Fisica

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Nota disambigua – Se stai cercando l'opera di Aristotele, vedi Fisica (Aristotele).

La fisica (dal neutro plurale latino physica, a sua volta derivante dal greco physikà– ovvero "le cose naturali", da physis, "natura") è la scienza della Natura nel senso più ampio.

Originariamente una branca della filosofia (per lungo tempo è stata chiamata filosofia naturale), ancora oggi mantiene con essa legami profondi. Ma in seguito alla codifica del metodo scientifico di Galileo Galilei, negli ultimi trecento anni si è talmente evoluta e sviluppata ed ha conseguito risultati di tale importanza da conquistarsi piena autonomia e autorevolezza.

Questa voce è dedicata a una descrizione sommaria dello stato attuale della scienza fisica. Per un'esposizione storica si veda Storia della fisica.

I fisici studiano in generale il comportamento e le interazioni della materia attraverso lo spazio e il tempo. Nella visione affermatasi con la teoria della Relatività ristretta prima e Generale poi, spazio e tempo sono considerati anch'essi fenomeni fisici, e non semplicemente lo scenario in cui questi avvengono. L'indagine fisica viene condotta seguendo il metodo scientifico, pietra miliare di tutte le scienze naturali, che garantisce la più alta tendenza all'oggettività dei risultati ottenuti (secondo il paradigma galileiano dell'intersoggettività). Il metodo scientifico è anche noto come metodo sperimentale, perché si basa sul concetto di esperimento e l'osservazione dei fenomeni. L'osservazione produce come conseguenza diretta le cosiddette leggi empiriche. Tramite un processo chiamato ciclo conoscitivo si procede a un progressivo affinamento del modello fisico che può rappresentare il fenomeno. Via via che i modelli crescono in complessità e vastità dei fenomeni che sono capaci di descrivere, il contributo della matematica e del ragionamento logico diventa sempre più determinante e, come nel caso emblematico della Relatività Generale, l'astrazione teorica può addirittura precedere la scoperta sperimentale.

Cardine della fisica sono i concetti di misura, di grandezza fisica e di incertezza: la fisica prende in considerazione solo ciò che è in qualche modo misurabile secondo criteri concordati (le unità e i metodi di misura), e il risultato di tale misura viene associato a ciò che è stato misurato. Ogni quantità è dunque specificata da un numero, che è il risultato della misura, e dall'unità di misura scelta.

Per questo motivo, le teorie della fisica sono quindi generalmente espresse come relazioni matematiche fra quantità fisiche. Le teorie ampiamente confermate vengono usualmente chiamate leggi o leggi della fisica, ma come tutte le leggi scientifiche sono sempre provvisorie, nel senso che sono considerate vere solo finché non vengono confutate, cioè se viene osservato il verificarsi di un fenomeno che esse predicono non possa mai accadere, o se le loro predizioni sui fenomeni si dimostrano errate. O più semplicemente, una nuova teoria permette di predire gli stessi fenomeni, ma con una accuratezza superiore.

La fisica è strettamente connessa con tutte le altre scienze naturali, particolarmente con la chimica, la scienza delle molecole con cui si è sviluppata di pari passo nel corso degli ultimi due secoli. La chimica prende molti concetti dalla fisica, soprattutto nei campi di termodinamica, elettromagnetismo, e meccanica quantistica. Tuttavia i fenomeni chimici sono talmente complessi e variegati da costituire una branca del sapere a sé stante.

[modifica] Modello fisico

Ogni osservazione di un fenomeno costituisce un caso a sé stante, una particolare istanza del fenomeno osservato. Ripetere le osservazioni vuol dire moltiplicare le istanze e raccogliere altri fatti, cioè altre misure. Le diverse istanze saranno certamente diverse l’una dall’altra nei dettagli, anche se nelle loro linee generali ci dicono che il fenomeno, a parità di condizioni, tende a ripetersi sempre allo stesso modo.

Se vogliamo fare un discorso di carattere generale, occorre sfrondare le varie istanze dalle loro particolarità e trattenere solo quello che è rilevante e comune ad ognuna di esse, fino a giungere al cosiddetto modello fisico.

Questo, va sottolineato, è una versione approssimata del sistema effettivamente osservato, e il suo impiego indiscriminato presenta dei rischi, ma ha il vantaggio della generalità e quindi dell’applicabilità a tutti i sistemi di quel tipo.

La costruzione del modello fisico è certamente la fase meno formalizzata del processo che porta alla formulazione di leggi quantitative e di teorie. Il modello fisico ha la funzione fondamentale di ridurre il sistema reale, e la sua evoluzione, ad un livello astratto ma traducibile in forma matematica, utilizzando definizioni delle grandezze in gioco e relazioni matematiche già note fra di queste. Tale traduzione può anche avvenire automaticamente, come dimostrano i molti programmi usati per la simulazione al calcolatore dei fenomeni più disparati.

Il modello matematico, che ovviamente si colloca ad un livello di astrazione ancora superiore a quello del modello fisico, al massimo livello di astrazione nel processo conoscitivo, è costituito normalmente da equazioni differenziali che, quando non siano risolvibili in maniera esatta, devono essere semplificate opportunamente o risolte, più o meno approssimativamente, con metodi numerici, al calcolatore. Si ottengono in questo modo delle relazioni analitiche o grafiche fra le grandezze in gioco che costituiscono la descrizione dell’osservazione iniziale.

Tali relazioni, oltre a descrivere l’osservazione, possono condurre a nuove previsioni. In ogni caso esse sono il prodotto di un processo che comprende diverse approssimazioni

nella costruzione del modello fisico
nelle relazioni utilizzate per costruire il modello matematico
nella soluzione del modello matematico

La soluzione del modello matematico va quindi controllata, per vedere con quale approssimazione riesce a rendere conto dei risultati dell’osservazione iniziale e se le eventuali previsioni si verificano effettivamente e con quale precisione. Questo può venire detto solo dall’esperienza e quindi la verifica della descrizione chiude un ciclo, chiamato ciclo conoscitivo.

[modifica] Gli errori sperimentali

In ogni procedimento di misura di una quantità fisica, la misura è inevitabilmente accompagnata da una incertezza (errore, o barra di errore) sul valore misurato. Questo errore non deriva da "sbagli" nel procedimento di misura, ma dalla natura stessa dei procedimenti di misura.

In un esperimento, infatti, non è mai possibile eliminare un gran numero di fenomeni fisici che possono causare piccole "incertezze", alcune di carattere casuale, altre di natura sistematica (ad esempio, gli errori di taratura in un righello, o in una bilancia analitica). Le fluttuazioni casuali sono alla base dello studio di queste incertezze. Quando si fa una misura, quindi, si deve procedere alla stima dell'incertezza ad essa associata, o, in altre parole, alla stima dell'errore sulla misura.

L'incertezza indica l'intervallo di valori entro il quale si garantisce che, ripetendo la misura nelle stesse condizioni, il risultato resti costante. Quindi, un'incertezza di ± 2 sul 4 indica un intervallo di valori che va da 2 a 6. Naturalmente, se comprendiamo un intervallo di valori più grande della grandezza che misuriamo, essa perde di significato.

In generale, si utilizza come incertezza la risoluzione dello strumento, anche se si possono scegliere anche altri valori. Ad esempio, se effettuiamo una misura col dinamometro e vediamo che la molla oscilla fra due divisioni della scala, scegliamo come incertezza 2 divisioni, ecc... Se, ripetendo la misura, i valori sono compatibili, la somma delle incertezze casuali è inferiore alla risoluzione strumentale. Se invece i dati non sono compatibili (e non c'è alcuna possibilità che si tratti di un fenomeno fisico ad influenzare le misure, ovvero se si è certi di aver ripetuto la misura nelle stesse condizioni), si elaborano statisticamente i dati per determinare un valore con una sua incertezza. L'incertezza si scrive accanto al valore, segnalata dal segno di ±. Ad esempio, si può scrivere G=(10±1)u.m. L'incertezza di cui abbiamo parlato è chiamata incertezza assoluta. Ci si può servire dell'incertezza assoluta per quantificare la precisione della misura, tramite l'incertezza relativa, ovvero il rapporto fra la grandezza e la sua incertezza assoluta. In generale, l'incertezza assoluta si esprime in percentuale: minore è, più la misura è precisa. L'incertezza relativa è un numero adimensionale. Ad esempio, il dato G=(10±1) um avrà come incertezza relativa 1/10=0,1, ossia il 10%. Le incertezze però si propagano quando i dati afflitti da incertezze vengono utilizzati per effettuare dei calcoli, secondo delle precise regole dette della propagazione delle incertezze.

[modifica] Sistemi di unità di misura

Attualmente, il sistema di unità di misura universalmente accettato dai fisici di tutto il mondo è il sistema internazionale (SI); altri sistemi usati in passato sono stati il sistema CGS, il sistema MKS e quello anglosassone.

[modifica] Teorie principali

In fisica si possono identificare 5 teorie fondamentali da considerarsi come il bagaglio comune di ogni fisico indipendentemente dalla specializzazione e che sono insegnate nei corsi comuni:

[modifica] Campi fondamentali

[modifica] Campi di ricerca

Sebbene nel passato la figura del ricercatore in fisica aveva un carattere di universalità, ai giorni nostri si registra una forte specializzazione e separazione in diversi campi di ricerca della fisica. Figure di fisici universali quali Albert Einstein e Lev Landau che lavorarono in molti campi di ricerca, sono oggi rare. All'interno dei singoli campi di ricerca, è possibile identificare un'ulteriore forte specializzazione in

e figure di ricercatori quali Enrico Fermi, che apportò fondamentali contributi sia alla teoria che all'esperimento, sono oggi eccezioni remarcabili. Sin dal 1970, la prestigiosa rivista Physical Review dell'American Physical Society, seguita anche da altre riviste quali European Physical Journal dell'European Physical Society o Journal of Physics della IOP, hanno deciso di classificare la ricerca in fisica in diversi campi, qui di seguito riportati: