Finalmente entriamo nel vivo della Fisica, ricapitolando quello che è il suo campo di indagine.
Come abbiamo già detto, la Fisica studia gli aspetti osservabili e MISURABILI della natura, di cui dà con linguaggio matematico una descrizione quantitativa, espressa cioè in leggi che interpretano i fatti osservati e in teorie predittive.
In pratica, l’indagine fisica della natura si basa sulla sperimentazione e sulla misura delle grandezze fisiche, ovvero di tutto ciò che nei vari fenomeni può essere determinato quantitativamente.
Naturalmente la scienza non è un’arida raccolta di numeri e dati su eventi e dati osservabili della natura. Infatti la mente umana è costantemente stimolata dall’osservazione di ciò che ci circonda e alla continua ricerca di spiegazioni su quanto accade intorno a noi.
Fino a qualche centinaio di anni fa, a studiare tutti gli aspetti della natura era il FILOSOFO NATURALE. In seguito questa figura è andata scomparendo e ha lasciato posto a fisici, chimici, biologi, geologi, ingegneri…
La fisica è definita una “scienza pura”, che studia la struttura della materia non vivente e le interazioni tra i suoi costituenti.
L’applicazione delle idee e dei metodi della fisica ha però prodotto notevoli risultati. In altre parole: anche se è una scienza pura, la fisica influenza (ed è influenzata) dalle altre discipline scientifiche.
Ed ispira applicazioni tecnologiche che contribuiscono a trasformare profondamente la società.
Alla fine dell’Ottocento, gli scienziati erano convinti di aver individuato e compreso tutti gli aspetti fondamentali della Fisica. Proprio in quel momento, quando l’edificio della Fisica sembrava ormai saldo, nuove idee sconvolsero tutto: la teoria della relatività di Albert Einstein modificò profondamente i concetti di spazio e tempo mentre la teoria quantistica descrisse in modo innovativo i sistemi atomici e i costituenti microscopici della materia.
FISICA E LEGGI DELLA NATURA : che cos’è la Fisica
In altre parole, possiamo dire che la fisica è lo studio delle leggi fondamentali della natura, ovvero di quelle leggi che governano tutti i fenomeni dell’universo.
Anche se il mondo ci appare complicato, in realtà possiamo scoprire grazie ad alcune caratteristiche che esso è REGOLATO da leggi esprimibili mediante relazioni matematiche: le leggi fisiche.
RICORDA: Le leggi fisiche sono universali, nel senso che:
- non descrivono un singolo fenomeno, ma tutti i fenomeni di uno stesso tipo;
- sono valide dappertutto e sempre.
La fisica è una scienza che si basa sia sulla teoria sia sulle osservazioni sperimentali. Grazie a nuovi risultati sperimentali, i fisici verificano costantemente la teoria e, se necessario, la modificano per renderla coerente con le osservazioni.
Sappiamo già che l’indagine scientifica va condotta utilizzando il METODO SPERIMENTALE, applicato razionalmente per la prima volta da Galileo Galilei.
FISICA E LEGGI DELLA NATURA : il metodo scientifico
L’applicazione del metodo sperimentale all’indagine di un fenomeno fisico si articola in cinque fasi:
- osservazione del fenomeno
- scelta delle grandezze fisiche adatte a descriverlo : per studiare quantitativamente un fenomeno è necessario individuare alcune sue caratteristiche misurabili, che prendono il nome di GRANDEZZE FISICHE
- formulazione di ipotesi : ogni ipotesi può essere suggerita dall’esperienza oltre che da un’analisi qualitativa del problema
- esperimento controllato per la verifica delle ipotesi : l’esperimento va ripetuto più volte per verificare che le misurazioni effettuate non siano casuali. Una volta che l’esperimento è stato ripetuto più volte e i è raggiunta una ragionevole certezza, allora l’ipotesi potrà essere ritenuta di validità generale FINO A PROVA CONTRARIA!
- formulazione della legge sperimentale : un’ipotesi, confermata da un esperimento ripetuto più volte, diventa legge sperimentale (PROCESSO DI INDUZIONE).
Se l’ipotesi non è verificata, allora bisogna formulare nuove ipotesi e sottoporle a verifica.
NOTA BENE: Ogni legge sperimentale può essere applicata sotto ben precise condizioni. Ovvero: esistono dei limiti al campo di applicabilità di una legge.
A partire da un certo insieme di leggi sperimentali gli scienziati cercano poi di costruire SCHEMI LOGICI che possano inquadrare in modo unitario fatti osservati e leggi. In questo modo le leggi vengono usate per costruire TEORIE, applicabili ad un campo di fenomeni più vasto di quello di una singola legge
TEORIA = INSIEME DI PRINCIPI
Da questi principi si possono dedurre leggi che permettono di interpretare un gran numero di dati sperimentali e prevedere fenomeni non ancora osservati. Pensiamo alla MECCANICA CLASSICA: è una teoria che si basa sui tre PRINCIPI DI NEWTON. A sua volta, la meccanica classica fa parte di una teoria più grande, quella della MECCANICA RELATIVISTICA.
FISICA E LEGGI DELLA NATURA : i campi della Fisica
RICORDA: chiamiamo FISICA CLASSICA quella fisica che si è sviluppata tra il Seicento (con Galileo e Newton) e la fine dell’Ottocento. Essa viene tradizionalmente suddivisa in cinque parti, ognuna delle quali si occupa di studiare e interpretare un particolare aspetto:
- meccanica: studia l’equilibrio e il moto dei corpi;
- termodinamica: studia i fenomeni legati al calore
- acustica: studia le proprietà del suono;
- elettromagnetismo, studia i fenomeni elettrici e magnetici;
- ottica, studia la luce e i fenomeni che la riguardano.
Nei primi trent’anni del ventesimo secolo, la relatività e la meccanica quantistica hanno rivoluzionato l’immagine del mondo e allargato il campo di indagine dei fisici- Sono nati così nuovi settori della fisica:
- fisica
- atomica: studia gli atomi e le loro interazioni;
- nucleare : studia il nucleo atomico e le sue interazioni;
- delle particelle: studia le particelle elementari e le loro interazioni;
- astrofisica: studia i corpi celesti e le loro proprietà;
- cosmologia, studia l’universo nel suo insieme.
FISICA E LEGGI DELLA NATURA : la fisica e le altre scienze
Naturalmente la Fisica entra spesso in contatto con le altre scienze. Abbiamo per esempio
- biofisica, che si occupa delle proprietà fisiche delle cellule e delle molecole di interesse biologico (proteine e DNA).
- bioinformatica, che utilizza metodi della fisica statistica per studiare l’informazione genetica.
- chimica quantistica, che descrive le reazioni chimiche mediante le leggi della meccanica quantistica.
- chimica fisica, che usa tecniche sperimentali della fisica per lo studio di molecole e processi chimici.
- geofisica, fisica dell’atmosfera,meteorologia,climatologia, oceanografia….
FISICA E LEGGI DELLA NATURA : fisica e tecnologia
I risultati della Fisica hanno permesso di realizzare numerose invenzioni e tecnologie che fanno parte del nostro mondo: telefoni cellulari, forni a microonde, computer, schermi a cristalli liquidi, ecc sono diventati oggetti di uso quotidiano grazie a scoperte della fisica.
Pensate che solo grazie alla meccanica quantistica disponiamo della risonanza magnetica e che persino la fisica delle particelle ha prodotto una serie di applicazioni di grande utilità, come le terapie contro il cancro.
FISICA E LEGGI DELLA NATURA : la sostenibilità
Oggi la Fisica si occupa anche dei grandi problemi del nostro pianeta, in particolare di clima ed energia.
RICORDA : sviluppo sostenibile è un processo in cui crescita economica, sfruttamento delle risorse naturali e progresso tecnologico sono compatibili con i bisogni futuri, oltre che con quelli attuali, della popolazione terrestre.
FISICA E LEGGI DELLA NATURA : bibliografia
- Ugo Amaldi – Il nuovo Amaldi per i licei scientifici. Meccanica e termodinamica (Vol. 1) Zanichelli, 2021
- Giuseppe Ruffo, Nunzio Lanotte – Fisica: lezioni e problemi. Meccanica, termodinamica, onde, elettromagnetismo, Zanichelli 2021
- James S. Walker – Il Walker. Corso di fisica. Per il primo biennio delle Scuole superiori, Pearson 2021
- Andrea Brognara – Lo sguardo fisico, Mondadori Scuola, 2019