Vol.6, pagg. 265-279;
Vol.6, pagg. 280-292; Vol.3, pagg. l55-176. Per quel che riguarda una breve trattazione del problema del corpo nero si veda
l'articolo sulla Nascita della teoria dei quanti in questo sito.
(612) Per l'esperienza di Rayleigh si veda Phil. Mag. 6, 4; 1902; pag.678. Per quella di Brace, Phil. Mag. 6, 7; 1904; pag. 317.
(613) Per l'esperienza di Trouton e Noble si veda Phil. Trans. Roy. Soc. Lond., A.202; 1903; pag. 165. Si noti che questa
esperienza fu suggerita agli autori da Fitzgerald.
(614) Particolarmente sviluppata da Heaviside. Anche la teoria degli elettroni prevedeva un medesimo effetto.
(615) Si osservi che, secondo la teoria, il momento della coppia doveva dipendere da termini al secondo ordine in v/c.
(616) Bibl. 131, pagg. 12-13. La traduzione è tratta da bibl. 123, pag.175 (la sottolineatura è mia).
(617) Al fine di ottenere equazioni più semplici e formalmente e dal punto di vista della loro risoluzione.
FISICA/MENTE
(618) Ibidem, pag. 15. Per v/c piccolo, con la solita formula per lo sviluppo del binomio, si trova che g ~ 1 + v2/c2 .
(619) Ibidem.
(620) Un'altra trasformazione proposta da Lorentz in questa sua memoria è quella relativa alla velocità u di un dato elettrone
rispetto al sistema di riferimento in moto ("in aggiunta alla velocità v"): u' = u/(1 - v2/c2)1/2 che è, anche qui, un utile
cambiamento di variabili con in più il fatto che sono prive di qualunque significato fisico.
(621) Bibl. 131, pag. 21.
(622) Ibidem.
(624) Ibidem. Si noti che con quel da sé Lorentz assegna valore oltre che qualitativo anche quantitativo e reale alla
deformazione.
(625) Ibidem, pagg. 22-23.
(626) Ibidem, pag. 23. I simboli da ree usati sono diversi da quelli di Lorentz.
(628) Abraham, del quale ci occuperemo nel prossimo paragrafo, aveva sostenuto che la massa dell'elettrone è di natura
elettromagnetica (1902). Questa ipotesi era stata fatta propria da Lorentz,
(629) Ibidem.
(632) Ibidem, pag. 29. La sottolineatura è mia.
(633) Lorentz, a questo punto, sostiene che la sua teoria è data con le dovute riserve a seguito del fatto che la natura degli
elettroni ed il loro moto non ci sono ben noti. Nonostante ciò la teoria spiega tutti i fatti sperimentali noti.
FISICA/MENTE
(634) L'ultimo paragrafo della memoria, Lorentz lo dedica alla discussione dei rapporti della sua teoria con quella di Abraham
ed in modo particolare ai risultati delle esperienze di Kaufmann che sembrano confermare la teoria della massa trasversale di
Abraham e dello stesso Lorentz. Su questi argomenti torneremo comunque nel prossimo paragrafo.
(636) Ibidem.
(637) Per approfondire quanto qui di seguito è sostenuto si pu vedere bibl. 133, pagg. 116-122 e bibl. 132.
(638) "in quanto indicano una modificazione del sistema in moto rispetto al comportamento di quiete in funzione del valore assoluto
della sua velocità di traslazione" (bibl. 133, pag. 119).
(639) Per quanto diremo è utile ricordare quanto da me scritto sulle trasformazioni di Galileo in bibl. 3, pagg. 137-139.
(640) H. A. Lorentz: The Theory of Electrons, Dover, New York, 1909. Si tratta di una raccolta di lezioni che Lorentz tenne alla
Columbia University nel 1906.
(641) H. Poincaré: Sur la dynamique de l'électron, Compt. Rend., 140, 1504; 1905. Questo articolo non è altro che un breve
sunto del secondo e ben più importante, dallo stesso titolo, pubblicato sui Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo, 21, 129;
1906 (ma comunicato il 23 luglio 1905).
(642) Bibl. 139, pagg. 129-130.
(643) Ibidem, pag. 130.
(644) Ibidem. Abbiamo visto che Lorentz, nel suo lavoro del 1904, supponeva che la deformazione dell'elettrone, a causa del suo
moto attraverso l'etere, lo trasformasse in un ellissoide schiacciato. Ebbene, secondo Lorentz, due degli assi dell'ellissoide
rimangono costanti (quelli perpendicolari alla direzione del moto).
(645) Ibidem, pag. 131.
(646) Ibidem.
(647) I simboli da me usati differiscono da quelli utilizzati da Poincaré.
(648) Poincaré riconobbe che le trasformazioni di Lorentz, nella versione corretta, costituiscono un gruppo. Riservandoci di
FISICA/MENTE
tornare su questo argomento quando ricaveremo le trasformazioni di Lorentz nelle ipotesi di Einstein, osserviamo solo che il
fatto che esse costituiscono un gruppo è condizione necessaria per garantire l'invarianza delle leggi fisiche nel passaggio da un
sistema ad un altro in moto traslatorio uniforme rispetto al primo. Occorre qui ricordare che trasformazioni formalmente simili
furono utilizzate dal fisico tedesco W. Voigt (1850-1920) in un lavoro del 1887, Sul Principio di Doppler; in esso la luce era
ancora trattata in base alla teoria elastica. Anche Larmor nel 1900 aveva trovato qualcosa di simile. Notiamo a parte che, per
piccole velocità v, le trasformazioni di Lorentz ridanno le trasformazioni di Galileo.
(649) Bibl.l48, pag.28. L'equazione di Maxwell per lo spostamento elettrico in un sistema in moto è la prima delle (9) del lavoro
originale di Lorentz (bibl. 131, pag.l5):
Se in questa equazione fosse sparito quel termine - vu'x/c2 si sarebbe ottenuta l'identità formale con la stessa equazione per un
sistema in quiete (ibidem, pag.l4, riga3) e cioè div D = ρ. Si noti che la non identità di queste due equazioni mostrava che le
trasformazioni di Lorentz, almeno nella loro formulazione del 1904, non garantivano l'invarianza delle equazioni di Maxwell nel
passare da un riferimento ad un altro, l'invarianza si otteneva solo trascurando effetti del secondo ordine in v/c.
(650) Bibl. 139, pag. 163.
(651) II tema fu affrontato in una conferenza che Poincaré tenne a St Louis il 24 settembre 1904. Il testo della conferenza fu
pubblicata ne La valeur de la science (1905) ai capitoli 7 e 9. Bibl. 142, pagg. 107-130. Il tema fu poi ripreso in un lavoro di
Poincaré del 1908 (bibl.123, pagg. 182-187 e bibl.141. pagg. 167-170).
(652) Bibl. 142, pagg. 116-117.
(653) Evidentemente vale anche per la luce la composizione galileiana delle velocità.
(654) Che nello stesso istante - quello vero - non è lo stesso per i due osservatori: assenza di simultaneità per il tempo locale.
(655) Si noti che il ritardo assume una validità assoluta.
(656) Evidentemente, rispetto al riferimento assoluto dell'etere nel quale esiste il tempo vero.
(657) Ibidem, pag. 115 e pag. 118.
FISICA/MENTE
(658) Come abbiamo già visto, questo fatto era stato dimostrato da Ampére.
(659) Si veda anche bibl.3, pag.12. Secondo Poincaré l'immagine è suggerita da Delbeuf.
(660) Bibl.l41, pag.74. Si tratta del paragrafo 1 del 1° capitolo del libro 2° di Scienza e Metodo, un lavoro di Poincaré del 1909. Il
brano è qui riportato anche se posteriore al lavoro di Einstein del 1905, perché completamente indipendente da esso.
(661) Mancava l'effetto Zeeman anomalo (scoperto nel 1897) ed alcune questioni di importanza fondamentale nell'ambito dello
studio del corpo nero.
(662) Bibl. 132, pag. 48.
(662 bis) Ed oltre al fatto che qui deve essere ricordato: i metodi e gli strumenti della meccanica sono quelli che hanno permesso
lo sviluppo della fisica fino a questi livelli.
(662 ter) Citato in bibl. 149, Vol I, pag. 42 2. Sulle concezioni di L. Carnot e di B. de Saint-Venant si può vedere bibl. 6, pagg.
227-230.
(663) Citato in bibl. 149, Vol.I, pag. 423. Il più noto rappresentante di questa scuola, detta scuola del filo, fu il fisico francese J.
Andrade (1857- -1933) che espose la sua meccanica nelle Lezioni di Meccanic a fisica (Parigi, 1898). Anche Jean Perrin, nel suo
Traité de chimie physique (1945), aderì alla scuola del filo.
(664) Si veda, allo scopo, bibl.149, pagg.426-428. Si veda anche bibl.6, pagg.235-237 .
(665) Si veda la nota 355 al paragrafo 7 del capitolo III.
(666) Ambedue riportati in bibl. 99. Gli opuscoli sono le trascrizioni di due conferenze.
(667) Soprattutto per quel che riguarda il carattere relativo delle nostre conoscenze.
(668) Bibl. 99, pag. 27.
(669) Bibl. 56, pag. 278 e segg. Si veda anche bibl. 6, pagg. 237-242.
(670) Ibidem. Si noti che in queste argomentazioni di Hertz vi è polemica nei riguardi della scuola degli energetisti che,
all'epoca, si andava diffondendo, come più avanti vedremo.
FISICA/MENTE
(671) E mediante l'utilizzazione del principio del minimo sforzo elaborato da Gauss e della teoria dei vincoli nel senso di
Lagrange.
(672) L'energia potenziale non è altro che l'energia delle masse nascoste.
(673) Citato in bibl. 149, pag. 432.
(674) L'opera ebbe varie edizioni aggiornate da Mach: dalla 2ª del 1888 alla 7ª, l'ultima curata da Mach, del 1912 . L'edizione
alla quale farò riferimento è la ristampa della 9ª edizione (l933), curata dal figlio di Mach (bibl. 97).
(675) Bibl. 97, pag. 215.
(676) Ibidem, pag. 220. Si noti che dalla relazione m1v1 = - m2v2 discende m1/m2 = - v2/v1 e cioè la proporzionalità inversa di
masse e velocità.
(677) Ibidem, pag. 221.
(678) Ibidem, pagg. 236-237.
(679) Ibidem, pag. 239.
(680) Ibidem, pagg. 239-240.
(680 bis) Alcune delle cose che qui sosterrò traggono ispirazione da un lavoro di M. Bunge, Il tentativo di Mach di ricostruire la
meccanica classica, American Journal of Physics, 34; 1966; pagg. 585-596.
(681) Si riveda il paragrafo 1 del Cap. I. Si veda inoltre bibl. 3, pagg. 113-117.
(682) Bibl. 97, pag. 241.
(683) Ibidem.
(684) Ibidem, pagg. 241-243. Molte delle cose che Mach afferma sono certamente ispirate a Berkeley (cfr. paragrafo 3 del
Capitolo I). Si noti inoltre che una completa relativizzazione del tempo e dello spazio era stata sostenuta anche da Maxwell nella
sua maturità (si veda nota 268 al paragrafo 5. Cap. III).
FISICA/MENTE
(685) Aggiungeva Mach che " quando diciamo che il tempo fluisce in una direzione determinata ciò significa semplicemente che i
processi fisici (e per conseguenza anche quelli fisiologici) si svolgono in una direzione determinata."
(686) Qualche pagina più avanti (pagg.271-272) Mach sostiene: "La ricerca storica sullo svolgimento che una scienza ha avuto è
indispensabile, se non si vuole che i principi che essa abbraccia degenerino a poco a poco in un sistema di prescrizioni capite solo a
metà, o addirittura in un sistema di dogmi. L'indagine storica non soltanto fa comprendere meglio lo stato attuale della scienza, ma,
mostrando come essa sia in parte convenzionale ed accidentale, apre la strada al nuovo. Da un punto di vista più elevato, al quale si
arriva per cammini diversi, si può guardare con una visuale più ampia, e scoprire strade non ancora percorse." Per sua stessa
ammissione Mach ignorava però la storia della filosofia; riguardo alla storia della meccanica non conosceva completamente il
periodo medioevale; Truesdell ha poi mostrato che si serviva di fonti non attendibili (Bunge, in nota 680 bis).
(687) Si riveda il paragrafo 1 del Cap. I. Si veda poi bibl.3, pagg. 121-126.
(688) Bibl. 97, pagg. 245-246.
(689) Ibidem, pagg. 248-249.
(690) Mach respingerà ripetutamente l'accusa di berkeleysmo (si veda ad esempio in ibidem, pag. 493).
(691) Ibidem, pagg. 249-250.
(692) Ibidem. Secondo Mach, le forze inerziali che nascono in sistemi accelerati discendono da una interazione con le stelle fisse.
Le forse centrifughe che nascono dentro una piattaforma in rapida rotazione sono dovute alle stelle fisse. Se nell'universo non vi
fossero queste masse, spari rebbero le forze inerziali e lo stesso parlare di rotazione non avrebbe più alcun significato. L'insieme
di questa formulazione di Mach del principio d'inerzia fu chiamato da Einstein Principio di Mach. Si osservi che a Mach è
dovuto anche il riconoscimento che il principio d'inerzia e la 2ª legge della dinamica "sono già contenute nella definizione della
forza, secondo la quale senza forza non si ha accelerazione e quindi si ha quiete o moto rettilineo uniforme" (ibidem, pag 261).
(693) Come già detto, il fatto che le stelle fisse non sono fisse fu scoperto da Halley nel 1718.
(694) Ibidem, pag. 250.
(695) Ibidem, pagg. 470-471. Qualche riga più avanti Mach introduce un elemento che sarà poi la base delle sue concezioni e sul
quale torneremo: " Non le cose (i corpi), ma piuttosto i colori, i suoni, le pressioni, gli spazi, le durate (ciò che di solito chiamiamo
sensazioni) sono i veri elementi del mondo."
(696) Anche l'economista britannico Adam Smith (1723-1790) fondatore del liberismo economico, aveva sostenuto concetti simili
FISICA/MENTE
a proposito dell'economia della scienza. La cosa e' ricordata dallo stesso Mach in ibidem, pag. 481.
(697) Ibidem, pagg. 493-494.
(698) Le cose oggi funzionano proprio così. Rimane un interrogativo, per me retorico, chi tira le fila del tutto e a quali fini ?
Poiché solo a pochi è concesso il privilegio di credere alle curiosità della scienza, ai più resta l'amarezza di vedere schiere di
scienziati che lavorano per lo sfruttamento e per la guerra.
(699) Ibidem, pagg. 484-487.
(700) L'altro filone del fenomenismo è quello dell'energetismo del quale ci occuperemo nelle pagine seguenti.
(701) Un altro nome che si associa all'empiriocriticismo è quello del fisiologo e filosofo fenomenista tedesco R. Avenarius (18431896) il quale, partendo da presupposti diversi (tentativo di porre la filosofia come unificatrice ad un livello superiore di tutte le
scienze e di fornire ad essa una base oggettiva analoga alla scienza), converge con alcune delle tesi di Mach. L'opera principale
di Avenarius (bibl. 154) è Critica dell'esperienza pura (1889-1890 ).
(702) Si può citare ad esempio il fatto che i neopositivi viennesi intitoleranno a Mach il loro Circolo (1929). Alle idee di Mach si
ispirerà anche la Scuola di Copenaghen (1926) alla quale faranno capo Bohr, Heisenberg, Jordan, Born e che vedrà come
oppositori Planck, Einstein, De Broglie, Schrodinger. Infine anche il pragmatismo che si sviluppò negli Stati Uniti ad opera
principalmente di H. James (1842-1910) si ispirerà alle vedute economicistiche di Mach.
(703) Di Boltzmann ci occuperemo più oltre, accenniamo ora alle polemiche di Planck (da una parte) e Lenin. (dall'altra) contro
Mach e l'empiriocriticismo. Planck, in un suo scritto del 1908, L'unita' dell'immagine fisica del mondo (bibl.l53, pagg.11-43),
sostenne che se si dovessero accettare le idee di Mach, " l'adattamento economico del nostro pensiero alle nostre sensazioni", ne
conseguirebbe che "ogni fisico coscienzioso dovrebbe aver cura di distinguere la propria immagine del mordo, come cosa
concettualmente unica ed isolata, da quella di tutti gli altri, e se per caso due suoi colleghi eseguendo indipendentemente l'uno dall
'altro lo stesso esperimento ritenessero di essere giunti a risultati opposti, come talvolta succede, commetterebbe un errore di
principio se volesse concluderne che almeno uno dei due è in errore. Il contrasto potrebbe essere infatti dovuto alla differenza del
loro modo di vedere il mondo. Io non credo che un vero fisico potrebbe mai cadere in cosi strani sofismi." (ibidem, pag. 39).
Mach obietterà in un articolo del 1910, I pensieri direttivi della mia teoria della conoscenza scientifica e la loro accoglienza
presso i contemporanei (Scientia, fasc.2; 1910; pag. 225 e segg.), che quanto sostenuto da Planck non intacca la sua teoria della
conoscenza ed inoltre che lo stesso Planck non ha nemmeno la capacità di collaborare alla medesima teoria della conoscenza
fisica.
Planck replicò con un nuovo articolo del 1910, Intorno alla teoria di Mach sulla conoscenza fisica (bibl. 117, pagg. 84-92), nel
quale sostenne:
FISICA/MENTE
" Ancora al tempo della mia permanenza in Kiel (1885-1889), mi annoveravo tra i partigiani risoluti della filosofia di Mach, che,
come volentieri riconosco, ha esercitato una forte azione sul mio pensiero fisico. Ma più tardi mi sono allontanato da essa, perché
ero giunto alla convinzione che la filosofia della natura di Mach non è in grado in alcuna maniera di mantenere la brillante
promessa che gli ha guadagnato la maggior parte dei suoi seguaci: l'eliminazione di ogni elemento metafisico dalla teoria della
conoscenza fisica." (ibidem, pag.85). Come esempio Planck va a discutere il concetto stesso di economia della scienza. " La
scienza fisica, come ognuno riconosce, è nata dai bisogni pratici; dunque, conclude Mach, la conoscenza fisica è, in fondo, di
natura economica"; ma Mach aggiunge che "l'economia di pensiero non è per questo limitata e legata nei suoi fini alla ricerca di
bisogni economici pratici nuovi." A questo osserva Planck: "Non è possibile, prima, rappresentare il principio dell'economia come
un trionfo contro la metafisica con l'appello esplicito al suo significato pratico umano, e poi in seguito, quando la cosa così non va
più, negare di nuovo esplicitamente l'aspetto pratico umano dell'economia" e aggiunge: « L'economia di pensiero nei suoi fini non
è legata ai bisogni pratici umani ! Già, a quali altri bisogni allora ?" arrivando a rigettare su Mach l'accusa di fare della
metafisica, " oso affermare che il concetto di economia perde il suo primitivo significato e si trasforma senz'altro in uno
metafisico" (tutte le citazioni provengono da ibidem, pag.86).
Più oltre poi Planck sostiene che nessun contributo alla fisica potrà venire dalle idee di Mach, andando infine a discutere alcune
sue affermazioni in ambito fisico ritenute imprecise o addirittura errate.
In uno scritto più tardo, Positivismo e mondo esterno reale (1930), Planck, riferendosi alle teorie dei neopositivisti ma anche a
queIle di Mach, sosterrà che per fondare una vera scienza è necessario servirsi delle esperienze di più ricercatori i quali
dovranno comunicarsi i risultati. "Le esperienze sensibili altrui ci sono date infatti secondariamente attraverso informazioni. Qui si
insinua dunque nella definizione della scienza un nuovo fattore; l'attendibilità e la sicurezza delle informazioni, e con ciò viene già
ad essere logicamente rotta in un punto quella che è la base del positivismo, l'esigenza cioè che il materiale scientifico sia costituito
da dati immediati" (bibl. 153, pag. 223).
Per quel che riguarda Lenin, egli, nel 1909, darà alle stampe un volume tutto centrato sulla polemica con Mach e soprattutto
con i suoi seguaci. Si tratta del noto Materialismo ed empiriocriticismo (bibl.156) sul quale non possiamo che dire due parole
rimandando, ad esempio, a bibl. 78 e a bibl. 53, pagg. 170-192.
Certamente, osserva, Lenin, il meccanicismo è pericoloso per il sostegno che esso fornisce al materialismo dogmatico, ma
ancora più pericoloso è il fenomenismo che porta alla metafisica, al fideismo, all'irrazionalismo.
Al materialismo meccanicistico e dogmatico ed al fenomenismo, Lenin contrappone il materialismo dialettico (là dove la
sottolineatura, ad opera dello stesso Lenin, è solo sul dialettico), già definito da Engels (bibl. 103), che offre una visione del
mondo estremamente articolata in una serie di nessi e processi. Lenin distingue scienza da ideologia (alla prima assegna la
conoscenza del mondo ed alla seconda l'organizzazione di esso) ed afferma il carattere relativo di qualunque conoscenza. Per
concludere si tenga conto che l'analisi critica di Lenin va vista strettamente legata al suo tempo.
FISICA/MENTE
(704) In proposito Planck osserverà (bibl.153, pag.40) " Debbo esplicitamente dichiarare che ritengo ingiustificati ed insostenibili
gli attacchi mossi da quella parte contro l'ipotesi atomica e la teoria degli elettroni. Anzi a queste obiezioni io oppongo la recisa
affermazione ... che gli atomi, anche se noi non sappiamo nulla sulla loro intima natura, sono reali né più né meno che i corpi
celesti e gli oggetti terrestri che ci circondano. Quando io dico che l'atomo d'idrogeno pesa 1,6.10-24 g non ho maggiori probabilità
di sbagliare che quando dico che la Luna pesa 7.1025 g. Certamente non posso mettere un atomo di idrogeno sulla bilancia e non lo
posso vedere, ma non posso mettere su un piatto di bilancia nemmeno la Luna, e, quanto al vedere, è noto che ci sono dei corpi
celesti invisibili la cui massa è stata misurata con discreta precisione: fu misurata perfino la massa di Nettuno, prima ancora che gli
astronomi lo cogliessero nell'obiettivo dei loro telescopi."
Si osservi che Boltzmann interverrà in termini addirittura accorati in difesa delle concezioni atomistiche (come vedremo più
oltre). Ed ancora relativamente a Planck, c'è da osservare che egli, pur partito da posizioni critiche nei riguardi delle concezioni
statistiche di Boltzmann, già nel 1896 diventerà un duro critico delle posizioni dell'energetismo (si veda più oltre) sostenendo che
è arrivato "alla conclusione irrefutabile che la nuova energetica manca di una qualsiasi base dotata di serietà; che le sue
semplici dimostrazioni, quelle stesse a cui i suoi sostenitori danno grande importanza, non sono che delle apparenze di
dimostrazioni, che esse non affrontano i veri problemi e ancora di più non sanno contribuire a risolverli." (Citato in bibl. 54,
pag. 246).
(705) Oltre a quanto qui diremo si può vedere anche cosa sostiene Robert Musil nella sua tesi di dottorato (bibl. 151, pagg. 4766).
(706) Bibl.97, pagg.472-473.
(707) Come lo stesso Mach ricorda, il primo a porre questa questione fu lo storico e filosofo britannico D. Hume (1711-1766).
(708) Osserviamo a parte che ulteriore conseguenza della non esistenza di una realtà al di là dell'esperienza, in connessione col
fatto che ci rapportiamo al mondo con le nostre sensazioni, fa concludere a Mach che non esistono leggi scientifiche definitive;
ed in questo contesto non ha alcun senso parlare, come fa Newton, di esperimenti cruciali.
(709) Altri aspetti dell'opera di Mach sono messi in evidenza da vari autori. In particolare:
P. Frank tratta del rapporto tra Einstein, Mach ed il positivismo logico (bibl. 168, pagg. 219-236).
T. Hirosige tratta delle influenze di Hume and Mach sul pensiero di Einstein (bibl. 124, pagg. 56-57).
G. Holton si occupa di Mach, Einstein e la ricerca della realtà (bibl. 127, pagg. 164-203).
K. R. Popper si occupa di Berkeley quale precursore di Mach ed Einstein (bibl. 14, Vol. I, pagg. 287-391).
FISICA/MENTE
G. Lenzi tratta, tra l'altro, di Mach fisico sperimentale e didattico (bibl. 157, pagg. 3-8).
Infine brani originale di Mach su argomenti diversi sono riportati in bibll. 54, 56, 85.
Di passaggio ricordo che Mach, pur rimanendo molto ben impressionato dal tentativo di Hertz di costruire una nuova
meccanica, criticherà la cosa perché la riterrà troppo astratta (bibl. 97, pagg. 272-277). Analogamente Hertz avrà modo di
criticare il fenomenismo di Mach.
(710) Per quanto dirò su Rankine ed Helm mi sono rifatto a bibl. 17, Vol. 5, pagg. 224-225.
(711) Mach loderà il lavoro di Helm (si veda, ad esempio, bibl.97, pag. 492).
(712) Citato in bibl.7, Vol.5, pag.310 e tratto da Helm, L'energetica nel suo sviluppo storico (1898).
(713) Ostwald fu premio Nobel per la chimica nel 1909.
(714) Helm osserverà che: "nei tentativi di attribuire all'energia un'esistenza sostanziale, vi è una preoccupante deviazione rispetto
alla chiarezza originale delle vedute di Mayer" (ibidem),
(715) Bibl. 155, pag.119 e segg. Si tratta di una edizione francese dell'opera di Ostwald, datata 1910. Una traduzione di alcuni
brani si può trovare in bibl. 54, pagg.189-192. Si noti che la conversione di Ostwald dal meccanicismo all'energetica avviene a
seguito della lettura del lavoro di Helm citato e la prima opera di Ostwald in tennini di energetica è la 2ª edizione (1893) della
sua Chimica generale (bibl.127, pag.166).
i
(716) Ostwald. si riferisce principalmente alle ipotesi particellari che si erano sviluppate nella chimica, ma anche (l'opera in cui
scrive queste cose è del 1908) alle teorie particellari dell'elettricità.
(716 bis) Si osservi che l'identificazione tra materialismo e meccanicismo è di Hegel e contro questa identificazione si batterà
Engels (bibl.103, pagg. 258-263).
(718) Citato in bibl.158, pag. 180. Altri brani di Ostwald si possono trovare in bibl.56, pagg. 308-314 ed in bibl. 159, pagg. 119195.
(719) Citato in bibl.7, Vol.5, pagg.309-310.
FISICA/MENTE
(721) F. Klein (1849-1925), matematico, collaborò con Lie allo sviluppo della teoria dei gruppi e dette notevolissimi contributi
in quasi tutti i campi della matematica dell'epoca. Si occupò anche di didattica e di storia della matematica.
(722) Si veda la nota 428.
(723) Ostwald afferma che bisogna passare dalle ipotesi alle prototesi, essendo queste ultime delle ipotesi verificabili
sperimentalmente. Riguardo al rifiuto degli atomi, Ostwald, nel 1909, nei suoi Fondamenti di chimica generale (4ª edizione),
ritornò sulle sue posizioni ammettendone l'evidenza sperimentale.
(724) Citato in bibl. 16.Vol.2, pagg. 523.
(725) Bibl.155, pagg. 199-200.
(726) Quando Ostwald sviluppa l'argomento dell'energetica sociologica, dice una sola cosa che mi sento di condividere: "Il
compito generale della civilizzazione consiste nell'ottenere, per le energie da trasformare, dei coefficienti di trasformazione i più
vantaggiosi possibile."
Si noti poi l'assonanza di molte delle cose qui sostenute con quelle che più tardi saranno del fascismo e del nazismo.
(727) Bellone (bibl.l58,pag.l80) osserva:"Il fatto che la tesi di Ostwald abbia avuto numerosi seguaci è del tutto irrilevante, se è vero
che in materia di scienze fisiche i problemi non si risolvono per alzata di mano. " E' già dubbio che quanto afferma Bellone sia
vero per una storia interna se solo si pensa che certe ricerche, nell'ambito delle istituzioni scientifiche, vengono finanziate solo se
ci sono sufficienti alzate di mano. E' del tutto falsa in relazione ad una storia esterna.
(728) Bellone osserva giustamente (ibidem) che qui si usa " lo strattaggemma per cui la categoria filosofica di materia viene fatta
coincidere con la categoria di materia operante nel mondo fisico."
(729) Citato in bibl.l27, pag.l66. Citando questo brano Holton avanza l'ipotesi che la posizione in esso espressa dovesse
incontrare il favore del giovane Einstein.
(730) Per quanto diremo in proposito e per le citazioni senza indicazione bibliografica che immediatameate seguiranno, si veda
l'opera di Duhem (1902) di bibl. 105, pagg. 221-225.
(731) Duhem si riferisce qui ad un lavoro di Boltzmann in due volumi: Lezioni sulla teoria di Maxwell dell'elettricità e della luce
(l891-l893).
FISICA/MENTE
(732) Citato in bibl. 54, pagg. 186-187.
(733) Si osservi che Duhem non solo sosteneva che la teoria di Maxwell era "un tradimento della ragione", estendendo questo
giudizio anche alla meccanica statistica di Boltzmann, ma anche che la Relatività di Einstein era una pura e semplice follia che
non ha nulla a che vedere né con la ragione né con il buon senso (si veda l'opera di Duhem, La teoria fi sica - l906 - nella prima e
seconda edizione).
(734) Citato in bibl. 54, pag. 179. Boltzmann, dopo Lubecca, scrisse anche un arti colo dal tono vagamente ironico, Una parola
della matematica all'energetica, Wiedemann's Annalen, 1896.
(735) Bibl.95, pag.265. La citazione è tratta da una conferenza di Boltzmann del 1866 dal titolo: La seconda legge della
termodinamica.
(736) Ibidem, pag. 263.
(737) Ibidem, pag. 265.
(738) Citato in bibl. 54, pag. 198. Si tratta di un articolo di Boltzmann del 1897, L'indispensabilità dell'atomismo nelle scienze
naturali, raccolto, insieme ad altri in: Boltzmann, Theoretical Physics and Philosophical Problems, Reidel , 1975. Come si potrà
osservare si tratta della definizione e della difesa della nascente fisica teorica.
(739) Si tratta di un articolo di Boltzmann del 1899 (si veda nota precedente e bibl. 95, pagg. 270-271).
(740) Altrove (bibl.54, pagg. 194-195; si veda la nota 738) Boltzmann aveva sostenuto il medesimo concetto con parole differenti:
" Mi sembra che di un coerente insieme di fatti non possiamo mai avere una descrizione diretta ma solo e sempre un'immagine
mentale. " Si noti che, come sempre, sono i materialisti quelli che più esaltano le capacità creative dell'intelligenza (dello spirito?).
(741) Bibl. 95, pag.271. Si noti che un'analisi lucida e penetrante dei rapporti tra Boltzmann, la crisi del meccanicismo e la
nascita della teoria dei quanti si può trovare nel saggio di Ciccotti e Donini in bibl. 79, pagg. 145-159.
(742) Si pensi alle scelte che saranno della Scuola di Copenaghen (1926) alla quale abbiamo accennato in nota 702. In breve si
può dire che di fronte alla domanda: "Esiste una realtà indipendente dalle nostre osservazioni ?" i fisici di quella scuola, in
maggioranza, risposero: "La questione non ci interessa." Allo scopo si può vedere bibl.57 ed anche il bel saggio di F. Selleri,
Sull'ideologia nella fisica contemporanea, bibl.53, pagg.l20-150.
(743) Bibl. 95, pagg. 280-281.
FISICA/MENTE
(744) Ibidem, pag.273. Si noti che più avanti Duhem sosterrà che la scienza deve far ricorso al senso comune.
(745) Bibl. 140, pagg. 93-95.
(747) Ibidem, pag. 100. Si noti che quest'ultima affermazione è sostenuta da Poincaré sulla base del fatto che, se dovessero
sorgere accelerazioni impreviste, si potrà sempre supporre che esse derivano dalla presenza (posizione e velocità) di altri corpi
di cui non sospettavamo l'esistenza.
(748) Ibidem, pag. 101.
(749) Ibidem, pag.102.
(750) Ibidem, pag.103. Ritorna la legge di Mach.
(751) Ibidem, pag.105.
(752) Ibidem, pag. 106.
(753) Ibidem, pag. 113.
(754) Ibidem, pagg. 114-115. Si noti che Poincaré critica la meccanica di Kirchhoff per essere egli partito dalla definizione di
forza ricavata dai concetti, supposti primitivi, di spazio, tempo e materia. Ma, ancora di più, critica la Scuola del filo per la
scarsa generalità della definizione che viene data al concetto di forza. In ogni caso anche questa definizione è convenzionale
come quella di Kirchhoff (convenzionali si, ma non arbitrarie, poiché, in qualche modo, discendono dalle esperienze).
(755) Ibidem, pagg. 123-124.
(756) Il principio di Hamilton è uno dei possibili enunciati del principio di minima azione.
(757) Ibidem, pag. 126.
(758) Ibidem, pag. 127.
(759) I principi cui fa riferimento Poincaré sono: quello di conservazione dell'energia, quello di degradazione dell'energia (o di
Carnot), quello di azione e reazione (di Newton), quello di relatività», quello di conservazione della massa (di Lavoisier), quello
FISICA/MENTE
di minima azione (di Maupertuis).
(760) Questo brano e gli altri citati nel seguito sono tratti dall'intervento di Poincaré alla conferenza di St. Louis del 1904,
interamente riportato ne Il valore della scienza (1904). Bibl. 142, pag. 111.
(761) II fenomeno fu scoperto dal botanico britannico R. Brown (l773-l858) nel 1827.
(762) La spiegazione di ciò è di origine statistica. Le particelle più grandi urtate da tutti i lati dagli atomi in moto, rimangono
ferme perché c'è compensazione tra gli urti. Le particelle più piccole ricevono invece pochi urti perché si realizzi la
compensazione e quindi sono incessantemente in moto.
(763) Ibidem, pag.125. Anche Einstein si rifarà ad una fisica dei principi, ma il senso è del tutto diverso, come vedremo più oltre.
Si veda bibl. 161, pagg. 212-213.
(764) Ibidem.
(765) Ibidem, pag. 130.
(766) J.J. Thomson: On the electric and magnetic effects. produced by the motion of electrified bodies, Phil. Mag. 11; 1881;
pagg. 229-249. O Heaviside: On the electromagnetic effects due to the motion of electrification through a dielectric, Phil. Mag.
27; 1889; pagg. 324-339. Nel lavoro di Thomson era avanzata la possibilità di poter considerare l'inerzia come un fenomeno
elettromagnetico. In questa ipotesi, un conduttore carico in movimento doveva aumentare di massa, anche se questo aumento
risultava indipendente dalla velocità del conduttore. Heaviside dette a questo aumento di massa un significato fisico preciso,
forza d'inerzia elettrica, distinguendolo così dall'inerzia puramente meccanica. Si veda bibl. 160, pagg. 140-145.
(768) Per rendersi conto qualitativamente dei campi che circondano una particella carica in moto a velocità costante e in moto
accelerato (emissione di onde elettromagnetiche), si può vedere bibl. 222, Vol. II, pag. 536.
(769) Questo fatto si può anche dire nel modo seguente: per mettere in moto una particella priva di carica, occorre vincere solo
l'inerzia meccanica; quando la particella è carica, ad una sua messa in moto corri sponde la creazione di un campo magnetico;
in quest 'ultimo caso vi sono quindi due inerzie da vincere, poiché la creazione di un campo magnetico si ottiene a spese di un
dato lavoro (inerzia elettrica) che va ad aggiungersi all'ordinario lavoro che bisogna fare per mettere in moto la massa (inerzia
meccanica).
(770) I risultati di Kaufmann di cui si parla sono discussi nelle memorie seguenti:
FISICA/MENTE
W. Kaufmann: Sulle deviazioni elettriche e magnetiche delle radiazioni di Becquerel e sulla massa. apparente degli elettroni,
Gött. Nachr. 1901.
W. Kaufmann: Sulla 'Massa Elettromagnetica' degli elettroni, Gött. Nachr. 1903.
W. Kaufmann: Sulla costituzione degli elettroni, Sitzb. preuss. Akad. Wiss., 1905.
(771) M. Abraham: Sulla dinamica degli elettroni, Gött . Nachr., 1902. M. Abraham: Principi di dinamica degli elettroni,
Annalen der Physik, 1903. Si noti che anche A. Sommerfeld aderì al programma di Wien-Abraham, programma al quale, per
breve tempo, aderì anche Planck.
(772) J.H. Poynting: On the transfer of energy in an electromagnetic field, Phil. Trans., 175; 1884.
(773) Abraham si fece i conti nei due casi, trovando gli stessi risultati.
(775) Nel suo lavoro del 1904 Lorentz troverà valori differenti per queste masse ed osserverà (bibl.131, pagg. 30-31):
" I valori che ho trovato per le masse longitudinale e trasversale di un elettrone, espresse in funzione della sua velocità, non sono gli
stessi di quelli precedentemente ottenuti da Abraham. Il motivo di questa differenza nasce dall'unica circostanza che, nella sua
teoria, gli elettroni sono trattati come sfere di dimensioni invariabili. Ora, riguardo alla massa trasversale, i risultati di Abraham
sono stati confermati in modo brillante dalle misure di Kaufmann della deflessione di radiazioni in campi elettrici e magnetici.
Quindi, se non vi sono obiezioni più serie alla teoria da me ora proposta, deve essere possibile mostrare che queste misure sono in
accordo con i miei valori quasi allo stesso modo che con quelli di Abraham."
(776) Poincaré, preso atto di questa conclusione, cominciò a porsi del problemi sulla validità del principio di relatività (bibl. 141,
pag. 175), dicendo:
"Il principio di relatività non avrà allora il valore che si à cercato di attribuirgli", e subito dopo osservando che " prima di
accettare questa conclusione, è necessario riflettere un poco".
(777 bis) Ibidem.
(778) Per ulteriori notizie sui lavori di Abraham si veda bibl. 160, pagg. 148-15 7.
FISICA/MENTE
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