Prima lezione di fisica
Carlo Bernardini
“Capire la fisica non vuol dire
conoscere i problemi in ogni
settore della fisica. Vuol dire,
piuttosto, capire che è possibile
usare forme razionali di
pensiero per risolvere problemi
sempre più generali della
conoscenza del mondo.”
Da dove si comincia?
La ripetibilità degli eventi è il primo
concetto unificante della fenomenologia
della realtà naturale.
 La genialità razionale di pochi sta nella
capacità di identificare significati universali
nella ripetibilità di certe circostanze.
Questo deriva in genere dalla osservazione
di fenomeni comuni e dalla loro
registrazione mnemonica.

Bisogna saper riconoscere l’indipendenza
del fenomeno osservato dalle condizioni
iniziali: un sistema fisico isolato è un ben
identificabile oggetto dell’attenzione.
 Comprendere l’indipendenza dell’evento
dalle condizioni iniziali consente di
semplificare la ricerca dei rapporti di
causa-effetto.
 Tra queste condizioni iniziali, spazio e
tempo, pur parte del vissuto di ciascuno,
non sono facilmente percepibili e definibili.

La generalizzabilità

Spiegazioni
Scientifiche
Mitologiche
(“perché Dio lo
ha creato”)
Parziali, cariche
di dubbi,
provvisorie
Complete ed
esaustive
Generalizzabili
Bisogne partire
dall’osservazione
dei fenomeni e,
attraverso l’intuito,
passare da una
osservazione
passiva ad una
attiva, arrivando a
formulare delle
leggi che
generalizzano i
fenomeni
particolari.
Principi semantici nel linguaggio della fisica

Il linguaggio di base della
fisica è quello matematico.
La divulgazione
scientifica assume una
grande rilevanza, in
quanto ha il compito di
“tradurre” il linguaggio
di elaborazione in
linguaggio di
comunicazione, più
ampiamente accettato
e compreso.

Mentalese
Linguaggio neonatale non proposizionale,
che elabora informazioni sulla base della
realtà percepita
Linguaggio di
Comunicazione
proposizionale
Linguaggio di
Elaborazione
Elabora le informazioni
per conseguire risultati
non contenuti nelle
informazioni di partenza
Discipline
umanistiche
Discipline
scientifiche
Come cade ciò che cade
La spiegazione della caduta dei gravi è
dovuta a Galilei, il quale, nonostante le
difficoltà tecniche e concettuali, arriva a
descrivere il fenomeno nel modo più
semplice possibile, con una legge che è un
trionfo per il linguaggio razionale.
 Con Galilei e Newton nasce la prima
grande teoria fenomenologica della storia
umana: la dinamica, detta anche
meccanica classica.

Semplificare per capire

In fenomenologia, semplificare è il passo
più importante.

In meccanica classica, un esempio di
semplificazione è assimilare corpi diversi a
punti materiali.

Corpi più estesi possono essere a loro
volta considerabili agglomerati di punti
materiali.
Stato dell’arte prima di Galilei e Newton



Galilei e Newton rappresentano due svolte
nell’evoluzione della fisica. Ciò che era stato già
osservato dai pensatori precedenti viene rivisto in
ottiche diverse:
Galilei intuisce il carattere relativo della velocità e
che effetto di una forza esterna è l’accelerazione.
Newton, rispetto agli astronomi precedenti,
utilizza i dati raccolti e la constatazione della
periodicità degli astri per formulare le teorie della
dinamica newtoniana.
Non è tutto oro…

I limiti delle teorie conosciute in un dato momento storico non
sono sempre stati presi in considerazione. Aspettarsi
l’esistenza di un punto di arrivo ultimo e di una “teoria finale”
era comune tra i fisici prima della svolta della relatività, della
meccanica quantistica e dell’indeterminismo.
Determinismo:
conoscendo velocità e
posizione in un istante
di ogni punto
materiale, si può
predire il futuro
dell’intero universo.
Indeterminismo:
per tali calcoli sarebbe
necessaria un’accuratezza
infinita. Le teorie hanno
necessariamente margini di
incertezza e carattere
probabilistico.
La fisica si avvale delle conoscenze scientifiche per creare tecnologie utili.
Dibattito
Scientisti
Ambientalisti
I vantaggi derivanti sono superiori ai
danni procurati, la scienza sarà in
grado di porre rimedio a questi ultimi
L’introduzione di tecnologie causa
mutazioni irreversibili nel delicato
equilibrio d’un sistema che si adatta ad
esse a danno degli organismi viventi
“Su questi problemi si sta solo verificando l’incapacità umana di dialogare
razionalmente introducendo valutazioni corrette del rapporto rischibenefici: la retorica non ha fatto grandi passi come la scienza e tuttora è
principalmente impiegata per adescare le popolazioni per suggestione”.
Arnesi del mestiere
Unità di
misura
Costanti
fondamentali
Strumenti
La fisica, in quanto scienza
sperimentale, necessita di strumenti.
Un fisico dovrà sapere come
funzionano gli strumenti di cui si
avvale, ma anche quali sono i loro
limiti.
I dati raccolti sono, infatti, soggetti ad
errori (sistematici e statistici). Sarà
quindi necessario accettare un valore
attendibile più che un valore vero.
“In fisica ogni affermazione non è in
genere vera, ma solo più o meno
plausibile. La parola “verità” è sempre
un’astrazione molto lontana dalla
realtà naturale.”
Aneddoto di Einstein

Non appena lesse la domanda (di Edison)
“Qual è la velocità del suono?”, disse:
“Non lo so, non mi imbottisco la memoria
con questi fatti che posso facilmente
trovare in ogni libro di testo. […] Il valore
di una educazione in una scuola di arti
liberali non consiste nell’apprendere molti
fatti, ma nell’addestrare la mente a
pensare qualche cosa che non si può
apprendere dai libri di testo.”
Da dove veniamo? Dove andiamo?
Chi siamo? Siamo fisici.
Dove andiamo? Buone intenzioni.
 Da dove veniamo?





La storia della fisica è una disciplina poco affrontata, in quanto
richiede più competenze. Eppure, essa meriterebbe maggiore
attenzione.
Uno dei problemi, in questo campo, è l’evoluzione del linguaggio e
lo sviluppo delle notazioni, mediante le quali sono scritte le formule
che rappresentano fenomeni reali.
La storia della fisica è permeata di semplificazioni, che permettono
di ricavare proprietà generali da alcune proprietà particolari
formalizzabili.
Le notazioni consentono di esprimere proprietà essenziali di una
stringa. Per esempio, la notazione 3n è equivalente alla stringa
infinita 1, 3, 6, 9…
Tornare con i piedi sulla terra
Fino a Galilei, lo spazio e il tempo erano
considerati parametri assoluti,
indipendenti dal fenomeno e
dall’osservatore.
 Con la relatività galileiana, la velocità
diventa un concetto relativo: essa è
precisabile solo rispetto a un riferimento
scelto dall’osservatore.

Quanto è vuoto lo spazio?

“Cosa sono la luce e il suono?” è una domanda affrontata fin
dall'antichità, quando si credeva che ciò che può essere percepito fosse
necessariamente materiale. Fu abbastanza semplice capire che il suono si
origina da vibrazioni, ma per la luce era meno intuibile cosa fosse a
“vibrare”.

La svolta si ebbe nel '700, con i primi studi sull’elettricità e il magnetismo,
poi nel secolo successivo con la prima grande unificazione,
l'elettromagnetismo di Maxwell: onde e segnali elettromagnetici
improvvisamente invadono e riempiono lo spazio; la materia non è più sola
nell'universo, affiancata da stimoli immateriali ma percepibili.
Questa nuova realtà può essere rappresentata solo matematicamente: la
scienza diventa comprensibile ai soli specialisti, e “per l'uomo della strada
incomincia il dramma dell'emarginazione dall'esperienza scientifica”.
Chi è in grado di seguire tali sviluppi rivoluzionari è guidato da una visione
della realtà non comune a tutti gli uomini, ma anche da una trascinante
passione.
Storie di fisici: George green

George Green (1793-1841) fu uno di questi:
era un mugnaio che nel tempo libero coltivava
la passione per la matematica e che arrivò a
sviluppare il “propagatore”.
Si tratta di uno strumento matematico con il quale si
rappresenta la vicenda di un'onda generata da una
sorgente localizzata nello spazio e nel tempo.
Storie di fisici: Emmy Noether
• Qualche decennio più tardi emerse un'altra
straordinaria personalità, quella di Amalia
“Emmy” Noether (1882-1935). Come per tutte le
donne intellettuali dell'epoca, non le fu facile
inserirsi negli ambienti accademici.

Il Teorema di Noether del 1918 segnò profondamente il modo di fare
fisica, ma “Emmy Noether, umiliata e tenuta ai margini
dell'insegnamento universitario dai pregiudizi maschilisti dominanti,
licenziata nel 1933 per motivi razziali dall'incarico che non era
nemmeno retribuito, finirà i suoi giorni insegnando nel collegio
universitario femminile di Bryn Mawr, in quegli ospitali Stati Uniti che
erano in procinto di divenire il centro della scienza mondiale a causa
della follia antisemita nazifascista di quegli anni”.
L’oscillatore armonico
“L’oscillatore armonico è una sorta di
strumento universale nell’officina delle
interpretazioni scientifiche”.
 La fisica non potrebbe farne a meno: gli
oscillatori armonici, infatti, aiutano a fare
congetture circa i sistemi reali e il loro
campo di applicazione è immenso.

Il linguaggio delle congetture

L’interpretazione dei dati
dell’esperienza conduce ad
una modalità di analisi che
si chiama
“fenomenologia”: i dati
sono rielaborati in forma
diagrammatica, in modo
da evidenziare le relazioni
presenti (dipendenze
funzionali).
Fenomenologia
Elaborazione dati
Intuizione
Esperienza
Alla base di tale processo c’è un’intuizione, una rappresentazione
mentale che riproduce ciò che osserviamo, ripulito dagli elementi
ridondanti.
Le intuizioni sono fuori dal senso comune, non trasferibili
immediatamente in linguaggio: si rende necessario l’utilizzo del
linguaggio matematico.
Intermezzo e digressioni
Il fatto di conoscere la
caduta dei gravi, ma non
l’accelerazione centrifuga,
porta Newton a teorizzare
l’entrata in orbita di un corpo
in base alle traiettorie della
caduta dei corpi: le orbite
sono quindi naturali sviluppi
delle traiettorie stesse.
Spiegazioni non obbligatorie
“L’idea che non tutto ciò che si osserva abbia necessariamente una
spiegazione razionale sembra dura da digerire: forse è una tendenza
innata dell’uomo quella di darsi ragione di tutto ciò che vede e
persino di ipotizzare come può essere fatto ciò che non vede. Ora,
qualcosa sfugge al suo “perché?” e bisogna saperne prendere atto!”
Nonostante la curiosità sia alla base delle grandi intuizioni, è
necessario controllarla, per non lasciarsi trasportare in
speculazioni indimostrabili.
Così, ad esempio, potrebbe essere interessante analizzare i
paradossi in cui si incapperebbe se esistessero i tachioni
(particelle superluminali, che viaggiano a velocità superiore di
quella della luce). Tuttavia, il fatto interessante resta, secondo
Carlo Bernardini, che in nessun esperimento compiuto sinora se
ne sono visti mai.
Ragionevoli limiti e invasioni di campo



Tra i problemi attualmente non risolti, rientrano
quelli della materia oscura (dark matter),
dell’antimateria e delle onde gravitazionali.
Problemi tali coinvolgono discipline diverse dalla
fisica: nascono così materie ibride, come
l’astrofisica e la geofisica.
La fisica sembra discretamente flessibile e con le
“invasioni di campo” cerca di aiutare a capire se
si può determinare una molecola con proprietà
prefissate, se si può individuare qual è un
processo che trasforma materia organica in
materia vivente e così via.
Materia oscura


Il termine Materia oscura indica quella componente di
materia che manifesta i suoi effetti gravitazionali in
molteplici fenomeni astronomici, ma le cui condizioni o la
cui natura sono diverse rispetto alla materia visibile.
Nonostante dettagliate mappe dell'Universo vicino che
coprono lo spettro dalle onde radio ai raggi gamma, siamo
in grado di individuare solo il 10% della massa che deve
esistere là fuori. Come disse nel 2001 al New York Times
Bruce H. Margon, astronomo all'Università di Washington:
"È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere
che non riusciamo a trovare il 90 per cento [della materia]
dell'Universo." Le più recenti misure indicano infatti che la
materia oscura costituisce circa il 30% del contenuto totale
di energia dell'Universo, e circa il 90% della massa.
Mappa tridimensionale della materia oscura.Fonte: NASA,
ESA e R. Massey (California Institute of Technology)

Essa venne inizialmente indicata
come massa mancante, ed in effetti
i termini "oscura" e "mancante"
riassumono abbastanza bene tutto
ciò che ne sappiamo al momento.
Sappiamo che c'è materia, perché
possiamo vedere gli effetti
gravitazionali della sua massa.
Tuttavia, questa materia non
emette alcuna radiazione
elettromagnetica, e risulta quindi
non individuabile dagli strumenti di
analisi spettroscopica, da cui
l'aggettivo oscura. Il termine
massa mancante può essere
fuorviante, dato che non è la
massa a mancare, ma solo la sua
luce.
Antimateria

L'antimateria è la materia composta dalle antiparticelle
corrispondenti alle particelle che costituiscono la materia
ordinaria. Ad esempio, un atomo di antidrogeno, è composto da
un antiprotone caricato negativamente, attorno al quale orbita un
positrone (antielettrone) caricato positivamente. Se una coppia
particella/antiparticella viene a contatto, le due si annichiliscono
emettendo radiazione elettromagnetica. Inoltre, l'antimateria ha
vita breve e non può essere immagazzinata, in quanto si
annichilisce al primo contatto con la materia. In base alle attuali
conoscenze, non esistono quantità significative di antimateria in
tutto l'universo. L'assenza di antimateria è uno dei grandi misteri
della teoria del Big Bang, in quanto ci si aspetterebbe una
produzione di materia e antimateria in proporzioni uguali (e una
conseguente annichilazione). Probabilmente, un leggero squilibrio
in favore della materia ha fatto sì che quest'ultima non venisse
completamente annichilita, rendendo possibile la formazione di un
universo stabile, che è quello in cui viviamo.
Onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono onde dovute alla presenza di
un campo gravitazionale. La loro esistenza è prevista a
livello teorico dalla relatività generale di Einstein. Fin dagli
anni Cinquanta sono stati effettuati vari esperimenti allo
scopo di rilevare le onde gravitazionali. Si conoscono molte
possibili sorgenti di onde gravitazionali, tra le quali sistemi
binari di stelle, pulsar, esplosioni di supernovae, buchi neri
in vibrazione e galassie in formazione; per ognuna di
queste fonti il tipo di segnale emesso dovrebbe possedere
un “timbro” caratteristico che individui univocamente il tipo
di fonte e la causa dell’emissione.Un sistema stellare
binario, formato cioè da due stelle che orbitano intorno ad
un comune centro di massa, sembra perdere energia
spiralizzando esattamente alla velocità prevista da una
emissione di onde gravitazionali, e questo, sebbene alcuni
non ci credano più, è stato preso come prova indiretta della
loro esistenza.
La curiosità e l’utile
Ricercatori e tecnologi: due differenti
impostazioni di una sola cultura
 A volte si ha una certa propensione a
preferire l’utile delle tecnologie al
“dilettevole” della ricerca.
 I tecnologi sono spesso preferiti anche dai
governi, che arruolano fisici per sviluppare
tecnologie di interesse militare.

CULTURA
SCIENTIFICA
Ricercatori
• Curiosità
• Risultati utili
in tempi lunghi
Tecnologi
• Necessità di
interazione tra i
due gruppi
• Libertà di muoversi
nel campo congeniale
a ciascuno dei due
• Utile
• Risultati utili in
tempi brevi
Una società in cui prevalgono punti di vista di manager e imprenditori
può facilmente lasciarsi tentare dal desiderio di favorire i tecnologi a
scapito dei ricercatori, ma se la ricerca non è considerata come un
investimento per il futuro non ci saranno nemmeno le tecnologie.
Scomode verità

Sorgono, tuttavia, ingombranti conseguenze:
infatti è possibile che i governi arruolino fisici per
sviluppare tecnologie di interesse militare. Tutto
ciò ha reso necessario un controllo delle
responsabilità degli scienziati che lavorano in
ambito militare. A tal proposito, nel 1982, in
Italia venne fondata la Uspid (Unione Scienziati
Per Il Disarmo)
I fisici e gli altri
I fisici appartengono alla categoria degli
intellettuali; tuttavia, gli intellettuali non
fisici auspicano conoscenze pure e
inapplicabili.
 Questo per via di una incapacità etica, dal
momento che nessuno si preoccupa di
inserire nell’educazione iniziale degli
individui motivazioni razionali forti per il
comportamento altruista.

Ottimi rapporti con:
Matematici
Biologi e
geologi
Chimici
Rapporti non positivi con:
Astrologi
e maghi
Ecologisti
Clero
A proposito dei rapporti con il clero, Bernardini afferma:
“Il motivo di constrasto con questo sta nel fatto che la promozione di
convinzioni indimostrabili è ripugnante dal punto di vista del pensiero
razionale, che si identifica, perciò, con la stessa idea di laicità.”
Parole chiave
Costanti
 Costanti universali
 Invariante e invarianza
 Microscopico e macroscopico
 Periodico
 Esponenziale, asintoto, asintotico.

Esortazioni conclusive



Inglese scientifico
Internet
Riviste specialistiche
rivestono un ruolo importante per la documentazione e
l’apprendimento.
“Tra le esortazioni conclusive, vorrei inserirne una assai
difficile da realizzare: provare a spiegare ciò che si impara
a chi non ha motivo di impararlo. Una mia studentessa di
prim’anno, quando insegnavo Fisica Generale a Napoli
tanti anni fa, mi disse che rientrando a casa “raccontava”
la lezione ai familiari a tavola, con grande interesse ed
entusiasmo del nonno. Mi sembrò una cosa straordinaria.
Chi può, ci provi.”
Alla ricerca del filo conduttore…
Sebbene, nei vari capitoli, Bernardini affronti
i temi più vari e disparati è, comunque,
possibile individuare all’interno dell’opera
un filo conduttore, o forse due…
I compiti della fisica




Smontare efficacemente le fantasie popolari,
derivanti dall’uso improprio di dati che si affianca
all’uso scientifico (astrologia).
Compiere degli “scatti”, dando una spiegazione a
un qualcosa che, in una situazione precedente,
non era compreso.
Cercare il dialogo con l’altra cultura, quella
umanistica, perché l’eventuale costruzione e
sviluppo di concezioni eticamente accettabili
passa anche attraverso l’accettazione della
scienza.
Sviluppare nuove tecnologie, che permettano di
prolungare e migliorare la vita dell’uomo.
L’importanza dell’immaginazione

“Per capire la fisica bisogna essere disposti ad
allontanarsi dal senso comune per navigare in
qualche oceano dell’astrazione.” (cap 9)

“Gli esercizi mentali aiutano la nostra disponibilità
a pensare al di là delle percezioni comuni: la
fisica ne ha bisogno.” (cap 10)

“[…] Giocano un ruolo fondamentale qualità come
l’intuito, l’immaginazione, la curiosità […]. Certo,
a prima vista, possono apparire doti dell’artista,
ma è sbagliato pensare che più importante di
tutte sia l’unica qualità che non ho menzionato
nell’elenco precedente: la razionalità.” (cap 14)
Domande
Paradosso di De Sitter
 Teorema di Noether
 Green
 Oscillatore armonico

A cura di…
Martina Battista
 Silvia Carnevale
 Gaia Giovannitti
 Rossella Infante

Nella speranza di non avervi annoiati,
grazie per l’attenzione!