Cerreto Valentina, Petti Eleonora, Boschi Manuela, Fallani Leonardo
NEWTON E LA STRUTTURA DELLA MATERIA
Premessa
In questa nostra relazione tratteremo brevemente la concezione della materia degli antichi per poi passare al pensiero del fisico, matematico e astronomo inglese sir Isaac Newton.
L’importanza di Newton, però, si evidenzia anche sul piano filosofico soprattutto per quanto riguarda la controversia con la fisica cartesiana a cui accenneremo.
Talvolta le concezioni di Newton sono state accettate per lungo tempo per il semplice fatto che lo scienziato aveva acquisito una grande notorietà che lo faceva spiccare fra gli altri scienziati del tempo.
La curiosità per la struttura della materia, iniziata con gli antichi pensatori greci, cui accenneremo, non si è fermata certo con Newton, e passando per la legge della conservazione della massa di Lavoisier, la legge delle proporzioni definite di Proust, la legge delle proporzioni multiple di Dalton è arrivata all’attuale teoria atomica per cui la materia è costituita da molecole e queste da atomi. L’atomo, tuttavia, non costituisce la particella ultima della materia, bensì si ritiene che esso sia composto da un nucleo e da una nuvola di elettroni, aventi carica elettrica negativa, che ruotano attorno al nucleo. Il nucleo, a sua volta sarebbe costituito da altre particelle (neutroni e protoni) le quali non sarebbero elementari ma a loro volta costituite dai cosiddetti quarks cui accenneremo per concludere.
Cenni sulle concezioni degli antichi
La prima teoria atomica fu formulata già intorno al 400 a.C. da Democrito d’Abdera, il quale riteneva che il mondo fosse costituito da spazio vuoto e da particelle piccolissime e indivisibili che chiamò atomi (dal greco atomos = indivisibile).
Il concetto di atomo fu ripreso più volte nella storia della filosofia, da ricordare fra i più importanti Epicuro e Lucrezio.
Secondo questi tre filosofi la materia poteva scindersi in parti compatte, indivisibili per la loro solidità od impenetrabilità; questa teoria presupponeva l’esistenza del vuoto, essenziale per il movimento degli atomi, origine di ogni fenomeno.
Il concetto di vuoto fu ripreso in seguito nel XVII e XVIII secolo da molti scienziati fra cui Galileo Galilei che cercò di dimostrare, con vari esperimenti, che il vuoto era composto da una "materia sottile", causa del peso dell’aria.
L’esistenza del vuoto era invece negata da quei filosofi antichi che sostenevano il concetto di materia omogenea, compatta ed impenetrabile, che riempirebbe tutto lo spazio (es. Parmenide).
La teoria atomica fu però abbandonata per vari secoli perché contraddiceva gli insegnamenti del grande Aristotele e per un lungo periodo, nel pensiero occidentale, l’atomismo venne considerato ateo, malvagio ed eretico.
La legge di Boyle
La prima formulazione scientifica venne con John Dalton nell’Ottocento, ma prima di Dalton altri due studiosi, Isaac Newton e Robert Boyle, avevano affermato la natura atomica degli elementi, anche se le loro affermazioni non erano supportate da alcun esperimento scientifico.
Si deve a Boyle la determinazione quantitativa dei rapporti che intercorrono in una determinata quantità di aria, tra P e V, il risultato di una serie di esperimenti condotti nel 1662.
La relazione da lui trovata risulta la seguente:
V / V0 = P0 / P
dove V0 e P0 sono rispettivamente il volume iniziale e la pressione iniziale, P è la pressione che una determinata quantità di aria assume quando occupa un volume V.
Questa legge fu importante non solo per la sua semplicità e generalità (vale infatti per ogni gas rarefatto) ma anche perché, affermando l’inversa proporzionalità tra la pressione ed il volume, veniva a confermare il modello statico di Newton di cui parleremo poi.
L’ interesse per la chimica
Non mancò infatti l’interesse di Newton per la chimica ed in particolare per i metalli, le leghe, le cause dell’affinità chimica e quindi, in definitiva, per la struttura stessa della materia.
Lo studio delle scoperte scientifiche di Newton si è fatto via via sempre più interessante da quando è stata compresa l’importanza dei suoi manoscritti relativi a lavori non pubblicati e mai esaminati.
La scienza di Newton è inserita in un complesso di problemi filosofici fondamentali. Le idee di Newton hanno dato un contributo decisivo allo sviluppo di varie scienze come l’ottica, l’astronomia, la meccanica per non parlare poi degli effetti di queste sui metodi e sui programmi di ricerca di altre discipline.
L’atteggiamento di Newton verso i fenomeni chimici è più che altro un interesse ed una tensione verso la sintesi e l’inquadramento generale: Newton era incapace di farsi distrarre dal problema particolare e infatti non si lasciò mai distrarre dagli aspetti particolari della ricerca.
Il deismo
Il suo interesse per la concezione corpuscolare segue le due varianti del tempo: l’atomismo epicureo (Galilei, Gassendi, Charleton, Boyle) e il sistema del pieno e dei vortici (Cartesio, Hobbes, More, Glanville).
Affrontando il problema della struttura della materia Newton prende in esame le seguenti quattro ipotesi:
"Se essa sia costituita da punti matematici, oppure da parti matematiche e parti, oppure una semplice entità indistinta prima della divisione, oppure da individui, ossia atomi.
Le prime tre ipotesi sono esaminate e respinte con una serie di argomentazioni di stile sillogistico. La tesi vincente, l’ultima, è direttamente attinta dagli scritti degli atomisti antichi e dai loro seguaci recenti.
Infatti scopo ultimo di Newton sarà quello di sviluppare una forma di atomismo libera da ogni influsso materialistico ed ateistico.
Nella definitiva edizione dell’ Opticks (1721) Newton terminava con trentuno Queries di vario argomento (luce, etere, ecc.) ma è nella trentunesima che dette un grande resoconto della sua filosofia della materia:
"Esse sono presenti nei corpi caldi, in tutti quelli soggetti a fermentazione, putrefazione o mutamenti dovuti a crescita, nonché agli organi di senso.
e ancora:
"Le più piccole particelle di materia si uniscono per comporre particelle maggiori legate più debolmente e formano la prima composizione; l’unione di queste costituisce la seconda composizione, e così via per diverse volte, fino a che la progressione termina con le particelle maggiori dalle quali dipendono le attività chimiche ed i colori naturali, e che unendosi formano corpi di grandezza sensibile.
Ora, in accordo con l’atomismo classico, visto che la materia è composta da queste particelle, si può avere un mutamento solo separando, associando e muovendo i costituenti ultimi della materia che sono immutabili. Proprio per l’immutabilità di questi costituenti, non identificabili con nessuna sostanza del mondo naturale, si affermava che tutti i corpi osservabili erano composti e che se le particelle della prima e seconda composizione potevano essere separate erano naturalmente trasmutabili (per esempio l'irreversibile mutamento del cibo nei corpi animali e vegetali).
E dopo molte osservazioni sperimentali assai particolareggiate, Newton affermò:
"Avendo considerato tutte queste cose, mi sembra probabile che Dio all’inizio abbia formato la materia di particelle solide, compatte, dure, impermeabili e mobili, di grandezza e figura tali, con tali altre proprietà ed in tale proporzione rispetto allo spazio, che tutte conducevano al fine per il quale le aveva formate. Queste particelle erano gli atomi: indivisibili, uniformi per materia, differenti per grandezza, forma e peso; caratterizzati, a differenza degli atomi degli antichi per la loro inerente vis inertiae, per le forze attive della gravità, della fermentazione e della coesione.
Punto più importante della teoria della materia di Newton è che si passa da una filosofia corpuscolare all’idea della natura basata su particelle e forze agenti tra esse. Tuttavia la causa di queste forze era sconosciuta, tanto che per spiegarle furono fatte varie speculazioni : "le forze fisiche sono manifestazione diretta della presenza e del potere di Dio nel mondo", il che significa che Dio è omnipresente .
Newton e Cartesio
La concezione della materia di Newton si contrapponeva alla teoria elaborata circa cinquanta anni prima da Cartesio, scienziato e filosofo francese, i cui sforzi, in direzione fisica, erano rivolti a ricavare un’interpretazione del mondo secondo il metodo deduttivo che è proprio della geometria, e che si contrapponeva al metodo induttivo della scienza moderna, che arriva a definirsi proprio con Newton. Cartesio, sostenendo l’equivalenza fra spazio fisico e spazio euclideo, era andato sostenendo su base teorica una concezione dello spazio come qualcosa di continuo e di infinitamente divisibile, così come lo spazio geometrico; anche Newton, in via teorica, affermava da un punto di vista filosofico la divisibilità all’infinito, ma riteneva che dovessero esistere dei costituenti ultimi della materia non ulteriormente divisibili dal punto di vista fisico.
Strettamente legata a questo aspetto è la polemica di Newton contro la teoria cartesiana della luce, che interpretava questo fenomeno sulla base di una vibrazione, di una pressione che si trasmetteva istantaneamente nell’etere; contro questa concezione elabora la teoria corpuscolare della luce, secondo la quale la luce sarebbe un fenomeno dovuto non al movimento di un mezzo fluido, come l’etere di Cartesio, ma all’emissione di particelle luminifere da parte dei corpi incandescenti, il cui movimento nello spazio vuoto, secondo Newton, produrrebbe il fenomeno della luce.
Un’altra questione che separa l’opera dei due scienziati riguarda proprio la questione del vuoto. Cartesio, richiamandosi ai presupposti della sua metafisica, cioè alla stretta connessione tra materia ed estensione, che fa di quest’ultima un attributo specifico della materia e quindi qualcosa che ha bisogno della materia per esistere, arrivava a negare l’esistenza del vuoto: se lo spazio è estensione, e l’estensione è materia, non è possibile pensare ad uno spazio privo di materia, perché spazio e materia sono la stessa cosa; per questo motivo è impossibile affermare l’esistenza del vuoto. Al contrario, Newton non accettava la concezione cartesiana dell’identità tra estensione e materia, e postulava l’esistenza di uno spazio assoluto, che ha una sua esistenza autonoma, indipendentemente dai corpi che lo occupano. Per questo motivo, Newton era convinto assertore di quel vuoto la cui esistenza era fermamente negata dai cartesiani, che vedevano un universo pieno, costituito unicamente di materia.
Questa differente impostazione nei riguardi della questione portava anche ad una conseguenza molto importante: negando l’esistenza del vuoto, Cartesio arrivava a negare anche l’azione a distanza, ovvero la possibilità che due corpi interagiscano tra loro senza toccarsi. Per spiegare il movimento, Cartesio formula la celebre teoria dei vortici, che spiega il moto celeste sulla base dell’azione di vortici che mettono in movimento il fluido etereo, e che prendono origine dai corpi celesti, in primo luogo dal Sole. Al contrario, Newton si schiera contro questa teoria ed arriva anche a dimostrare la sua incoerenza matematica; al posto dei vortici cartesiani, afferma la nozione di forza, e, dopo anni di studi, arriva ad esprimere in forma matematica l’attrazione gravitazionale, che si esplica nel vuoto, senza necessitare di un mezzo materiale come l’etere per Cartesio.
Nonostante la differente e antitetica natura di queste due posizioni, in entrambi i casi cera il tentativo, che si sarebbe poi rivelato corretto, di unificare fisica terrestre e fisica celeste in uno stesso quadro teorico.
Le forze intraparticellari
Nel quesito trentunesimo della sua Opticks Newton asserisce "che i corpi agiscono uno sull’altro per attrazione di gravità, di magnetismo e di elettricità e che queste forze raggiungono delle distanze veramente notevoli e così hanno potuto essere osservate dagli occhi di ognuno, ma altre ve ne possono essere che si fanno sentire a distanze così piccole da essere sfuggite finora alla osservazione ".
Questa affermazione si presta ad essere considerata come una ipotesi di esistenza di forze a corto raggio, anche se la scoperta dei campi di forza a corto raggio d’azione ( short range ), doveva essere soltanto opera della fisica nucleare del nostro secolo.
Infatti "la materia di tutte le cose è una, e si trasmuta in forme innumerevoli grazie alle operazioni della natura". Il tema dominante nel manoscritto (Conclusio) è quello che riguarda "le forze delle particelle", dalle quali, secondo Newton, dipendono tutti i fenomeni naturali, dalla propagazione del calore all’eccitazione della retina, dalle reazioni chimiche alla sensazione del gusto.
Introducendo le forze intraparticellari, che davano alle particelle una varietà di strutture capace di determinare la molteplicità della Natura, Newton spiegava la differenza di forma tra le particelle abbandonando, così, l’ipotesi indimostrata della diversità di forme delle particelle.
Newton aveva formulato due ipotesi sul problema del rapporto fra la forza e la distanza tra le particelle. La prima ipotizzava che "le forze decrescono in una ragione maggiore del quadrato delle distanze", mentre la seconda che "le forze centrifughe di alcune particelle sono inversamente proporzionali alle distanze dei loro centri".
Tra le due possibilità Newton scelse l’ultima, poiché permetteva di spiegare la legge di Boyle sui gas. Vista la verifica sperimentale e la fama di Newton, per lungo tempo si ritenne che i gas fossero costituiti di particelle in equilibrio che si respingono reciprocamente (modello statico).
Definendo l’etere come molto simile sotto ogni aspetto all’aria ma molto più sottile, Newton cerca una dimostrazione del fatto che queste ultime particelle "compongono un fluido elastico la cui densità è pari alla compressione".
Ormai l’attenzione era rivolta a queste forze sconosciute che "governavano la Natura ... ".
Discutendo circa le forze attrattive della materia, è importante ricordare il tentativo di Newton di classificare i metalli secondo l’ordine del loro potere di attrazione che ha affascinato scienziati posteriori come Geoffrey.
Il modello microscopico
La costruzione di un modello microscopico è un passo essenziale per spiegare proprietà e comportamenti macroscopici di un gas ideale.
Infatti Newton, dopo aver affrontato il problema sulla struttura della materia elabora un "modello atomico" detto modello statico. Newton (e così anche Dalton) era del parere che i corpuscoli di un gas stazionario, che non stesse fluendo, occupassero delle posizioni fisse e riempissero l’intero spazio a loro disposizione espandendosi e contraendosi rimanendo a contatto tra loro quando il volume occupato dal gas veniva aumentato o diminuito.
Nel secondo libro dei Principia, Newton mostra che se i corpuscoli si respingono tra loro con una forza inversamente proporzionale alla distanza tra i centri, la pressione del gas varierebbe in maniera inversamente proporzionale al volume, proprio come Boyle aveva dimostrato sperimentalmente:
"Se la densità di un fluido, costituito da particelle che si sfuggono fra loro, sta come la compressione, le forze centrifughe delle particelle sono inversamente proporzionali alle distanze dei loro centri. E viceversa, le particelle che si sfuggono mutuamente, con forze che sono inversamente proporzionali alle distanze dei loro centri, costituiscono un fluido elastico la cui densità è proporzionale alla compressione".
( Proposizione XXIII, Teorema XVIII )
L'accordo sperimentale con la legge di Boyle e l'autorità scientifica di Newton, fecero sì che il modello venne preso come punto di riferimento per lungo tempo anche dopo la sua morte.
Dopo Newton
Dopo il modello statico di Newton furono elaborati altri modelli, alcuni furono accettati, altri scartati, altri ripresi in seguito.
Nel 1758 lo scienziato serbo Roger Boscovich suggerì un interessante modello in cui la materia veniva considerata composta di centri di forza puntiformi indivisibili. I centri puntiformi possiedono inerzia ed interagiscono tra loro fino a distanza infinita come fanno i corpi in interazione gravitazionale. La forza tra due centri puntiformi è però repulsiva quando sono molto vicini tra loro, alterna tra attrazione e repulsione per distanze intermedie, per poi diventare diviene una forza attrattiva inversamente proporzionale al quadrato della distanza quando i corpi sono molto lontani tra loro.
Nei primi anni del XIX secolo Humphrey Davy propose una teoria dinamica qualitativa del calore in cui si suggeriva che, nei solidi, la vibrazione degli atomi o delle molecole aumentasse quando il materiale veniva scaldato, mentre nei gas gli atomi ruotassero attorno al loro asse o possedessero delle "atmosfere" in rotazione; Davy visualizzava gli atomi dei gas come vortici fluidi in rotazione, che tendono a espandersi per un effetto centrifugo quando le forze esterne che li vincolano diminuiscono in intensità.
Già nel 1738, Daniel Bernoulli aveva proposto nel suo trattato sulla dinamica dei fluidi un modello atomistico basato sul fatto di considerare i gas come composti da corpuscoli molto piccoli, che si muovono eternamente e liberamente ad alte velocità nel volume in cui sono contenuti, esercitando una pressione media costante su tutte le pareti grazie alla frequenza, estremamente alta, con cui queste vengono bombardate. Questo modello fu trascurato per circa un secolo. Uno degli ostacoli principali era la riluttanza della comunità scientifica ad accettare un modello che richiedeva un’elasticità perfetta nelle interazioni microscopiche (moto perpetuo). Clausius e Maxwell ripresero questo modello per costruire una teoria dinamica molecolare.
Sulle orme della teoria corpuscolare di Newton i posteri arrivarono a confermare l’esistenza degli atomi e di forze intraparticellari. Da ricordare John Dalton che pose le basi della nostra attuale teoria atomica, le ipotesi di Avogadro sulle molecole, lo studio del calore da parte di Joule, la teoria cinetica di Maxwell fino ad arrivare alla teoria "random walk" di Einstein che, all'inizio del nostro secolo, mise definitivamente a tacere coloro i quali ancora mostravano scetticismo di fronte all'ipotesi dell'esistenza di atomi e molecole, ossi di una struttura corpuscolare della materia.
L’atomo, tuttavia, non costituisce la particella ultima della materia, bensì si ritiene che esso sia composto da un nucleo massiccio centrale e da una nuvola di elettroni, aventi carica elettrica di segno opposto, che orbitano attorno al nucleo (Rutherford, 1911 -13).
Il nucleo, a sua volta, sarebbe composto da protoni e neutroni, particelle aventi carica elettrica positiva, e neutroni, particelle prive di carica elettrica, che consentono di classificare i vari tipi di isotopi dell’atomo della materia considerata (a partire dagli anni 30 nasce la fisica nucleare).
Recenti studi, seppur dovendo scontrarsi coi limiti imposti dalle tecnologie attuali, hanno dimostrato che anche i nucleoni non costituiscono le particelle fondamentali della materia, ma, a loro volta, risultano costituite da sub-particelle denominate "quarks". Recentemente è stato individuato sperimentalmente anche l'ultimo tipo di quark che ancora sfuggiva ai fisici delle particelle, completando un quadro di verifica della teoria dei quarks, sviluppata a partire dagli anni 50 dal fisico M.Gell-Mann. Attualmente, il modello a quark è ritenuto corretto e accettato dalla comunità scientifica internazionale, anche se molti sono i problemi che rimangono ancora irrisolti in merito alla struttura ultima della materia, problema strettamente connesso con le teorie di grande unificazione per le interazioni fondamentali.
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