Volta, Schelling e l’emergere della fisica teorica

1. Volta, Schelling e l’emergere della fisica teorica Fabio Bevilacqua Dipartimento di Fisica Università di Pavia

2. Tre temi: • Le teorie di Volta ed il modello standard • Dalla fisica speculativa alla fisica teorica • Lo studio accademico, oggi

3. Volta (1784) e Coulomb (1785) Azioni “ in-tensive ” di probabile derivazione leibniziana Q=CT Legge derivante dalla gravitazione newtoniana: azioni a distanza nello spazio vuoto F=q1q2/r2

4. Il programma di Volta • Il fluido tende a ritornare nella condizione di equilibrio: in-tensione inversamente proporzionale alla capacità del corpo • Attuazione (induzione) influenza lo spazio circostante e separa il fluido elettrico • I metalli sono motori e non solo conduttori di elettricità: “forza” elettromotrice • I fenomeni elettrici del mondo organico non sono diversi da quelli del mondo inorganico (organo elettrico artificiale = pila)

5. Analogie di Volta: Qgas=PressioneVolume Qelettr=TensioneCapacitàQcalore=TemperaturaCapacità

6. Forza e Tensione • E’ quindi importante ritornare alla teoria e capire la differenza tra le interpretazioni di Coulomb e Volta, ed anche le ragioni del loro dissenso. Possiamo dire che Coulomb misurava e voleva misurare forze di tipo newtoniano e voleva trovare una legge di proporzionalità con l’inverso del quadrato della distanza; ma che cosa voleva misurare Volta? Volta voleva misurare una forza di tensione, uno sforzo a spingersi fuori; ma soprattutto voleva misurare una tendenza (tensione) verso l’equilibrio e quindi un effetto che tendeva a diminuire via via che si raggiungeva la condizione di equilibrio. La forza di Newton certamente non diminuisce verso l’equilibrio.

7. Coulomb e il “modello standard” della scuola laplaciana • “Intorno al 1770 elettricità, magnetismo e calore cominciarono a sottostare al tipo di analisi che aveva ordinato i movimenti dei pianeti.Questi risultati ispirarono ed esemplificarono il programma descritto da Laplace nel 1796 e portato quasi alla realizzazione (o così egli pensò) da Gay-Lussac nel 1809: perfezionare la fisica terrestre con le stesse tecniche che Newton aveva usato per perfezionare lo studio della meccanica celeste.”

8. Successi e limiti del “modello standard” • La quantificazione delle scienze baconianeavviene all’interno di programmi di ricerca in competizione: la quantificazione di Coulomb è diversa da quella di Volta • La matematizzazione delle scienze baconiane, attraverso l’applicazione della teoria matematica del potenziale, avviene a Parigi prevalentemente all’interno del modello standard della scuola laplaciana. • Questo programma perde carica innovativa a partire dagli anni ‘30

11. Volta-Coulomb • Volta • Coulomb

12. “L’influsso di A. Volta sulla filosofia della natura del romanticismo tedesco”di F. Moiso (2002) • “...non esagererei affatto dicendo che in gran parte la Naturphilosophie sia stata ispirata da lui stesso” • “Infatti “il problema principale della filosofia della natura…è spiegare ciò che è in quiete, il permanente”….Ed ecco che a questo punto arriva la fisica voltiana a suggerire la risposta.” • Come all’interno dello spazio fisico, per spostamento relativo di corpi tra di loro, si generano continuamente differenze compensate che, persa tale compensazione, trapassano in differenze diverse nello spazio e nel tempo, così gli ambiti individuali all’interno dell’universo sono dei momenti di indifferenza, che possono essere concepiti secondo il modello di “luoghi” in cui tensione e capacità sono bilanciate. A causa degli spostamenti dei corpi questi stati d’indifferenza trapasseranno in stati di differenziazione e quindi avremo quei fenomeni di attività palesi o “segni” di cui la fisica voltiana forniva la teoria elettrostatica nei famosi scritti di cui si è detto prima.

13. “L’influsso di A. Volta sulla filosofia della natura del romanticismo tedesco” di Francesco Moiso (2002) • Si ha allora il passaggio - che come si è detto è stato necessariamente mediato dalla visione di Volta - da una concezione di tipo corpuscolare-atomistico a una concezione di tipo dinamicistico, in cui esiste sostanzialmente un campo di forze (si potrebbe chiamare anche di “energia”, badando a non esagerare con l’identificazione, e a non cadere in anacronismi facilmente visibili) in cui un’unica azione si trasmette all’interno dell’Universo intero, generando continuamente ambiti individuali relativi (come sempre relativa era per Volta la “quantità naturale” di elettricità che rende un corpo elettricamente neutrale) poi travolti e superati. Non c’è allora più quell’individuazione assoluta dell’atomo democriteo nello spazio, ma c’è come un’onda che fluisce e “riempie” punti del continuo spaziale per poi abbandonarli e rifluire altrove.”

14. 2) I risultati dei modelli non standard (1800-1847) portano all’emergere della fisica teorica (diversa dalla fisica sperimentale e dalla fisica matematica) • Sorgono varie scuole in elettromagnetismo: • Stato elettrotonico • Spazio pieno e azione a contatto • Spazio vuoto e azione a distanza • Azione a distanza ritardata • La teoria matematica del potenziale come ponte tra le varie concezioni • Sorgono varie scuole in termologia • Unità e Convertibilità • Causalità (causa ed effetto qualitativamente diversi ma quantitativamente uguali) • Impossibilità del motore perpetuo • Modelli sostanzialisti e cinetici del calore

15. Fertilità delle tradizioni non standard • Inghilterra • G.Green, Faraday, Joule • Influenze scozzesi su Cambridge: W.Thomson, Stokes, Maxwell • Francia • Sadi Carnot • Germania • Mayer, Helmholtz (fisiologia)

16. Sadi Carnot (1796–1832)

17. Sadi Carnot • Il calore è una sostanza, il fluido calorico, che può essere portata a varie temperature. Il calorico in un corpo ad una certa temperatura è in una condizione di equilibrio. Se il calorico viene portato ad un’altra temperatura l’equilibrio viene perturbato ed il calorico tenderà al ristabilimento dell’equilibrio termico, cioè a ritornare alla temperatura originaria. La temperatura è indice di questa tendenza/tensione e quindi assume il ruolo di grandezza in-tensiva. Aspetto fondamentale dell’approccio e quello del ristabilimento delle condizioni iniziali e quindi del ciclo. Notevoli le analogie (temperatura come tensione, calorico come fluido elettrico) con il programma di ricerca di Volta e la differenza rispetto al modello standard.

18. James Prescott Joule (1818-1889)

19. La filosofia della natura e la storiografia angloamericana • (Arthur Erich Haas: La storia dello sviluppo del principio di conservazione della forza (1909)) • Thomas Kuhn: La conservazione dell’energia come esempio di scoperta simultanea (1959)

20. Kenneth Caneva: Physics and Naturphilosophie, a Reconnaissance (1997)

21. John Heilbron: La retroguardia qualitativa. Naturphilosophie (2002)

22. Johann Wilhelm Ritter (1776-1810)

23. Humphry Davy (1778-1829)

24. Hans Christian Ørsted (1777-1851)

25. Thomas Johann Seebeck(1770-1831)

26. (Georg Simon Ohm (1789-1854)) • This apparatus was used by Ohm. Current flowing through the metal bar in the center cylinder deflects a magnetized needle suspended above it. The deflection angle is proportional to the current. The source of electric potential is a thermocouple (discovered by Seebeck in 1821). The ends of the thermocouple are heated by steam and cooled by ice-water in the small containers on the tripods. The use of a thermocouple made the measurement possible; other sources of potential available in the 1820's were too unreliable.

27. Azione per contatto : linee di forza e « stato elettrotonico »

28. Julius Robert Mayer (1814-1878)

29. Helmholtz 1847

30. Helmholtz nel 1847 • Assume il modello newtoniano e formula l’interpretazione meccanica del principio di conservazione dell’energia: • T+U=cost. • ΔT = ΔU

31. Helmholtz nel 1847 formalizza la distinzione tra fisica sperimentale e teorica (non matematica!!!) • 4 livelli • Premesse fisiche • Deduzione dei principi • Leggi empiriche • Fenomeni naturali • Le leggi devono oramai essere in accordo non solo con i fenomeni ma anche con i principi • I principi possono essere formulati sulla base di modelli alternativi

32. Un punto di vista a quattro componenti

33. William John Macquorn Rankine (1820-1872) La fattorizzazione dell’energia

34. James Clerk Maxwell

35. Maxwell: 1873 Treatise

36. Hertz: 1892

37. Hertz: • La concezione della attrazione a distanza e della teoria del potenziale sono concezioni di tipo religioso • L’energia potenziale va ricondotta a cinetica • La forza deve scomparire • I potenziali non sono “reali” come i campi. le equazioni di Maxwell vanno “purificate” dai potenziali • Le equazioni di Maxwell non possono essere messe direttamente in relazione con l’esperienza

38. Planck (1887) • Un giudizio di tipo teorico: • Un criterio di semplicità • La conservazione dell’energia elettromagnetica locale (a contatto) deve prevalere su quella globale • La causalità deve prevalere sulla teleologia

39. Lorentz e la Teoria degli Elettroni: lo spazio si svuota di materia e si riempie di « campi » E + P = D

40. I dibattiti sui fondamenti • Meccanicismo • Concezione elettromagnetiche della natura • Energetica • Termodinamica • La rivoluzione nel ‘900: • Relatività • Meccanica quantistica

41. Einstein (1905): la massa è energia Ko - K1 = (L / V2).v2 / 2 E = m c2

42. Feynman: potenziali ritardati • Sommerfeld: fattorizzazione

43. Filosofia naturale e fisica teorica

44. 3) Lo studio accademico • Helmholtz nel 1877 loda “la libertà” delle Università tedesche • Blaserna e Cantoni lamentano lo stato della ricerca e dell’insegnamento in Italia

45. Helmholtz 1877 BerlinoSulla libertà accademica nelle università tedesche

46. Il dibattito sui fondamenti porta all’elaborazione di testi avanzati

47. I libri di testo avanzati mostrano una scienza non “normale”

48. I libri di testo sono “normali”:

49. Oggi: • Scienza straordinaria e normale • Fonti primarie e libri di testo • Small science e big science • La storia della scienza agli studenti delle Facoltà umanistiche e i “risultati” agli studenti delle Facoltà scientifiche

50. Nuovi curricula (Harvard) • Facoltà di “arti e scienze” di tipo culturale e non professionale: un ritorno • Curricula postdisciplinari • Filosofia, Storia e Scienza