FISICA CLASSICA - CloudMe

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Più sistematiche e meno qualitative furono le ricerche di Black, che invece risultarono decisive per l'affermazione, verso la fine del secolo, della teoria sostanziale del calore. I problemi di Black erano di due tipi: a) lo scambio di calore tra due corpi a diversa temperatura messi a contatto tra loro; b) la produzione dei passaggi di stato (da solido a liquido a gas e viceversa) di una sostanza riscaldata o raffreddata. Le sue scoperte furono di estrema importanza. In primo luogo egli si accorse che, nello scambio di calore tra due sostanze diverse, la stessa quantità di calore non produceva lo stesso aumento di temperatura in tutte le sostanze. Questo si poteva spiegare solo ammettendo che le diverse sostanze avessero una diversa recettività per il calore, o, come si dice oggi, un diverso calore specifico. In secondo luogo egli verificò che, quando una sostanza effettuava un passaggio di stato, per esempio veniva sciolto il ghiaccio riscaldandolo, la sua temperatura non variava anche se si continuava a fornire calore. In altre parole, il calore fornito diventava latente, ossia non poteva essere rilevato dal termometro. E' importante, per inciso, ricordare che nel 1769, l'ingegnere scozzese James Watt (1736-1819), che era in contatto appunto con Black, brevetta «un nuovo modo per diminuire il consumo di vapore e di combustibile nella macchina a vapore», ossia realizza in pratica la prima moderna macchina a vapore. E' la premessa della grande rivoluzione industriale, che avrebbe sconvolto il mondo europeo dando luogo alle grandi città e alle grandi fabbriche, dato che con la macchina a vapore si poteva disporre di grandi quantità di "potenza motrice" in qualsiasi luogo e non solo dove c'erano fiumi e cascate. La fisica francese Le osservazioni di Black erano difficilmente interpretabili attraverso una teoria cinetica, ma lo erano abbastanza facilmente con una teoria sostanziale. Ma il motivo dell'affermazione pressoché incontrastata della teoria sostanziale - o teoria del fluido calorico, come venne ufficialmente chiamata - alla fine del secolo fu di carattere prettamente metodologico. Con la rivoluzione francese e l'epoca napoleonica, la Francia divenne di fatto la potenza europea più avanzata, soprattutto dal punto di vista culturale. Le università francesi e le istituzioni collaterali, come l'Accademia di Francia e l'École Polytechnique (una vera e propria facoltà di ingegneria in senso moderno), fornivano una preparazione avanzatissima, soprattutto dal punto di vista matematico. In Francia, parallelamente ai grandi sviluppi dell'analisi matematica e della geometria analitica, si sviluppa la fisica matematica in senso moderno. Lo studio dei fenomeni fisici diventa essenzialmente quantitativo. Si trattava comunque di una generalizzazione e razionalizzazione della meccanica classica. Per spiegare un fenomeno fisico bisognava trovare la legge matematica del suo comportamento e questa legge si trovava quando si conoscevano le forze meccaniche tra i corpi in gioco. In questo contesto la fisica francese può essere definita come la fisica dei "fluidi imponderabili". I fisici francesi, infatti, risolvono il dualismo newtoniano tra materia e forza immaginando l'esistenza di diversi tipi di materia che, pur essendo distinti dalla "materia ponderabile" - quella cioè che forma la massa di una sostanza -, si combinano e si legano in qualche modo con questa, e sono responsabili dei vari fenomeni fisico-chimici non esclusivamente meccanici. In particolare esistono un fluido elettrico, un fluido magnetico, un fluido calorico, un fluido luminoso, responsabili rispettivamente dei fenomeni elettrici, magnetici, termici e ottici. L'importante è che le forze con cui le particelle di questi fluidi interagiscono tra loro e con le molecole della materia ponderabile siano descritte da semplici espressioni matematiche. In questo modo si può, in prospettiva, arrivare a prevedere le leggi matematiche di evoluzione di tutti i fenomeni. Il capo riconosciuto di questa scuola di pensiero fu Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), a cui si deve l'enunciazione chiara dell'ideale di conoscenza perseguito dai fisici matematici francesi dell'epoca napoleonica. Lasciando nel 1814 il suo testamento spirituale Laplace afferma: «Dobbiamo considerare lo stato attuale dell'universo come l'effetto del suo stato anteriore e come la causa del suo stato futuro. Un'intelligenza che conoscesse, a un dato istante, tutte le forze da cui è animata la natura e la disposizione di tutti gli enti che la compongono e che inoltre fosse 18
sufficientemente profonda da sottomettere tutti questi dati all'analisi, ebbene, essa abbraccerebbe in una stessa formula i movimenti dei più grandi corpi dell'universo e degli atomi più leggeri; per essa nulla sarebbe incerto e ai suoi occhi sarebbero presenti sia il futuro sia il passato. Lo spirito umano, nella perfezione che esso ha saputo dare all'astronomia, offre un pallido esempio di questa intelligenza. Le sue scoperte nella meccanica e nella geometria, insieme a quella della gravitazione universale, l'hanno messo in grado di abbracciare nelle stesse espressioni analitiche gli stati passati e futuri del sistema del mondo». LA NASCITA DELL'ASTRONOMIA MODERNA Le affermazioni di Laplace avevano a fondamento soprattutto gli enormi progressi compiuti dall'astronomia nel secolo appena trascorso. La teoria di Newton consentiva previsioni matematiche precise e si rivelò presto, in riferimento ai movimenti che avvenivano nel sistema solare, più efficace di quanto egli stesso aveva supposto. Edmund Halley (1656-1727) calcola infatti le orbite di alcune comete, scoprendo che sono normali corpi pesanti che compiono orbite molto allungate intorno al Sole. Egli scopre così che quelle apparse nel 1531, 1607 e 1682 sono in realtà una sola cometa e prevede che essa riapparirà nel 1758, cosa che puntualmente si verifica (purtroppo dopo la sua morte). Basta questo avvenimento a convincere tutto il continente europeo della straordinaria potenza della teoria di Newton e a sconfiggere definitivamente i cartesiani. Ma l'importanza di Halley non si esaurisce qui. Confrontando le posizioni di alcune stelle quali risultavano dai vecchi cataloghi astronomici con quelle appena osservate, si accorse che si erano spostate, sia pure di poco. Crollava così il mito delle stelle fisse e l'idea che esse fossero collocate su un'unica sfera. Oltre a questi spostamenti se ne scoprirono poi altri, regolari e periodici. James Bradley (1693-1762), controllando la posizione di una stella, scoprì che questa descriveva un'ellisse. Subito dopo si accorse che questo movimento era condiviso da tutte le stelle. La spiegazione del fenomeno fu trovata dallo stesso Bradley: era un effetto di moto apparente dovuto alla combinazione della velocità della luce proveniente dalle stelle e della velocità della Terra lungo la sua orbita. Il cosiddetto fenomeno dell'aberrazione astronomica fu la prima prova inconfutabile che il fatto che la Terra girasse intorno al Sole non era solo un'utile ipotesi. La precisione degli strumenti aumentava, i telescopi diventavano sempre più grandi e potenti e le scoperte cominciavano a susseguirsi con impressionante rapidità. Si scoprì che la Terra non era una sfera perfetta, ma era schiacciata ai poli; si fecero studi sulla coda delle comete che era sempre diretta nella direzione contraria a quella del Sole; si cominciò a intuire che le nebulose erano in molti casi composte da miriadi di stelle che i telescopi non riuscivano a distinguere. Il vero fondatore della moderna astronomia può essere considerato Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) che, utilizzando giganteschi telescopi (l'ultimo dei quali aveva una distanza focale di 12 m e impiegava uno specchio parabolico di un metro e mezzo di diametro), notevolmente perfezionati anche dal punto di vista ottico, si dedicò all'esplorazione sistematica del cielo nelle zone ancora inesplorate. In questo modo la notte del 13 marzo 1781 scopre un astro dalle singolari dimensioni e che compie un'orbita praticamente circolare: si tratta di Urano, il settimo pianeta del sistema solare. Così scoprirà anche i satelliti di Urano e di Saturno, osserverà le stelle doppie, altre nebulose prima sconosciute e altri grandi ammassi stellari. Le prime ipotesi cosmologiche Nel contempo cominciavano a essere formulate le prime ipotesi cosmologiche. Alcune di queste partivano dall'idea che la distribuzione delle stelle attorno al sistema solare non fosse uniforme in tutte le direzioni. In particolare, Johann Heinrich Lambert (1728-1777) fu il primo a teorizzare l'esistenza, nell'universo, di una gerarchia di oggetti: i sistemi planetari (come il sistema solare), gli ammassi di stelle, le galassie e gli insiemi di galassie. Fu Herschel, con le sue osservazioni sistematiche, a scoprire che il sistema solare si trova a sua volta all'interno di un enorme sistema di 19
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