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lunedì 10 marzo 2014

Isaac Newton – Un grande scienziato.

AAR – Prima di affrontare un nuovo capitolo del grande libro, penso sia opportuno chiarire due dei mille dubbi che un argomento complesso come la Fisica moderna scatena nella nostra mente. Il primo riguarda l’impressione che possano affondare nei buchi neri tutte le stelle dell'universo; il secondo riguarda l’esattezza della “legge di gravità” ...ma allora Newton ha sbagliato?

SAR – Al primo dubbio è solo possibile dare una serafica risposta: dobbiamo
abituarci a vedere i buchi neri come normali oggetti astronomici con delle proprietà estreme in termini di densità o di deformazione dello spaziotempo. Sicuramente per capire di più dobbiamo prima parlare, spero non a sproposito, di un argomento molto complesso: lo spaziotempo.  

Riguardo Newton mi sento di dire che per me Newton resta il più grande di tutti gli scienziati, anche se questo tipo di classifiche non mi piacciono. Detto questo mi sembra giusto chiarire che in certe condizioni l’idea che una teoria sia sbagliata non è una offesa allo scienziato o una bufala. E' il cuore della scienza. Lo abbiamo detto. Ogni teoria è provvisoria. Viene superata da altre che meglio descrivono alcuni  particolari in più o nuovi fenomeni. Per spiegarmi meglio vorrei citare Newton a mio modo.
AAR  - Grazie per i chiarimenti, mi hai tolto un peso. Dire che le leggi di Newton sono sbagliate mi sembrava una storia tipo, "non è vero che siamo stati sulla Luna" o altre stupidaggini di questo tipo
SAR -  Una premessa dovuta. Citerò Newton sulla base delle mie conoscenze personali basate su ahimè tante letture. Parlerò di Newton scienziato e grande pensatore  e non di Newton alchimista o valente e spietato direttore della Zecca d'Inghilterra.  

A mio parere Newton ha avviato ben quattro grandi linee di pensiero. Cominciamo dalle prime due. Newton, poco più che ventenne, pone le basi dei primi 2 temi fondanti della Fisica Moderna e cioè:
1.     La Meccanica Classica.
2.     La Legge di Gravitazione universale, ovvero la Meccanica Celeste
AAR – Proviamo a tentare di comprendere un po meglio questi temi.
SAR – Parliamo allora di Meccanica Classica. La famosa formula F=m a ne è la sintesi. F sta per la forza che agisce su un corpo, m è la massa dello stesso ed a è l’accelerazione. Solo dopo 250 anni  per spiegare i fenomeni atomici verrà formulata la Meccanica Quantistica. Sarà uno dei temi più affascinati e intriganti di cui parleremo molto più avanti. Una promessa.

Newton essendo un grande cerca di motivare con ragionamenti e esperienze tutto quanto. Nel suo Libro, i Principia, per definire l'accelerazione deve definire la velocità, per definire la velocità deve definire spazio e tempo. Lo fa in modo mirabile e minuzioso. A tal punto che deve inventare o riscoprire il Calcolo Infinitesimale. Questo argomento è uno dei quattro che ho rinviato al prossimo pianerottolo.
AAR – e a quali altre conclusioni arriva Newton?
SAR - Le sue conclusioni sono eclatanti, almeno dal punto di vista dei fondamenti della fisica e del pensiero. Newton afferma che esiste uno Spazio Assoluto. Esiste un Tempo Assoluto. In questo spazio e in questo tempo si svolgono i fenomeni fisici e quindi anche quelli astronomici.
AAR – E queste conclusioni per chi valgono?
SAR - La meccanica si applica a tutto e a tutti. Anche alla luna, alle stelle, ai pianeti. Un’altra grandissima affermazione! Ovviamente Newton non fa affermazioni a cuor leggero: motiva, calcola, dimostra e comunica. Per rendere più comprensibili le sue affermazioni usa quasi sempre usa metodi geometrici che all'epoca erano più comprensibili rispetto all'appena nato calcolo infinitesimale.
AAR – Non mi è ben chiaro cosa rappresenta la a nella formula F=m.a
SAR a è la accelerazione cioè come varia la velocità, ma per poterla usare correttamente nella sua formula Newton ha avuto bisogno proprio di definire spazio e tempo assoluto.
AAR – Questo suo approccio era condiviso dagli altri scienziati?
SAR – No. Cartesio ad esempio era contrario a questo approccio. Anche qui ci vorranno 250 anni per rimettere in discussione questi concetti. Einstein con la prima stesura della Relatività cosiddetta ristretta demolirà il concetto di tempo assoluto e con la stesura della Relatività Generale demolirà il concetto di spazio assoluto. Roba da Filosofi? No. Roba da fisici e da fisica sperimentale. Non lasciatevi confondere da questi concetti pensate che per fare un passo avanti rispetto a Newton ci sono voluti 250 anni e geni della portata di Einstein.
AAR – A questo punto forse è meglio chiarire anche come definisce m, la massa.
SAR - Newton cerca di definirla come contenuto di un corpo, espressione della sua densità, come resistenza, inerzia a essere messa in moto. Per meglio spiegare Newton parla di quantità di moto di un corpo come prodotto della massa per la velocità. Poi definisce la Forza F come qualcosa che imprime il moto e quindi la variazione nel tempo della velocità per la massa.

Su questa base F= m a è insieme la definizione di forza e la legge che la legga a massa e accelerazione.    
Potrebbe essere utile leggere la pagina dei PRINCIPIA dove Newton enuncia le sue leggi

AAR – Passiamo ora al secondo tema: La Legge di Gravitazione universale, ovvero la Meccanica Celeste.
SAR - Si tratta della legge dell'inverso del quadrato delle distanze. Come detto Newton non scrive la formula, la recita. Ma noi la scriviamo.
Con la sua prima legge Newton ha trovato la Forza che può inserire a sinistra della sua legge della meccanica per calcolare come si muovono le mele, la Luna, i Pianeti ….
AAR – E sicuramente dà anche una dimostrazione di questa legge.
SAR- Certamente ed ancora una volta con metodi geometrici. Anche qui 250 anni di conferme  spettacolari e qualche piccolissimo neo dovuto alla sottigliezza osservativa degli astronomi. Ed i più grandi fisici matematici sviluppano metodi per calcoli astronomici precisissimi capaci di prevedere l'esistenza dei pianeti più esterni e indicare dove puntare il telescopio per vederli. 
AAR – C’è qualche considerazione da aggiungere per ben comprendere la legge che Newton ha appena enunciato?
SAR -  Newton deve fare una assunzione forte enunciando la sua legge. La fa a malincuore anche contro il parere di tanti illustri scienziati come per es. Leibniz. La sua legge non contiene il tempo in forma esplicita. Ovvero la forza tra due pianeti, due stelle è istantanea. E' una azione a distanza. Non c'è contatto o contiguità tra i due corpi (esempio Terra Luna). Newton era consapevole. Ma la sua legge funzionava benissimo.
AAR – Quali sono le prime conseguenze della legge di Newton?
SAR - In un sol colpo il Sistema Solare poteva essere studiato dettagliatamente dal punto di vista del moto. Ancora oggi con la legge di gravitazione di Newton lanciamo i satelliti e spediamo le sonde ai confini del sistema solare. Ma non potremmo utilizzare il GPS. Si quello delle macchine  o degli aerei. La legge di Newton non è abbastanza precisa per guidarci. Proprio a causa di quel neo. E' istantanea. Ma niente può essere istantaneo. Un principio, assioma su cui dovremo ritornare. Ricordate  che abbiamo sempre in sospeso la velocità della luce e il nostro rilegatore di Londra.
AAR – E come continua questa affascinate storia della scienza?
SAR- Einstein con uno sforzo intellettuale al limite della resistenza fisica, dal 1905 al 1916, praticamente da solo mette a punto la Relatività Generale, che da solo risolve il problema dello spazio assoluto, del tempo assoluto e della fantomatica azione a distanza della Legge di Gravitazione di Newton. Le equazioni sono complesse. Molto complesse. Ovviamente equazioni differenziali, ovvero equazioni che si basano sul calcolo infinitesimale di Newton e Leinbiz. Tempo e Spazio si intrecciano nelle equazioni e nelle soluzioni.  Ne parleremo molto più avanti. In fondo siamo solo al ‘600. Al momento non possiamo capire come e perché. Saremo costretti a capire cosa sono per Einstein spazio  e tempo. Ovviamente sempre in modo provvisorio. 
AAR – E quel piccolo errore nella formula di Newton qualcuno lo ha calcolato?
SAR - Einstein, anche se in un modo matematicamente imbarazzante, trova il piccolissimo neo della legge di Newton. Per i più curiosi dirò che gli astronomi avevano misurato che il perielio di Mercurio si spostava di 5599,74 secondi d'arco per secolo con un errore al massimo di 43 secondi d'arco per secoli. I più grandi matematici, applicando la teoria di Newton e facendo  calcoli straordinariamente complessi e belli, trovavano un valore di inferiore di appena 42,98 secondi d'arco per secolo. Si noti secolo! Ebbene era il valore aggiuntivo previsto dalla Relatività Generale. Era una delle conferme che la Relatività affinava le leggi di Newton. Nello spirito della evoluzione della scienza.
AAR E quale è la tua riflessione finale su questo straordinario cammino della scienza?
SAR   Vorrei ribadire che i problemi concettuali che stiamo toccando sono  molto importanti per la vita di tutti i giorni e non solo per la fisica. Abbiamo fatto l’esempio del GPS proprio per questo. Ma ne vedremo tanti altri. Tanti!