Newton, la meccanica classica

e il meccanicismo

N. Guicciardini, Newton, I grandi della scienza, Le Scienze

P. Rossi, La nascita della scienza moderna in Europa

E. Mach, The science of mechanics; a critical and historical account of its development

M. Gliozzi, Storia della fisica

Th. Hankins, Science and the Enlightenment

Periodo 1590 – 1710 (da Galileo a Newton):

“Sia Newton, e la luce fu” (Pope)

“La più radicale rivoluzione compiuta o subita dalla mente umana dai tempi dei Greci […] Rivoluzione così profonda che la cultura umana per secoli non ne afferrò la portata e il significato, i quali persino oggi vengono spesso misconosciuti o incompresi”

(A. Koyré)

“La rivoluzione scientifica supera in splendore qualunque altra cosa sia accaduta dalla nascita del Cristianesimo, e riduce il Rinascimento e la Riforma allo status di meri episodi... [rappresenta] la vera origine sia del mondo moderno sia della mentalità moderna”

“l'equivalente di mettersi un nuovo paio di occhiali”(H. Butterfield)

D'altra parte, ribadiamolo:

“La continuità tra la filosofia della natura del XVII secolo e le sue radici medievali è ormai un dato comunemente accettato, mentre il riconoscimento del “ritardo” delle rivoluzioni del

XVIII e del XIX secolo nei campi della chimica e della biologia mal si concilia con la tradizionale identificazione di una “monolitica” rivoluzione scientifica”

(Shapin)

RIVOLUZIONE SCIENTIFICA

Cronologia• 1642, 25 dicembre a Woolsthorpe, nel Lincolnshire (nota “polemica” di Robert Park...)

• 1661 entra al Trinity College di Cambridge come subsizar – legge Cartesio, Galileo

• 1665-1666 annus mirabilis, la “grande peste” di Londra → ritiro a Woolsthorpe.

Studi di ottica, matematica, gravitazione. Torna a Cambridge nel 1667.

• 1669 De Analysi, Lucasian Chair of Mathematics (Dirac, Hawking)

• 1672 Fellow della Royal Society; articolo sulla luce

• 1676-1680 lettere a Leibniz sul calcolo – corrispondenze con Hooke

• 1684 visita di Halley, comincia a lavorare ai Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, pubblicati nel 1687

• 1689 parlamentare; esaurimento nervoso; per i successivi 35 anni si dà alla teologia

• 1696 Warden della Zecca

• 1699 inizia la disputa con Leibniz

• 1703-1727 presidente della Royal Society

• 1704 esce l'Opticks; in appendice il De Quadratura, prima vera pubblicazione sull'analisi

• 1705 nominato Sir

• 1727 muore, sepolto in Westminster Abbey, Londra

Le influenze filosofiche

• Idea che lo accomuna ai rinascimentali (Bruno, Campanella): la verità è nascosta nel

passato e va cercata nei testi antichi, attraverso un'iniziazione;

“la tesi di un sapere segreto delle cose essenziali si configurò nella cultura europea come una sorta di

paradigma prevalente”

“La diffusione del sapere, la discussione pubblica delle teorie non sono state sempre avvertite come

dei valori. Sono invece diventate dei valori” (P. Rossi)

(torre d'avorio vs. divulgazione; Newton vs. Galileo) Convinzione di riscoprire una prisca

sapientia nell'antichità egizia

• L'”ultimo dei maghi”, definizione di J. M. Keynes

• Cartesiano insoddisfatto: particelle + urti...., preoccupazioni teologiche

• Cautamente baconiano, ma con contraddizioni importanti

• Fervente credente e anticattolico, è cristiano unitariano

La metodologia scientifica secondo Newton: empirismo critico, metodo analitico-sintetico

Come in matematica, cosí nella filosofia naturale lo studio delle cose difficili mediante il metodo analitico deve sempre precedere

quello condotto con il metodo sintetico. Questa analisi consiste nel fare esperimenti ed osservazioni e trarre da questi,

mediante l’induzione, conclusioni generali, non ammettendo contro di esse delle obiezioni, a meno che non siano derivate

da esperimenti o da altre verità certe. Perché nella filosofia sperimentale non bisogna tener conto delle ipotesi. E

sebbene il trarre per induzione dei princípi generali dagli esperimenti e dalle osservazioni non equivalga a dimostrarli,

tuttavia è questo il modo migliore di ragionare che la natura consenta, e può considerarsi tanto piú saldo quanto piú

l’induzione sia generale. E se nessuna opposizione sorge dai fenomeni, si può pronunciare una conclusione universale.

Ma se in seguito sorgerà dagli esperimenti qualcosa di contrario, allora si dovrà affermare una conclusione che si

accordi con queste eccezioni. Mediante questa analisi possiamo procedere dalle cose composte alle cose semplici, dai

movimenti alle forze che li producono e in genere dagli effetti alle loro cause, dalle cause particolari a quelle piú generali,

fino a giungere alle cause generalissime. Questo è il metodo analitico; quello sintetico consiste nell’assumere come princípi le

cause scoperte e provate e, mediante queste, spiegare i fenomeni che ne derivano e provare tali spiegazioni.

I. Newton, Ottica, Questione 31

La metodologia scientifica secondo Newton: limitare le ipotesi (“regulae philosophandi” nei Principia)

“Delle cose naturali non devono essere ammesse cause più numerose di quelle che sono

vere e bastano a spiegare i fenomeni” (Principia, libro III)

idea di “semplicità della Natura, che non sovrabbonda di cause superflue e non fa nulla

invano”

→ rasoio di Occam, principio metodologico della parsimònia, della semplicità

“Perciò, finché può essere fatto, le medesime cause vanno assegnate ad effetti naturali

dello stesso genere” (Principia, libro III)

→ idea di uniformità della Natura, riduzionismo

Annus mirabilis

“All'inizio dell'anno 1665 trovai il Metodo di approssimazione delle serie e la Regola

per ridurre un qualunque esponente di un Binomio qualsiasi a tale serie. Lo stesso

anno in maggio trovai il metodo delle tangenti […] e in novembre avevo il metodo

diretto delle flussioni e l'anno successivo in gennaio la teoria dei colori e il maggio

seguente possedevo il Metodo inverso delle flussioni. E nello stesso anno cominciai a

pensare alla gravità che si estende all'orbita della Luna […] Tutto ciò avvenne nei

due anni della peste del 1665 e 1666, poiché in quei giorni ero nel fiore dell'età

creativa e attendevo alla Matematica e alla Filosofia più di quanto abbia mai fatto in

seguito.”

1665 - la scomposizione della luce

Tesi di Newton: il prisma non modifica ma separa; è la luce bianca ad essere quella più “complessa”

• N.: - rifrange i singoli raggi colorati (allontana lo schermo dal prisma);

- “experimentum crucis” dei due prismi: rifocalizza la luce rifratta*

• Nel 1668 costruirà un telescopio a riflessione (no aberrazione cromatica) → fellow della Royal Society,

1672 → segue articolo* su Transactions of the Royal Society, da cui nasce una bella discussione:

1. altri non riescono a replicare l'esperimento (mal descritto), e poi una sola falsificazione è poco (baconiani!)

2. Hooke: d'accordo, ma l'interpretazione è affrettata, “scomporre” è un modo di “modificare”

3. Huygens: poco interessante a proposito della natura della luce: cosa ci dice su onda o corpuscolo?

Cartesio: modello corpuscolare della luce: moto rettilineo, con rotazione

delle particelle più esterne del fascio dovuta all'interazione col prisma

(rifrazione)

Hooke: modello ondulatorio; i colori sono modificazioni della luce bianca

Teorie “modificazioniste”

della luce

N. invoca “filosofi geometri” e “geometri filosofici”;Luce bianca composta da corpuscoli con velocità differenti a seconda del colore (blu più lenti → maggior deflessione)

La controversia lo turba, decide di non pubblicare più alcunchè

“If he had encountered the sort of opposition with which Galileo had to contend, it is probable that he would never have published a line” (B. Russel)

Rifrattore di Hevelius, 140 piedi, 1650

I Principia: libro I: i tre assiomi o leggi del moto

I. Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter...

Ciascun corpo persevera nel proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, eccetto

che sia costretto a mutare quello stato da forze impresse.

II. Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae...

Il cambiamento di moto è proporzionale alla forza motrice impressa, ed avviene lungo la

linea retta secondo la quale la forza è stata impressa.

III. Actioni contrariam semper & aequalem esse reactionem...

A ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.

Esempi: moto di un proiettile, moto delle trottole, moto di rotazione sull'asse dei pianeti → N. non distingue inerzia da cons. mom. ang...

Non c'è F=ma (il senso è quello); N. non usa il calcolo delle flussioni, usa la geometria

N. capisce che il Sole non è statico, ma subisce una piccola accelerazione

I Principia: II libro

• “Nei libri precedenti ho descritto […] principi non filosofici [ovvero fisici] ma

matematici […] Dagli stessi principi ora dimostrerò la struttura del sistema del mondo”

• Premessa: regulae philosophandi

• Le tre leggi di Keplero, in particolare orbite circolari, ellittiche, paraboliche o

iperboliche in presenza di forza centrale inversamente proporzionale a R².

• mostra l'accordo tra le orbite e i calcoli, le maree come effetto della gravità, la

precessione degli equinozi, il moto delle comete, la legge della gravitazione universale.

Trova la stessa proporzione tra la gravità sulla Terra (caduta di un oggetto) e la forza che

lega la Luna (caduta della Luna, scostamento dell'orbita dal moto rettilineo)→ per la regula

philosophandi la forza nei due casi è sempre la stessa.

·

I Principia: III libro, il “Sistema del mondo”

Meccanica dei fluidi, acustica (undarum latitudo, prima nozione di lunghezza d'onda)

III libro, prime dimostrazioni: generalizzazione della II legge di Keplero

Moto inerziale → AB=BC=CD...

Triangoli con stessa base e stessa altezza

→ area ∆OAB = area ∆OBC = area ∆OCD =...

Moto inerziale con impulso periodico verso punto S →

N. dimostra che

area ∆SAB = area ∆SBC = area ∆SCD =...

Infine: spostamenti ridotti in infinitum → traiettoria curvilinea

Spazio e Tempo assoluti

Il tempo assoluto, vero, e matematico, in sé e per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, fluisce equalmentesenza relazione ad alcunché di esterno...

Lo spazio assoluto, per sua natura privo di relazione a qualcosa dii esterno, rimane sempre simile a sé stesso ed immobile

• N. ritiene possibile parlare di un moto assoluto, in base agli effetti della rotazione (acqua che si solleva in un

secchio: allora l'acqua è ferma rispetto al secchio, ma in moto rispetto allo spazio assoluto; fune che si tende tra

due corpi)

• “it is indeed a matter of great difficulty to discover and effectually to distinguish the true from the apparent

motions of particular bodies; for the parts of that immovable space in which bodies actually move, do not come

under the observation of our senses” (N.)

• Motivazioni teologiche (“set” dell'intervento divino)

• E. Mach: mostruosità concettuali : “No one is competent to predicate things about absolute space and absolute

motion; they are pure things of thought, pure mental constructs, that cannot be produced in experience. All our

principles of mechanics are, as we have shown in detail, experimental knowledge concerning the relative

positions and motions of bodies […] No one is warrented in extending these principles beyond the boundaries of

experience. In fact, such an extension is meaningless.”

(N.B.: Mach ispirerà il primo Einstein)

Ricezione, critiche e limiti dell'opera

• Molte lodi, fonda la fisica matematica

1784: 40 libri su N. in inglese, 17 in francese, 3 in tedesco, 11 in latino, 1 in italiano

• Supera di molto le prospettive poste dalla domanda di Halley; fertile, profondo

• Supera troppo... (contesto assolutizzante, teologico)

• Lavoro confuso e oscuro, e non solo secondo i canoni moderni

• Usa la geometria invece del calcolo

• F = ma (Eulero, 1750) verrà rivendicata come una nuova scoperta!

• Idea imbarazzante della forza gravitazionale: a distanza ed istantanea

• M. Gliozzi : “la sua opera è forse il più compiuto modello che abbia mai avuto la

fisica di armonica fusione di fatti sperimentali e di considerazioni teoriche”

(M.Gliozzi, Storia della fisica)

Il Newton ermetico

Tradizionale immagine di simbolo della Ragione (dipinto di Blake), Illuminismo, ma....

• Dal 1668 legge e annota febbrilmente e ininterrottamente i testi della tradizione alchemica (Corpus hermeticus

di Ermete Trismegisto; Theatrum chemicum, Atalanta fugiens, Metamorphosis Planetarium...) esegue

esperienze sulla trasmutazione dei metalli; cerca risposte a domande quali “quali processi sono coinvolti nella

generazione di una pianta dal seme?”, “quali nel passaggio dalla volontà di muovere un braccio all'effettivo

movimento del braccio?” “Quali nella perdita di ordine di un organismo prima ordinato e animato?”

• Idea di fondo: mondo non riducibile ad un meccanismo, c'è uno “spirito vegetativo”, una “virtù

fermentativa”; N. cerca di identificare le modalità di azione di Dio nella Natura, la “filosofia meccanica”

coglie solo una piccola parte dei fenomeni naturali

“A me par d'essere come un bimbo che gioca sulla spiaggia, e si rallegra se di quando in quando trova una

conchiglia più bella delle altre o un sasso più liscio degli altri, mentre il grande oceano della verità sorge

inesplorato dinanzi a lui”.

• Lettura e interpretazione della Bibbia, visto come testo da decifrare, simbologia numerologica

L'ultimo dei maghi o il grande ornamento dello spirito umano?

“I mortali possono gioire che sia esistito un tale e così grande ornamento dello spirito umano”

(epitaffio funebre)

“Nature and Nature's laws were hid in night

God said “Let Newton be”, and all was light.

(A. Pope, 1700 ca.)

“Mangia, beve e dorme? E' come gli altri uomini?”

(marchese de L'Hopital)

The more Newton's theological and alchemical, chronological and mythological work is examined as a whole corpus, set by the side of his science, the more apparent it becomes that in his moments of grandeur he saw himself as the last of the interpreters of God's will in actions, living on the fulfillment of times."

F.E. Manuel, The Religion of Isaac Newton (Oxford 1974)

P. Rossi sul carattere contraddittorio di Newton: “La storia della rivoluzione scientifica e delle sue “torbide” origini, può servire a renderci consapevoli che categorie come la razionalità, il rigore logico, la controllabilità delle asserzioni, la pubblicità dei risultati e dei metodi che caratterizzano la struttura del sapere scientifico non sono categorie perenni dello spirito né dati eterni della storia umana, ma conquiste storiche che, come tutte le conquiste, sono suscettibili di andare perdute.”

Es: moto inerziale tangenziale dei pianeti: dato da Dio affinché non cadano verso il Sole in linea retta

La sistemazione del paradigma o core newtoniano

• Orizzonte metafisico:

Causalità complessa e articolata (Aristotele) → causalità efficiente

(centro concettuale del meccanicismo: stato del sistema ora → stato del sistema poi)

• “Mopping up” della meccanica newtoniana, caratterizzato da:

- passaggio dalla geometria all'analisi: “modo geometrico” → “analytice modo”

- aggiunta di principi non necessari, ma comodi per classi di problemi

(pr. di minima azione, pr. di D'Alembert) (“cintura di ipotesi accessorie”)

• Periodo di sessant'anni

• Protagonisti principali:

→ D'Alembert

→ Eulero

→ Lagrange

Sfide a Newton – falsificazioni/corroborazioni

La forma della Terra: “cipolla” o “limone”?

Il moto della Luna

Il ritorno della cometa di Halley

Newton (forza centrifuga)Anche: periodo del

pendolo

Cartesio (vortici)

Spedizioni per la misura del raggio terrestre, lì dove più

accentuato → poli, equatore

Maupertuis (FRA) dà ragione a Newton (UK)

Si usano approssimazioni successive, teoria delle perturbazioni

Viene prevista la data (Clairaut – salutato come il nuovo Newton),

coincide con l'osservazione

Kuhn: c'è gloria per i risolutori di “rompicapo”

“Tutti gli eventi, anche quelli che, per la loro piccolezza, sembrano non dipendere dalle grandi leggi della natura, ne sono

una conseguenza altrettanto necessaria delle rivoluzioni del sole. Per l'ignoranza dei legami che li uniscono al sistema

intero dell'Universo, li si è fatti dipendere dalle cause finali o dal caso, secondoché si producevano e si susseguivano con

regolarità, o senza ordine apparente; ma queste cause immaginarie sono state successivamente allontanate assieme ai

confini delle nostre conoscenze, e scompaiono completamente di fronte alla sana filosofia che non vede in esse altro che

l'espressione della nostra ignoranza delle cause vere. Gli eventi attuali hanno un legame con quelli che li precedono, il

quale è fondato sul principio evidente che una cosa non può cominciare ad essere, senza una causa che la produca.

Questo assioma, noto col nome di principio di ragion sufficiente, si applica anche a quelle azioni considerate come

indifferenti.[...]

Noi dobbiamo dunque considerare lo stato presente dell'universo come l'effetto del suo stato anteriore e come la causa del

suo stato futuro. Una Intelligenza che, in un dato istante, conoscesse tutte le forze da cui è animata la natura e la

situazione rispettiva degli esseri che la compongono, se per di più fosse così elevata da sottomettere questi dati all'analisi,

racchiuderebbe nella stessa formula i movimenti dei più grandi corpi dell'universo e dell'atomo più leggero: nulla

sarebbe incerto per essa e l'avvenire, come il passato, sarebbe presente ai suoi occhi. Lo spirito umano offre, con la

perfezione cha ha saputo dare all'Astronomia, un pallido abbozzo di questa intelligenza. Le sue scoperte nella Meccanica

e nella Geometria, unitamente a quelle della gravità universale, l'hanno messo in condizione di cogliere entro le stesse

espressioni analitiche, gli stati passati e futuri del sistema del mondo”.

(P. S. Laplace, Essai philosophique sur les probabilites, 1825)

NOTA BENE: per Newton e Boyle non era così! Ci sono ancora le “cause finali”: il corso dei processi naturali è

manifestazione della volontà e dei fini di Dio. → altro esempio di finalismo che sopravvive nelle teorie fisiche del '700

Ruolo esaustivo della causalità efficiente in meccanica

Una retrospettiva: H. Reichenbach, La duplice natura della fisica classica:

il suo aspetto empirico e il suo aspetto razionale

“I dati di osservazione sono il punto di partenza del metodo scientifico, ma non lo esauriscono.

Essi vengono integrati con una spiegazione matematica che va molto al di là di ciò che è

stato osservato...”

“Quello che le osservazioni confermano come vero è molto di più di quanto esse provano

direttamente; esse attestano una spiegazione matematica astratta, cioè una teoria da cui

possono venir dedotti matematicamente i fatti osservabili”

“Il metodo matematico ha dato alla fisica moderna il suo potere di previsione. Chiunque parla

di scienza empirica non dovrebbe dimenticare che l'osservazione e l'esperimento hanno l'osservazione e l'esperimento hanno

potuto edificare la scienza moderna solo perché combinati con la deduzione matematicapotuto edificare la scienza moderna solo perché combinati con la deduzione matematica.

La fisica di Newton è ben differente dalla scienza induttiva vagheggiata due generazioni prima

da Francesco Bacone.”

“L'idea di una rigorosa determinazione causale di tutti i fenomeni della natura è un prodotto dei

tempi moderni”

Ottica pre-newtoniana e newtoniana: competizione tra programmi di ricerca

Grimaldi, Cartesio, Huygens, Hooke, Rœmer

Newton: la formazione di un paradigma → natura CORPUSCOLARE della luce

il programma di ricerca newtoniano – il programma minoritario (Eulero)

“Shift” di paradigma

Young, Fresnel → natura ONDULATORIA della luce

t

1600

1700

1800

1900-1905 paradigma quantistico: Planck, Einstein → Dualismo (o dualità) della luce

Legge della rifrazione

• Precedenti: Tolomeo

• 1620 ca.

W. Snell Cartesio

Legge con teoria fisica: AB percorso nello stesso t di BC → v aumenta

Legge puramente fenomenologica, empirica

meno denso

più denso

"We cannot help believing that light consists in the motion of a certain material. For when we consider its production we find that here on the earth it is generally produced by fire and flame, which, beyond doubt, contain bodies in a state of rapid motion, since they are able to dissolve and melt numerous other more solid bodies. And if we consider its effects, we see that when light is converged, as, for instance, by concave mirrors, it is able to produce combustion just as fire does [...] a property that surely indicates motion, at least in the true philosophy where one believes all natural phenomena to be mechanical effects. [...] When we consider, further, the very great speed with which light is propagated in all directions, and the fact that when rays come from different directions, even those directly opposite, they cross without disturbing each other, it must be evident that we do not see luminous objects by means of matter translated from the object to us, as a shot or an arrow travels through the air. [...] Light is then propagated in some other manner, an understanding of which we may obtain from our knowledge of the manner in which sounds travels through the air. [...] Sound is propagated in all directions from the point where it is produced, by means of a motion which is communicated successively from one part of the air to another; and since this motion travels with the same speed on all directions, it must form spherical surfaces which continually enlarge until finally they strike our ear. Now there can be no doubt that light also comes from the luminous body to us by means of some motion impressed upon the matter which lies in the intervening space; for we have already seen that this cannot occur through the translation of matter from one point to the other."

C. Huygens, Traité de la lumiere, 1678

il valore dell'analogia in fisica teorica – luce e suono

"The physicist who seeks to unite and classify in an abstract theory the laws of a certain

category of phenomena, lets himself be guided often by the analogybe guided often by the analogy that he sees

between these phenomena and those of another category. If the latter are already

ordered and organized in a satisfactory theory the physicist will try to group the

former in a system of the same type and form. The history of physics shows us that

the search for analogies between two distinct categories of phenomena has

perhaps been the surest and most fruitful method of all the procedures put in

play in the construction of physical theories"

P. Duhem, The aim and structure of physical theory

→ se funziona, bene

→ altrimenti ha comunque fornito una congettura, utile per fare tentativi ed errori

→ utile per l'apprendimento

→ senso stesso del fare scienza

What is a wave?

"A bit of gossip starting in Washington reaches New York

very quickly, even though not a single individual who

takes part in spreading it travels between these two

cities. There are two quite different motions involved,

that of the rumor, Washington to New York, and that of

the persons who spread the rumor. The wind, passing

over a field of grain, sets up a wave which spreads out

across the whole field. Here again we must distinguish

between the motion of the wave and the motion of the

separate plants, which undergo only small oscillations. [...]

The essential new thing here is that for the first time we

consider the motion of something which is not matter,

but energy propagated through matter."

Einstein-Infeld, The Evolution of Physics

“Supponete un numero di eguali onde d'acqua muoversi sulla superficie di un lago con

una certa velocità costante ed entrare in uno stretto canale che conduce fuori del lago;

supponete inoltre che un'altra causa simile abbia eccitato un'altra eguale serie di onde

che arrivano allo stesso canale con la stessa velocità, contemporaneamente al primo

sistema di onde. Nessuno dei due sistemi di onde distruggerà l'altro, ma i loro

effetti si combineranno: se essi entreranno nel canale in modo che le elevazioni di

un sistema coincidano con quelle dell'altro, esse produrranno insieme una serie di

maggiori elevazioni; ma se le elevazioni sono così disposte da corrispondere alle

depressioni dell'altro, esse riempiranno esattamente quelle depressioni e la superficie

dell'acqua rimarrà liscia. Ora io ritengo che simili effetti avranno luogo quando due

parti di luce saranno in tal modo mescolate: e questa sovrapposizione io chiamo la

legge generale dell'interferenza della luce.”

Th. Young,

An Account of Some Cases of the Production of Colours not Hitherto Described,

Philosophical Transactions, 92, 1802

Augustin Fresnel (1788-1827)

Ingegnere; pare non abbia letto Huygens, Eulero, Young; scoperta autonoma.

- esperimento a singola fenditura

- diffrazione da disco e da lama

Si aggiudica il premio bandito da Parigi - 1817, con tre arbitri severissimi e "corpuscolari":

Laplace, Poisson, Biot che rilanciano: "Supponiamo che raggi paralleli incidano su un

disco opaco, e che la regione circostante sia perfettamente trasparente. Il disco proietta

un'ombra -ovviamente-, ma il centro esatto dell'ombra sarà chiaro..." -> funge da vera e

propria congettura.

NB: esempio di congettura molto improbabile (Popper), di quelle "sane" per lo sviluppo

1702 - 1817: luce: dal modello corpuscolare a quello ondulatorio

→ ipotesi di lettura più generale:

tale transizione – che induce anche un'analoga transizione per l'idea di calore - permette

lo sviluppo del concetto di conservazione dell'energia

luce e calore luce: da sostanzaa ONDA

anche il calore:da sostanza a stato di moto

meccanica praticamente completata nel '700, manca "solo" il principio diconservazione dell'energia

conservazione dell'energia1850

"fisica classica" ONDA: trasporto di energia senza trasporto di materia

calore; proprietà (moto) o sostanza?

- Bacone, Galileo, Boyle: pensano al calore come manifestazione del moto di particelle su

scala microscopica; qualcosa che può essere generato con l'attrito ad esempio

Boyle (1627-1691):

“Se un chiodo abbastanza grande viene infisso con un martello entro una tavola di legno, lo

si dovrà colpire molte volte prima che esso divenga caldo: ma una volta che sarà entrato

del tutto nell'asse lasciando fuori solo la testa, così da non poter penetrare ancora più a

fondo, pochi colpi saranno sufficienti a dargli un notevole calore; e infatti, quando a ogni

colpo del martello il chiodo entra sempre di più nel legno, il moto che viene prodotto è

soprattutto progressivo e riguarda il chiodo che tende a muoversi lungo una certa

direzione; ma quando il moto è bloccato, l'impulso dato dalla martellata, essendo

incapace di spingere più avanti il chiodo o di frantumarlo, deve essere consumato nel

produrre un muoversi vario, veemente e interno delle parti, e in tal modo si genera

un moto che già in precedenza osservammo esser della natura del calore.”

→ Joseph Black, 1760: riscalda in forno due stesse quantità di Hg e acqua: il primo risulta molto più caldo della seconda → il calore è un fluido privo di peso, invisibile, indistruttibile, che corpi diversi sono in grado di trattenere e “reggere” in modo diverso;

le particelle di materia attraggono il calore;

sviluppa le idee di CALORE SPECIFICO e CALORE LATENTE (= nascosto: le particelle si riorganizzano in modo da immagazzinarlo senza che ciò appaia, ovvero senza ΔT) ;

ATTRITO → fa fuoriuscire il calore dalla materia, è come “strizzare una

spugna/arancia”; è questo calore “libero” che affetta il termometro

DILATAZIONE → le particelle del fluido calorico si respingono tra loro; quando si

scalda un corpo e si supera le sue capacità di immagazzinamento il calore in eccesso

inizia a distanziare le particelle del corpo;

→ nel 1780 il paradigma è consolidato

→ nel '700, con il "corpuscolarismo" di Newton (anche in ottica), si impone però lentamente

il paradigma del calorico, del calore come sostanza

l'osservazione cruciale di Rumford: l'alesatura dei cannoni

→ hp. in difesa del calorico: la lavorazione "libera" il calorico prima custodito all'interno della materia, abbassa le capacità del metallo di trattenere il calore; evidenza di calore “sensibile” che prima era “latente”

→ ma è processo continuo, produzione incessante di fluido calorico?!

→ R. confronta i calori specifici delle schegge e del cannone: non sono diversi (sia le schegge che il cannone hanno

liberato la stessa quantità di calore!)!

→ non c'è conservazione del calorico, come si credeva!

"It is hardly necessary to add that anything which any insulated body, or system of bodies, can continue to furnish

without limitation, cannot possibly be a material substance" [...] "it appears to me extremely difficult to form any

distinct idea of anything capable of being excited or communicated in the manner in which heat was excited and

communicated in the experiments, except it be MOTION" [...] "heat is nothing but a vibratory motion taking

place among the particles of the body"

Esperienza analoga (ma poco curata): H. Davy: scioglie due cubetti di ghiaccio strofinandoli uno sull'altro.

→ alesatura dei cannoni: si generano elevatissime temperature

"Being engaged lately in superintending the boring of cannons in the workshops of the military arsenal at Munich, I was struck by the considerable degree of heat that a brass gun acquires in a short time in being bored"

1807

Fa addirittura bollire l'acqua in cui è immerso il cannone!(già Baliani al tempo di Galileo, però...)

contro la proposta di Rumford: e il calore radiante?

Ma come fa ad arrivarci il calore dal Sole? Il fatto che il calore possa viaggiare nello spazio vuoto fa pensare ad esso come ad una sostanza. Se fosse moto, moto di quali particelle?

Osservazione: si era notato che LUCE e CALORE RADIANTE condividono molte

proprietà: riflessione, rifrazione, interferenza, polarizzazione...

finché la luce è vista come corpuscolare, sostanza (Newton) → anche il calore è interpretato nello stesso modo.

dopo Young e Fresnel , 1825: si ha un "dopo Young e Fresnel , 1825: si ha un "paradigm shiftparadigm shift": luce è onda.": luce è onda.

in pochi anni lo stesso shift avviene per il in pochi anni lo stesso shift avviene per il calore radiante: è ONDA, calore radiante: è ONDA, cioè trasferimento di energia cioè trasferimento di energia (e non c'e' distinzione tra calore (e non c'e' distinzione tra calore radiante e calore...). Luce e calore sono energia, non sostanze.radiante e calore...). Luce e calore sono energia, non sostanze.

Inoltre: se il calore è moto, allora possiamo inserirlo nello stesso bilancio della vis viva...

Mayer: la conservazione dell'energia totaleJulius Robert Mayer (1814-1878) (inquieto) medico tedesco

1842: saggio creativo, metafisico sull'energia, che passa inosservato

"Energies are causes: accordingly, we may in relation to them make full application of the principle -causa

aequat effectum [the cause is equal to the effect]. If the cause c has the effect e, then e = c.... In a chain of

causes and effects, a term or a part of a term can never, as plainly appears from the nature of an equation,

become equal to nothing. This first property of all causes we call their indestructibility... If after the

production of [effect] e, [cause] c still remained in whole or in part, there must be still further effects

[f,g,...] corresponding to the remaining cause. Accordingly, since c becomes e, and e becomes f, etc., we

must regard these various magnitudes as different forms under which one and the same entity makes its

appearance. This capability of assuming various forms is the second essential property of all causes.

Taking both properties together, we may say, causes are quantitatively indestructible and qualitatively

convertible entities... Energies are therefore indestructible, convertible entities”

“an energy once in existence cannot be annihilated; it can only change its form...”

(J.R.M; Annalen der Physik und Chemie)

NB: “Anti-materialista” - Mayer è più generale di Rumford, rifiuta l'idea di energia come qualcosa legato al

moto o alla materia, ci può essere energia senza che ci sia materia

il retroterra culturale

“La visione dell'energia come una sorta di “trasformista” con un intero baule pieno di

travestimenti era in perfetta sintonia con lo spirito di un movimento culturale che nacque fra la

fine del diciottesimo secolo e l'inizio del diciannovesimo. Le manifestazioni artistiche,

letterarie e musicali di tale movimento furono chiamate romanticismo, parola che useremo per

indicare questa corrente di pensiero nella sua totalità. […] Il romanticismo aveva una

diramazione scientifica chiamata naturphilosophie. Gli esponenti di questa scuola venivano da

molte branche della scienza ma attribuivano grande importanza ad una organica totalità della

natura. Energia era la loro parola per indicare il principio vitale alla base di tutti i

mutamenti, del moto, della crescita, della creatività e della passione. Questa corrente era

particolarmente forte nelle università di lingua tedesca dell'Europa centro settentrionale. Senza

questa sorta di appassionata convinzione, il concetto di energia non avrebbe potuto mai

fare progressi, perché nei suoi livelli iniziali di sviluppo, la legge della conservazione

dell'energia doveva essere accettata quasi con fede cieca.”

R. H. MarchKuhn, relativismo culturale anche della

scienza...

Nasce la “FISICA”

• Filosofia naturale

• Varie discipline separate: meccanica, ottica, termologia...

• il concetto di ENERGIA e quello di FISICA nascono insieme:

“[...] before the 1840s, such areas as mechanics, light, heat, electricity, magnetism, sound, etc. existed for

the most part in isolation from each other. When, however, scientists began to see how to trace the

transformation of mechanical energy into, for example, thermal or electrical energy, then physics

as a unified discipline emerged.

[…] Moreover, the term physicist was introduced into English only in 1840. This occurred in a paragraph

of William Whewell's Philosophy of the Inductive Sciences, where he wrote: «[…] As we cannot use

physician for a cultivator of physics, I have called him a Physicist.» […] Michael Faraday protested:

«Physicist is both to my mouth and ears so awkward that I think I shall never be able to use it. The

equivalent of the three separate sounds of i in one word is too much.»”

M. J. Crowe, Mechanics from Aristotle to Einstein