Title: Volta, Schelling e l
1Volta, Schelling e lemergere della fisica teorica
- Fabio Bevilacqua
- Dipartimento di Fisica
- Università di Pavia
2Tre temi
- Le teorie di Volta ed il modello standard
- Dalla fisica speculativa alla fisica teorica
- Lo studio accademico, oggi
3Volta (1784) e Coulomb (1785)
Azioni in-tensive di probabile derivazione
leibniziana QCT
Legge derivante dalla gravitazione
newtoniana azioni a distanza nello spazio
vuoto Fq1q2/r2
4Il programma di Volta
- Il fluido tende a ritornare nella condizione di
equilibrio in-tensione inversamente
proporzionale alla capacità del corpo - Attuazione (induzione) influenza lo spazio
circostante e separa il fluido elettrico - I metalli sono motori e non solo conduttori di
elettricità forza elettromotrice - I fenomeni elettrici del mondo organico non sono
diversi da quelli del mondo inorganico (organo
elettrico artificiale pila)
5Analogie di Volta QgasPressioneVolume
QelettrTensioneCapacità QcaloreTemperaturaCapac
ità
6Forza e Tensione
- E quindi importante ritornare alla teoria e
capire la differenza tra le interpretazioni di
Coulomb e Volta, ed anche le ragioni del loro
dissenso. Possiamo dire che Coulomb misurava e
voleva misurare forze di tipo newtoniano e voleva
trovare una legge di proporzionalità con
linverso del quadrato della distanza ma che
cosa voleva misurare Volta? Volta voleva misurare
una forza di tensione, uno sforzo a spingersi
fuori ma soprattutto voleva misurare una
tendenza (tensione) verso lequilibrio e quindi
un effetto che tendeva a diminuire via via che si
raggiungeva la condizione di equilibrio. La forza
di Newton certamente non diminuisce verso
lequilibrio.
7Coulomb e il modello standard della scuola
laplaciana
- Intorno al 1770 elettricità, magnetismo e calore
cominciarono a sottostare al tipo di analisi che
aveva ordinato i movimenti dei pianeti.Questi
risultati ispirarono ed esemplificarono il
programma descritto da Laplace nel 1796 e portato
quasi alla realizzazione (o così egli pensò) da
Gay-Lussac nel 1809 perfezionare la fisica
terrestre con le stesse tecniche che Newton aveva
usato per perfezionare lo studio della meccanica
celeste.
8Successi e limiti del modello standard
- La quantificazione delle scienze baconiane
avviene allinterno di programmi di ricerca in
competizione la quantificazione di Coulomb è
diversa da quella di Volta - La matematizzazione delle scienze baconiane,
attraverso lapplicazione della teoria matematica
del potenziale, avviene a Parigi prevalentemente
allinterno del modello standard della scuola
laplaciana. - Questo programma perde carica innovativa a
partire dagli anni 30
9(No Transcript)
10(No Transcript)
11Volta-Coulomb
12Linflusso di A. Volta sulla filosofia della
natura del romanticismo tedescodi F. Moiso
(2002)
- ...non esagererei affatto dicendo che in gran
parte la Naturphilosophie sia stata ispirata da
lui stesso - Infatti il problema principale della filosofia
della naturaè spiegare ciò che è in quiete, il
permanente.Ed ecco che a questo punto arriva la
fisica voltiana a suggerire la risposta. - Come allinterno dello spazio fisico, per
spostamento relativo di corpi tra di loro, si
generano continuamente differenze compensate che,
persa tale compensazione, trapassano in
differenze diverse nello spazio e nel tempo, così
gli ambiti individuali allinterno delluniverso
sono dei momenti di indifferenza, che possono
essere concepiti secondo il modello di luoghi
in cui tensione e capacità sono bilanciate. A
causa degli spostamenti dei corpi questi stati
dindifferenza trapasseranno in stati di
differenziazione e quindi avremo quei fenomeni di
attività palesi o segni di cui la fisica
voltiana forniva la teoria elettrostatica nei
famosi scritti di cui si è detto prima.
13Linflusso di A. Volta sulla filosofia della
natura del romanticismo tedesco di Francesco
Moiso (2002)
- Si ha allora il passaggio - che come si è detto è
stato necessariamente mediato dalla visione di
Volta - da una concezione di tipo
corpuscolare-atomistico a una concezione di tipo
dinamicistico, in cui esiste sostanzialmente un
campo di forze (si potrebbe chiamare anche di
energia, badando a non esagerare con
lidentificazione, e a non cadere in anacronismi
facilmente visibili) in cui ununica azione si
trasmette allinterno dellUniverso intero,
generando continuamente ambiti individuali
relativi (come sempre relativa era per Volta la
quantità naturale di elettricità che rende un
corpo elettricamente neutrale) poi travolti e
superati. Non cè allora più quellindividuazione
assoluta dellatomo democriteo nello spazio, ma
cè come unonda che fluisce e riempie punti
del continuo spaziale per poi abbandonarli e
rifluire altrove.
142) I risultati dei modelli non standard
(1800-1847) portano allemergere della fisica
teorica (diversa dalla fisica sperimentale e
dalla fisica matematica)
- Sorgono varie scuole in elettromagnetismo
- Stato elettrotonico
- Spazio pieno e azione a contatto
- Spazio vuoto e azione a distanza
- Azione a distanza ritardata
- La teoria matematica del potenziale come ponte
tra le varie concezioni - Sorgono varie scuole in termologia
- Unità e Convertibilità
- Causalità (causa ed effetto qualitativamente
diversi ma quantitativamente uguali) - Impossibilità del motore perpetuo
- Modelli sostanzialisti e cinetici del calore
15Fertilità delle tradizioni non standard
- Inghilterra
- G.Green, Faraday, Joule
- Influenze scozzesi su Cambridge W.Thomson,
Stokes, Maxwell - Francia
- Sadi Carnot
- Germania
- Mayer, Helmholtz (fisiologia)
16Sadi Carnot (17961832)
17Sadi Carnot
- Il calore è una sostanza, il fluido calorico, che
può essere portata a varie temperature. Il
calorico in un corpo ad una certa temperatura è
in una condizione di equilibrio. Se il calorico
viene portato ad unaltra temperatura
lequilibrio viene perturbato ed il calorico
tenderà al ristabilimento dellequilibrio
termico, cioè a ritornare alla temperatura
originaria. La temperatura è indice di questa
tendenza/tensione e quindi assume il ruolo di
grandezza in-tensiva. Aspetto fondamentale
dellapproccio e quello del ristabilimento delle
condizioni iniziali e quindi del ciclo. Notevoli
le analogie (temperatura come tensione, calorico
come fluido elettrico) con il programma di
ricerca di Volta e la differenza rispetto al
modello standard.
18James Prescott Joule (1818-1889)
19La filosofia della natura e la storiografia
angloamericana
- (Arthur Erich Haas La storia dello sviluppo del
principio di conservazione della forza (1909)) - Thomas Kuhn La conservazione dellenergia come
esempio di scoperta simultanea (1959)
20Kenneth Caneva Physics and Naturphilosophie, a
Reconnaissance (1997)
21John Heilbron La retroguardia qualitativa.
Naturphilosophie (2002)
22Johann Wilhelm Ritter (1776-1810)
23Humphry Davy (1778-1829)
24Hans Christian Ørsted (1777-1851)
25Thomas Johann Seebeck(1770-1831)
26(Georg Simon Ohm (1789-1854))
- This apparatus was used by Ohm. Current flowing
through the metal bar in the center cylinder
deflects a magnetized needle suspended above it.
The deflection angle is proportional to the
current. The source of electric potential is a
thermocouple (discovered by Seebeck in 1821). The
ends of the thermocouple are heated by steam and
cooled by ice-water in the small containers on
the tripods. The use of a thermocouple made the
measurement possible other sources of potential
available in the 1820's were too unreliable.
27Azione per contatto linee di forza e stato
elettrotonico
28Julius Robert Mayer (1814-1878)
29Helmholtz 1847
30Helmholtz nel 1847
- Assume il modello newtoniano e formula
linterpretazione meccanica del principio di
conservazione dellenergia - TUcost.
- ?T ?U
31Helmholtz nel 1847 formalizza la distinzione tra
fisica sperimentale e teorica (non matematica!!!)
- 4 livelli
- Premesse fisiche
- Deduzione dei principi
- Leggi empiriche
- Fenomeni naturali
- Le leggi devono oramai essere in accordo non solo
con i fenomeni ma anche con i principi - I principi possono essere formulati sulla base di
modelli alternativi
32Un punto di vista a quattro componenti
33William John Macquorn Rankine (1820-1872)
- La fattorizzazione dellenergia
34James Clerk Maxwell
35Maxwell 1873 Treatise
36Hertz 1892
37Hertz
- La concezione della attrazione a distanza e della
teoria del potenziale sono concezioni di tipo
religioso - Lenergia potenziale va ricondotta a cinetica
- La forza deve scomparire
- I potenziali non sono reali come i campi. le
equazioni di Maxwell vanno purificate dai
potenziali - Le equazioni di Maxwell non possono essere messe
direttamente in relazione con lesperienza
38Planck (1887)
- Un giudizio di tipo teorico
- Un criterio di semplicità
- La conservazione dellenergia elettromagnetica
locale (a contatto) deve prevalere su quella
globale - La causalità deve prevalere sulla teleologia
39Lorentz e la Teoria degli Elettroni lo spazio si
svuota di materia e si riempie di campi
E P D
40I dibattiti sui fondamenti
- Meccanicismo
- Concezione elettromagnetiche della natura
- Energetica
- Termodinamica
- La rivoluzione nel 900
- Relatività
- Meccanica quantistica
41Einstein (1905) la massa è energia
Ko - K1 (L / V2). v2 / 2
E m c2
42- Feynman potenziali ritardati
- Sommerfeld fattorizzazione
43Filosofia naturale e fisica teorica
443) Lo studio accademico
- Helmholtz nel 1877 loda la libertà delle
Università tedesche - Blaserna e Cantoni lamentano lo stato della
ricerca e dellinsegnamento in Italia
45Helmholtz 1877 BerlinoSulla libertà accademica
nelle università tedesche
46Il dibattito sui fondamenti porta
allelaborazione di testi avanzati
47I libri di testo avanzati mostrano una scienza
non normale
48I libri di testo sono normali
49Oggi
- Scienza straordinaria e normale
- Fonti primarie e libri di testo
- Small science e big science
- La storia della scienza agli studenti delle
Facoltà umanistiche e i risultati agli studenti
delle Facoltà scientifiche
50Nuovi curricula (Harvard)
- Facoltà di arti e scienze di tipo culturale e
non professionale un ritorno - Curricula postdisciplinari
- Filosofia, Storia e Scienza
51La storiografia
- Haas
- Kuhn
- Pearce Williams
- Heimann
- Caneva
- Cunningham e Jardine (eds)
- Poggi
- Heilbron
52Scienze classiche e baconiane
- Classiche Meccanica, Astronomia, Armonia, Ottica
(parte) - Baconiane Elettricità, Magnetismo, Termologia,
Chimica, Ottica (parte) - Nelle classiche cambia il paradigma
- Nelle baconiane si iniziano accurate
sperimentazioni
53PRINCIPIA esistenza del vuoto e delle forze a
distanza OPTICKS introduzione di una serie
di eteri
inesistenza del vuoto passività
della materia azione per contatto
attività della materia conservazione della
forza viva
54Tre tradizioni di successo
Descartes
Leibnitz
Newton
55Boscovich
56Il programma di ricerca di Volta
- Secondo Volta il fluido elettrico è uno e
normalmente è in uno stato di equilibrio, cioè è
neutro. Ciò dipende dalle forze mutue tra
particelle del corpo e fluido che sono
bilanciate. Quando viene variato questo stato di
equilibrio, per esempio per effetto dello
strofinio, per effetto dello sbilanciamento si
manifesta una carica elettrica (accumulo o
diminuzione di fluido) che tende a tornare nello
stato di equilibrio. Questa tensione è
caratteristica del corpo e dipende dalla sua
capacità ad immagazzinare cariche secondo la
relazione QCT. La tensione tende a espellere le
cariche verso altri corpi che sono in uno stato
diverso. Se vi sono corpi (conduttori) a
contatto, la carica per effetto della tensione si
ripartisce secondo la capacità dei due corpi. Se
si produce una scarica, leffetto dipende sia
dalla tensione che dalla quantità di carica.
57Il programma di ricerca di Volta
- Inoltre la tensione produce una atmosfera
elettrica che agisce a distanza (che si propaga a
grande distanza e quindi diminuisce con linverso
della distanza e non con linverso del quadrato)
e provoca uno sbilanciamento di fluido elettrico
nei corpi immersi in questa atmosfera, pertanto
si ha una attuazione (induzione) in questi corpi
che acquisiscono una elettricità potenziale e
quindi una tensione. Si trovano di fronte cariche
eteronime e quindi come risultato della tensione
del primo corpo si manifesta una attrazione.
Sulla base del principio di attrazione si possono
spiegare tutti i fenomeni, considerando la
tensione (espandibilità del fluido) e
lattuazione creata dalle atmosfere. Quando
invece si trovano di fronte cariche omonime, la
tensione (con conseguente attrazione) si
manifesta verso altri corpi (anche laria) e
quindi leffetto apparente di repulsione è dovuto
a queste attrazioni verso altre direzioni.
58Il programma di ricerca di Volta
- In definitiva Volta introduce due grandezze non
solo la quantità totale della qualità in
oggetto, ma anche lo stato del corpo. Una
estensiva (additiva) ed una in-tensiva (non
additiva), associate tramite la capacità
specifica dei corpi ad immagazzinare la grandezza
estensiva. Pertanto la grandezza intensiva è data
dal rapporto tra quella estensiva e la capacità
(volume) TQ/C
59Il programma di ricerca di Volta
- La stessa relazione che regola i rapporti tra
Carica, Capacità e Tensione si applica anche al
calore (fluido calorico), allaria ed alla
quantità di moto. In altre parole se abbiamo
delle quantità definite di alcune qualità, che
si conservano durante il processo, lo stato di
queste quantità è individuato da una tendenza
allequilibrio che dipende dalla capacità del
corpo che contiene la qualità data. Una piccola
capacità (estensione) implica una grande
in-tensione allequilibrio. Si realizza così una
quantificazione delle qualità. La capacità è
estensiva (additiva) come la qualità cui si
riferisce, lin-tensione è invece intensiva (non
additiva). Il prodotto è una costante per le
varie situazioni.
60Il programma di ricerca di Volta
- Il tipo di ragionamento, pur se Volta non
sottolinea gli effetti del riequilibrio dei
fluidi (delle qualità) e non sottolinea il
concetto di lavoro, è legato a dei principi di
equilibrio, di causa-effetto e di conservazione,
a delle tendenze a ristabilire lequilibrio
perturbato, tramite lattuazione di grandezze
potenziali (virtuali). Non ci sono riferimenti al
meccanicismo cartesiano, nè alle forze
newtoniane. Piuttosto una terminologia scolastica
mediata da Leibniz e Boscovich.
61Bilancia di torsione ed elettrometro
- Un confronto tra la bilancia di torsione e
lelettrometro si impone. Si asserisce sempre che
la bilancia di torsione misura le forze e che
lelettrometro misura la tensione. Ma in effetti
i due strumenti non erano così diversi come si
può a prima vista pensare. Entrambi erano basati
su misure statiche, in condizioni di equilibrio,
ed entrambi misuravano la repulsione delle
cariche. Il primo contrastava la forza di
repulsione con la forza elastica di torsione, il
secondo con la forza peso. In realtà la struttura
poteva essere scambiata, con gli elettrometri di
Kelvin la torsione entra in gioco nella misura
della tensione. Pertanto era fondamentale la
teoria interpretativa essa forniva lindicazione
della quantità misurata e la rispettiva legge.
62Modello standard nel XVIII secolo
- La fisica del tardo XVIII secolo faceva ricorso
a un complesso di materie di tipi
qualitativamente diversi che facevano da
portatori di forze, introdotte ognuna per la
spiegazione di uno specifico ambito di
fenomeni.Queste materie si dividevano in materie
comuni o ponderabili e fluidi senza peso, in
grado di agire sulla materia ponderabile e, in
certi casi, uno sull'altro.La materia ordinaria
porta e esercita su se stessa le forze di
gravità, coesione, le forze derivanti da affinità
chimiche e capillarità. Tra quelle imponderabili,
le particelle di luce interagiscono con la
materia ordinaria i fluidi (o il fluido)
elettrici agiscono sulla materia ordinaria e uno
sull'altroI fluidi magnetici si comportano in
maniera simile e il fluido autorepulsivo del
calore (calorico) si contrappone alle varie forze
coesive che, senza il suo intervento,
coagulerebbero tutta la materia terrestre
ponderabile in un grumo compresso.
63Modello standard nel XVIII secolo
- Prendendo in prestito un termine dalla fisica di
oggi, possiamo chiamare questo insieme di materie
il Modello Standard del tempo. Esso rappresenta
tutti i fenomeni fisici conosciuti alla fine del
XVIII secolo esso aveva l'unità di una comune
veste matematica, se non di una ontologia
coerente ed era guardato come un modello, non
come una diretta trascrizione del piano di Dio
per la creazione.L'esempio del modello standard
era la teoria della gravitazione e le allusioni
alle sue estensioni ad altri fenomeni suggerite
da Newton nelle Queries dell'Opticks. Per gran
parte del XVIII secolo, tuttavia, l'accostamento
tra calcolo e osservazione che fece la fama della
teoria gravitazionale non poté essere replicato
in ogni branca della fisica sperimentale.
64Modello standard nel XVIII secolo
- Cominciando intorno al 1770, la situazione cambiò
rapidamente e elettricità, magnetismo e calore
cominciarono a sottostare al tipo di analisi che
aveva ordinato i movimenti dei pianeti.Al
passaggio tra il XVIII e il XIX secolo, i
fenomeni di capillarità e il comportamento della
luce rientrarono nello schema, sebbene in senso
pickwickiano. Questi risultati ispirarono ed
esemplificarono il programma descritto da Laplace
nel 1796 e portato quasi alla realizzazione (o
così egli pensò) da Gay-Lussac nel 1809
perfezionare la fisica terrestre con le stesse
tecniche che Newton aveva usato per perfezionare
lo studio della meccanica celeste.
65La scuola laplaciana
- Tale scuola, che vede il suo massimo splendore
tra il 1805 ed il 1815 e cioé durante l'Impero
napoleonico, era formata tra gli altri da Biot
(il cui famoso Traité de physique experimentale
é del 1816), Poisson, Gay Lussac, Thenard, Malus.
Ma nonostante gli straordinari contributi di
questi personaggi all'interno e all'esterno
dell'Ecole Polytechnique si mostrano i segni di
una rivolta antilaplaciana con caratteri poi
definiti positivisti (Comte fu allievo di Fourier
all'Ecole) in Fourier (e poi in Lamé e Duhamel) e
Ampere, e in direzioni teoriche diverse con
Fresnel (e poi Navier e Cauchy) e Arago, Doulong
e Petit. Isolata, seppur notevolissima la figura
di Carnot.
66(No Transcript)
67Helmholtz 1847
- The premise reveals that the structure of the
Erhaltung is based on four relevant
methodological layers - a) to establish two physical assumptions
("physikalischen Voraussetzung" central
Newtonian forces and impossibility of perpetual
motion) and their equivalence - b) to derive from them as a consequence
("Folgerungen") a theoretical law ("die
Herleitung der aufgestellten Sätze" the
principle of conservation of energy) - c) to compare this general principle with the
empirical laws ("erfährungsmässigen Gesetzen")
which connect the - d) natural phenomena ("Naturerscheinungen") in
various fields of physics.
68Helmholtz 1847
- Helmholtz thus not only plans to offer, at
variance with most of the other researchers
involved with conservation problems, a specific
functional formulation of the quantities
conserved and of their interrelations, but also a
derivation of this "principle" from more general
physical assumptions. This is an implicit
assertion of the possibility of alternative
versions of the principle. - But the great theoretical innovation is that
empirical laws are supposed to be compared no
longer only with natural phenomena, but also with
a general principle. It is not difficult to
understand Magnus' and Poggendorff's perplexities
in the evaluation of the essay the young
physiologist without presenting new experimental
results adds two levels (a, b) to the standard
practice of (experimental) physicists - that of
formulating empirical laws (c) which would fit
natural phenomena (d).
69Helmholtz 1847
- One of the first conscious criteria of
demarcation between theoretical and empirical
science can now be drawn while the experimental
scientist is looking for empirical
generalisations that fit experimental data (e.g.
the refraction and reflection laws), the
theoretical scientist looks for the agreement of
the principle of conservation with existing
empirical laws (justificatory role of the
principle) and for the theoretical discovery of
new ones (heuristic role). Helmholtz here is
explicitly setting out the task of theoretical
research for the following decades agreement
with principles will become a condition which
empirical laws have to satisfy, as important as
the agreement with experimental data.
70Planck 1887
- Infine vorrei qui far presente ancora una
notevole analogia. Si credeva una volta che tutti
gli eventi in natura, sia immateriali che fisici,
trovassero fondamento ed adeguata spiegazione non
solo nel concorso contemporaneo di circostanze
bensì che in generale sia il passato che il
futuro (teleologia), contribuendo direttamente,
intervenissero nel corso delle cose, e così
influissero sulla legge di causalità. La moderna
scienza della natura - e su questo si basa
proprio il considerevole vantaggio che essa ha
rispetto agli antichi - ha distrutto questa
credenza, e suppone che in definitiva lo stato
attuale, ossia ciò che avviene proprio
istantaneamente in tutto il mondo, formi la causa
completamente determinante di ciò che avverrà il
momento successivo, che dunque nell'ininterrotta
catena di variazioni ogni termine sia
condizionato autonomamente e in tutta la sua
estensione da ciò che direttamente lo precede. In
altre parole riguardo agli effetti temporali la
teoria infinitesimale ha raggiunto riconoscimento
radicale.
71Planck 1887
- Dovrebbe essere riservato ai prossimi decenni
realizzare la stessa cosa per gli effetti
spaziali, mostrando che non esiste un influsso
diretto a distanza spaziale nè a distanza
temporale, bensì che tutti gli effetti spaziali,
come quelli temporali, appaiono in definitiva
composti da quegli effetti che si diffondono da
elemento a elemento. Allora ogni fenomeno trova
la sua completa spiegazione nelle condizioni
immediatamente adiacenti nello spazio e nel tempo
e tutti i processi finiti si compongono di
effetti infinitesimi. Questo secondo passo mi
sembra di poterlo allineare con piena parità di
diritti al primo, al quale dobbiamo in misura
così spiccata i risultati dell'odierna scienza
della natura, e siamo autorizzati ad aspettarci
che anch'esso si dimostrerà di importanza
altrettanto vasta anche per il successivo
sviluppo della scienza.
72Tre temi
- 1Le teorie di Volta e linfluenza su Schelling
- Volta e Coulomb due tipi di equilibrio
- Il programma di Volta
- Modello standard
- Moiso influenza di Volta su Schelling
- Filosofia della natura critiche al modello
standard - Emergere della fisica teorica
- Successo e decadenza della scuola laplaciana
- Modelli non standard
- Oersted, Carnot, Faraday, Mayer, Joule, Rankine
- Risultati
- Unità e convertibiltà delle forze
- Causalità (causaeffetto) e impossibilità motore
perpetuo (Ex nihilo e ad nihilum) - Fattorizzazione
- Spazio pieno dinamico (stato elettrotonico)
- Teoria matematica del potenziale come ponte
- Helmholtz 1847 regole
- Dibattiti sui fondamenti
- Università oggi
- Libri di testo e memorie originali
- Libri avanzati legati al dibattito
- Libri normali macinino
- Storia per gli umanisti/Manuali per le scienze
- Small science/Big science
- Necessità approcci postdisciplinari
- Berlin 1809
- Harvard Curriculum oggi