La fisica (termine che deriva dal latino physica, "natura" a sua volta derivante , nato da [phýsis], entrambi derivati dall'origine comune indoeuropea) è la scienza della natura che studia la materia, i suoi costituenti fondamentali, il suo movimento e comportamento attraverso lo spaziotempo, e le relative entità di energia e forza. La fisica appartiene alle scienze naturali ed è una delle discipline accademiche più antiche, il cui obiettivo principale è descrivere come si comporta l'Universo. Fisica, chimica, biologia e alcune branche della matematica formano le scienze pure, dette anche scienze fondamentali, e hanno fatto parte della filosofia naturale.
La fisica è nata e si è sviluppata allo scopo di studiare i fenomeni naturali, ossia tutti gli eventi che possono essere descritti, ovvero quantificati o misurati, attraverso grandezze fisiche opportune, al fine di stabilire principi e leggi che regolano le interazioni tra le grandezze stesse e le loro variazioni, mediante astrazioni matematiche. Tale scopo è raggiunto attraverso l'applicazione rigorosa del metodo scientifico, il cui ultimo obiettivo è fornire uno schema semplificato, o modello, del fenomeno descrittoPaul Adrien Maurice Dirac, fisico inglese, disse: «[...] dovremmo ricordare che il principale obiettivo delle scienze fisiche non è la fornitura di modelli, ma la formulazione di leggi che governano i fenomeni e l'applicazione di queste leggi per la scoperta di nuovi fenomeni. Se un modello esiste è molto meglio, ma il fatto che esista o meno è una questione di secondaria importanza» - P.A.M. Dirac - The principles of quantum mechanics - 4ª ed. Oxford Clarendon Press 1958 - Cap. 1: l'insieme di principi e leggi fisiche relative a una certa classe di fenomeni osservati definiscono una teoria fisica deduttiva, coerente e relativamente autoconsistente, costruita tipicamente a partire dall'induzione sperimentale.
Storia
La storia della fisica abbraccia certamente un lungo arco temporale, ma non vi è accordo sulla data di nascita della fisica. tanto che Popper ribattezzò Einstein "Parmenide".
Tuttavia la fisica propriamente detta nasce con la Rivoluzione scientifica nel XVII secolo per opera di Niccolò Copernico, Keplero, Tycho Brahe, Galileo Galilei e il suo metodo scientifico, Leibniz e Newton che diedero contributi alla meccanica celeste e ai principi della meccanica classica fornendo anche gli strumenti matematici adattati allo scopo, come i fondamenti del calcolo infinitesimale. La fisica rappresenta dunque la prima disciplina scientifica nella storia della scienza da cui nascerà nel XVIII secolo la chimica, nel XIX secolo la biologia e le scienze della Terra. Nel XVIII e XIX secolo nascono e si sviluppano poi teorie come la termodinamica e l'elettromagnetismo. Sempre a livello storico si suole suddividere la fisica in fisica classica che comprende la meccanica classica, la termodinamica e l'elettromagnetismo fino alla fine del XIX secolo e la fisica moderna dall'inizio del XX secolo a partire dalla teoria della relatività, la meccanica quantistica e tutte le altre teorie fisiche della seconda metà del Novecento.
Descrizione
Conosciuta anche come la "regina delle scienze", originariamente branca della filosofia, la fisica è stata chiamata almeno fino al XVIII secolo filosofia naturaleAd esempio Newton intitolò un suo famoso scritto del 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, "I principi matematici della filosofia naturale".. Solo in seguito alla codifica del metodo scientifico di Galileo Galilei, negli ultimi trecento anni si è talmente evoluta e sviluppata e ha conseguito risultati di tale importanza da conquistarsi piena autonomia e autorevolezza. Essa si è distinta dalla filosofia per ovvie ragioni di metodo di indagine.
L'indagine fisica viene condotta seguendo rigorosamente il metodo scientifico, basato sull'osservazione del fenomeno e sulla formulazione di ipotesi, la cui validità viene messa alla prova tramite degli esperimenti. Le ipotesi consistono nella spiegazione del fenomeno attraverso l'assunzione di principi fondamentali, in modo analogo a quanto viene fatto in matematica con assiomi e postulati. L'osservazione produce come conseguenza diretta le leggi empiriche.
Se la sperimentazione conferma un'ipotesi, la relazione che la descrive viene detta legge fisica. Il ciclo conoscitivo prosegue con il miglioramento della descrizione del fenomeno conosciuto attraverso nuove ipotesi e nuovi esperimenti. Un insieme di leggi possono essere unificate in una teoria fondata su principi che permettano di spiegare il maggior numero possibile di fenomeni: questo processo permette anche di prevedere nuovi fenomeni che possono essere scoperti sperimentalmente.
Inizialmente una legge o teoria fisica era considerata valida solo se confermata sperimentalmente. Nel corso degli anni venti questa concezione venne riformulata nel criterio di verificabilità, come tesi centrale del positivismo logico, ma, nonostante successive modifiche, dagli anni sessanta è stato gradualmente abbandonato. A oggi il concetto di validità si basa sull'opposto criterio di falsificabilità, formulato dal filosofo Karl Popper. Le leggi e le teorie fisiche, in quanto costruite a partire da processi conoscitivi di tipo induttivo/deduttivo -sperimentali, sono in linea di massima sempre provvisorie, nel senso che sono considerate vere finché non vengono in qualche modo confutate, ossia finché non viene osservato il verificarsi di un fenomeno che esse non predicono o se le loro predizioni sui fenomeni si dimostrano errate. Infine ogni teoria può essere sostituita da una nuova teoria che permetta di predire i nuovi fenomeni osservati con un'accuratezza superiore ed eventualmente in un più ampio contesto di validità.
Cardine della fisica sono i concetti di grandezza fisica e misura: le grandezze fisiche sono ciò che è misurabile secondo criteri concordati (è stabilito per ciascuna grandezza un metodo di misura e un'unità di misura). Le misure sono il risultato degli esperimenti. Le leggi fisiche sono quindi generalmente espresse come relazioni matematiche fra grandezze, verificate attraverso misurePer esempio, in elettrotecnica, la legge di Ohm afferma che le grandezze potenziale elettrico V, resistenza R e intensità di corrente I sono legate dalla relazione: V = RI. In un esperimento questo si traduce nel fatto che moltiplicando il valore misurato della corrente e della resistenza (tenendo conto delle unità di misura) si debba ottenere un valore compatibile con quello misurato per il potenziale. I fisici studiano quindi in generale il comportamento e le interazioni della materia attraverso lo spazio e il tempo. Per queste sue caratteristiche, cioè il preciso rigore di studio dei fenomeni analizzati, è unanimemente considerata la scienza dura per eccellenza tra tutte le scienze sperimentali o scienze esatte grazie al suo approccio teso alla comprensione non solo qualitativa, ma anche quantitativa con la stesura delle suddette leggi universali di natura matematica in grado di fornire una previsione sullo stato futuro di un fenomeno o di un sistema fisico.
Metodo scientifico
Il metodo scientifico è la modalità con cui la scienza procede per raggiungere una conoscenza della realtà oggettiva, affidabile, verificabile e condivisibile. Differisce dal metodo aristotelico, presente prima del 1600, per la presenza della sperimentazione. Esso consiste, da una parte, nella raccolta di evidenza empirica e misurabile attraverso l'osservazione e l'esperimento; dall'altra, nella formulazione di ipotesi e teorie da sottoporre nuovamente al vaglio dell'esperimento.
Esso fu applicato e codificato da Galileo Galilei nella prima metà del XVII secolo: precedentemente l'indagine della natura consisteva nell'adozione di teorie che spiegassero i fenomeni naturali senza una verifica sperimentale delle teorie stesse considerate vere in base al principio di autorità. Il metodo sperimentale moderno richiede, invece, che le teorie fisiche debbano fondarsi sull'osservazione dei fenomeni naturali, debbano essere formulate come relazioni matematiche e debbano essere messe alla prova tramite esperimenti:
Il percorso seguito per arrivare alla stesura di una legge scientifica (e in particolare di una legge fisica) a partire dall'osservazione di un fenomeno si articola nei seguenti passi, ripetuti ciclicamente:. osservazione di un fenomeno fisico. Un fenomeno fisico è un qualsiasi evento in cui siano coinvolte grandezze fisiche, ossia proprietà di un corpo che siano misurabiliQuesta definizione può comprendere una vasta gamma di eventi, che possono essere oggetto di studio di discipline diverse. Per esempio la formazione di una molecola può essere studiata, evidenziando aspetti diversi, dalla chimica o dalla fisica. elaborazione di un'ipotesi esplicativa e formulazione di una previsione da verificare che segua l'ipotesi elaborata. L'ipotesi è solitamente formulata semplificando la situazione reale in modo da individuare relazioni tra le grandezze semplici da verificare, di solito indicate con l'espressione condizioni ideali (un esempio, nel caso dell'esperimento del piano inclinato è l'assunzione che la forza di attrito sia trascurabile); esecuzione di un esperimento. L'esperimento consiste nella ripetizione in condizioni controllate di osservazioni di un fenomeno fisico e nell'esecuzione di misure delle grandezze coinvolte nel fenomeno stesso; analisi e interpretazione dei risultati (conferma o smentita dell'ipotesi iniziale).
Dato che le condizioni in cui si svolge l'esperimento non sono mai ideali, al contrario di quanto supposto dalle ipotesi, è spesso necessario svolgere un elevato numero di misure e analizzare i risultati con metodi statistici. Nel caso in cui l'ipotesi sia confermata la relazione che essa descrive diviene una legge fisica, ulteriormente sviluppabile attraverso: Elaborazione di un modello matematico Unificazione di leggi simili in una teoria di validità generale Previsione di nuovi fenomeni naturali
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"Non sempre è possibile riprodurre sperimentalmente le osservazioni naturali: ad esempio, in astronomia o meteorologia non è possibile riprodurre molti dei fenomeni osservati e allora si ricorre a osservazioni e simulazioni numeriche. Un altro esempio è l'evoluzionismo di Charles Darwin, che per essere verificato direttamente richiederebbe tempi d'osservazione (milioni di anni) irriproducibili in laboratorio; in questi casi le verifiche sperimentali si basano sull'analisi genetica e dei fossili. Le diverse istanze saranno certamente diverse una dall'altra nei dettagli (ad esempio a causa di errori sperimentali), anche se nelle loro linee generali ci indicano che il fenomeno, a parità di condizioniÈ raro che le condizioni in cui avviene l'osservazione risultino perfettamente invariate; più comunemente si hanno piccole variazioni, trascurabili ai fini dell'esperimento o tanto piccole da potere essere considerate un semplice "disturbo"., tende a ripetersi sempre allo stesso modo. Per ottenere un risultato di carattere generale occorre sfrondare le varie istanze dalle loro particolarità e trattenere solo quello che è rilevante e comune a ognuna di esse, fino a giungere al cosiddetto modello fisico. Se l'ipotesi è smentita allora è rigettata ed è necessario formulare una nuova ipotesi e ripercorrere il percorso precedente.