La meccanica ci consente di predire esattamente il futuro della traiettoria di un corpo in movimento, nonché di dischiuderne il passato, semprechè la posizione attuale del corpo stesso e le forze che agiscono su di esso siano note. Così, ad esempio, possono prevedersi le traiettorie future di tutti i pianeti. In questo caso le forze agenti sono le forze gravitazionali di Newton, dipendenti unicamente dalle distanze. Gli incontestabili successi della meccanica classica suggeriscono che l’interpretazione meccanicistica può coerentemente estendersi ad ogni ramo della fisica e che tutti i fenomeni possono spiegarsi con le azioni di forze, consistenti in attrazioni o repulsioni, dipendenti unicamente dalla distanza ed agenti su particelle immutabili.
Con la teoria cinetica della materia, vediamo come tale interpretazione, derivante da problemi di ordine meccanico, si estenda ai fenomeni calorifici e conduca ad una rappresentazione della struttura della materia che ha registrato notevoli successi.
Nelle antiche teorie dei fluidi elettrici, come anche nelle teorie, sia corpuscolare che ondulatoria della luce, assistiamo ad ulteriori tentativi per l’applicazione del criterio meccanicistico. Tuttavia nell’ambito dei fenomeni elettrici ed ottici, tale applicazione incontra gravi difficoltà.
Una carica elettrica in movimento agisce sopra un ago magnetico. Ma la forza, invece di dipendere unicamente dalla distanza, dipende altresì dalla velocità della carica. Inoltre la forza non esercita né attrazione né repulsione, ma agisce perpendicolarmente alla linea congiungente l’ago e la carica.
Nel dominio dell’ottica dobbiamo decidere a favore della teoria ondulatoria e contro la teoria corpuscolare della luce. La rappresentazione di onde che propagano in un mezzo composto di particelle, fra le quali agiscono delle forze, risponde ad un criterio prettamente meccanicistico. Ma qual è il mezzo attraverso il quale si propaga la luce e quali sono le sue proprietà meccaniche? Fintantoché questo quesito non riceva risposta, è vano sperare di poter ridurre i fenomeni ottici a fenomeni meccanici. Ma le difficoltà sollevate da questo problema sono così gravi, che dobbiamo rinunciare a risolverlo, il che conduce fatalmente a rinunciare altresì ad una interpretazione generale di ordine meccanico.
Un nuovo concetto – l’invenzione più importante dal tempo di Newton in poi – si introduce nella fisica e cioè il concetto di campo. Occorreva una potente immaginazione scientifica per discernere che nella descrizione dei fenomeni elettrici non sono né le cariche né le particelle che costituiscono l’essenziale, bensì lo spazio interposto fra cariche e particelle.
Il concetto di campo si dimostra fertilissimo e conduce alla formulazione delle equazioni di Maxwell, descriventi la struttura del campo elettromagnetico e governanti non soltanto i fenomeni elettrici, ma anche quelli ottici.
La teoria della relatività scaturisce dai problemi del campo. Le contraddizioni e le incoerenze delle antiche teorie ci costringono ad attribuire nuove proprietà al continuo spazio – temporale, teatro di tutti gli avvenimenti del nostro mondo fisico.
La teoria della relatività prende corpo in due tempi. Il primo di questi conduce alla cosiddetta teoria della relatività speciale che si applica soltanto a sistemi di coordinate inerziali, a sistemi cioè per i quali le leggi d’inerzia, formulate da Newton, sono valide. La teoria della relatività speciale si basa su due presupposti fondamentali e cioè: le leggi fisiche sono le stesse per tutti i sistemi di coordinate i cui moti relativi sono uniformi; la velocità della luce conserva sempre lo stesso valore. Partendo da queste supposizioni, confermate sperimentalmente oltre ogni dubbio, si deducono le proprietà dei regoli di misura e degli orologi in movimento, nonché le modificazioni in lunghezza e rispettivamente in ritmo che essi subiscono con il variare della velocità. La teoria della relatività modifica le leggi della meccanica. Le antiche leggi non sono più valevoli allorquando la velocità di una particella in moto si avvicina a quella della luce. Le nuove leggi per un corpo in movimento, formulate dalla teoria della relatività, sono pienamente confermate dall’esperimento. Una conseguenza ulteriore della teoria della relatività speciale è la rivelazione dell’intimo legame fra massa ed energia. La massa è energia e l’energia possiede massa. Le due leggi della conservazione della massa e dell’energia vengono fuse dalla teoria della relatività in una sola: la legge di conservazione della massa – energia.
La teoria della relatività generale fornisce un’analisi ancora più profonda del continuo spazio – temporale. La validità della teoria non si limita più ai soli sistemi di coordinate inerziali. La teoria abborda il problema della gravitazione e formula nuove leggi strutturali del campo gravitazionale. Essa conduce ad analizzare la parte spettante alla geometria nella descrizione del mondo fisico. Essa considera l’eguaglianza della massa inerte e della massa pesante, quale fatto essenziale e non meramente accidentale, come fa la meccanica classica. Esse trovano conferma sperimentale, ogni qualvolta un confronto è possibile. Ma la saldezza della teoria risiede anzitutto nella sua intrinseca coerenza e nella semplicità delle sue supposizioni fondamentali.
La teoria della relatività accentua l’importanza che nel dominio della fisica spetta al concetto di campo. Finora però non siamo riusciti a formulare una fisica basata sul puro campo. Per il momento dobbiamo ancora ammettere la coesistenza del binomio campo e materia.
La grande varietà di fatti nel dominio dei fenomeni atomici, ci obbliga ad escogitare ancora nuovi concetti fisici. La materia possiede struttura granulare; si compone di particelle elementari: i quanti elementari di materia. Pertanto la carica elettrica possiede una struttura granulare e – ciò che più conta dal punto di vista della teoria quantistica – così pure l’energia. I fotoni sono i quanti di energia di cui si compone la luce.
La luce è un’onda o un getto di fotoni? Un fascio di elettroni è un getto di particelle elementari o un’onda? Questi quesiti basilari sono imposti alla fisica dai risultati sperimentali. Al tentare di rispondervi, dobbiamo rinunciare alla descrizione dei fatti atomici mediante raffigurazioni nello spazio e nel tempo; dobbiamo cioè allontanarci ancora di più dall’antica interpretazione meccanicistica. La fisica dei quanti formula leggi che governano non già gli individui, ma le moltitudini. Non sono più le proprietà, ma le probabilità che fanno oggetto della descrizione. Le leggi formulate non ci dischiudono più il futuro dei sistemi presi in esame. Sono leggi che governano le variazioni delle probabilità, nel tempo; leggi relative a grandi aggregati di individui.
Einstein – Infeld, L’evoluzione della fisica
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