Fisica

Da **Angelodiluce** Mar Apr 20, 2010 5:32 am

La fisica (dal neutro plurale latino physica, a sua volta derivante dal greco τὰ φυσικὰ [tà physikà], ovvero "le cose naturali", da φύσις [physis], "natura") è la scienza della Natura nel senso più ampio. Scopo della fisica è lo studio dei fenomeni naturali, ossia di tutti gli eventi che possano essere descritti tramite grandezze fisiche, al fine di stabilire le leggi che regolano le interazioni tra le grandezze stesse e rendano conto delle loro reciproche variazioni. Quest'obiettivo è talvolta raggiunto attraverso la fornitura di uno schema semplificato, o modello, del fenomeno descritto^.
Originariamente una branca della filosofia, la Fisica è stata chiamata almeno fino al XVIII secolo filosofia naturale^,solo 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.
L'indagine fisica viene condotta seguendo il metodo scientifico, anche noto come metodo sperimentale: all'osservazione dei fenomeni segue la 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 che faccia uso di principi che permettano di spiegare il maggior numero possibile di fenomeni, questo processo permette anche di prevedere nuove fenomeni che possono essere scoperti sperimentalmente. Le leggi e le teorie fisiche, come tutte le leggi scientifiche, sono sempre provvisorie, nel senso che sono considerate vere solo finché non vengono confutate, ossia 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. Infine, ogni teoria può essere sostituita da una nuova che permetta di predire gli stessi fenomeni, ma con una accuratezza superiore o in un contesto di validità più ampio.
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 ed 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 misure^.I fisici studiano quindi in generale il comportamento e le interazioni della materia attraverso lo spazio e il tempo.

Il metodo scientifico

Il metodo scientifico è la modalità tipica con cui la scienza procede per raggiungere una conoscenza della realtà oggettiva, affidabile, verificabile e condivisibile. 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 è stato 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 che fosse necessaria una verifica sperimentale delle teorie stesse che venivano 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 che debbano essere messe alla prova tramite esperimenti:

« [...] sempre se ne sta su conclusioni naturali, attenenti a i moti celesti, trattate con astronomiche e geometriche dimostrazioni, fondate prima sopra sensate esperienze ed accuratissime osservazioni. [...]. Stante, dunque, ciò, mi par che nelle dispute di problemi naturali non si dovrebbe cominciare dalle autorità di luoghi delle Scritture, ma dalle sensate esperienze e dalle dimostrazioni necessarie »

(Galileo Galilei, Lettera a madama Cristina di Lorena granduchessa di Toscana)

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 delle grandezze fisiche, ossia delle proprietà di un corpo che siano misurabili^.
Elaborazione di un'ipotesi esplicativa e formulazione di una previsione da verificare che segua l'ipotesi elaborata. L'ipotesi viene solitamente formulata semplificando la situazione reale in modo tale da individuare delle relazioni tra le grandezze semplici da verificare, queste sono 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 ripetizioni 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 viene svolto 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, essa è ulteriormente sviluppabile attraverso:

Elaborazione di un modello matematico
Unificazione di leggi simile 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"^. Le diverse istanze saranno certamente diverse l’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 condizioni^, 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 ad ognuna di esse, fino a giungere al cosiddetto modello fisico.
Se l'ipotesi è smentita allora essa viene rigettata ed è necessario formulare una nuova ipotesi e ripercorrere il percorso precedente.
Il ciclo conoscitivo proprio del metodo scientifico è di tipo induttivo: un procedimento che partendo da singoli casi particolari cerca di stabilire una legge universale. Nella prima metà del XX secolo, il filosofo e logico inglese Bertrand Russell e il filosofo austriaco Karl Popper sollevarono delle obiezioni riguardo al metodo dell'induzione. L'induzione non ha consistenza logica perché non si può formulare una legge universale sulla base di singoli casi; ad esempio, l'osservazione di uno o più cigni dal colore bianco non autorizza a dire che tutti i cigni sono bianchi; esistono infatti anche dei cigni di colore nero. Popper osservò che nella scienza non basta "osservare": bisogna saper anche cosa osservare. L'osservazione non è mai neutra ma è sempre intrisa di teoria, di quella teoria che, appunto, si vorrebbe mettere alla prova. Secondo Popper, la teoria precede sempre l'osservazione: anche in ogni approccio presunto "empirico", la mente umana tende inconsciamente a sovrapporre i propri schemi mentali, con le proprie categorizzazioni, alla realtà osservata.
Il metodo sperimentale non garantisce quindi che una legge fisica possa essere verificata in modo definitivo, ma si può limitare solamente a fornire la prova della falsità di un'ipotesi.

« Nessuna quantità di esperimenti potrà dimostrare che ho ragione; un unico esperimento potrà dimostrare che ho sbagliato. »

Misure

La misura è il processo che permette di conoscere una qualità di un determinato oggetto (ad esempio la lunghezza o la massa) dal punto di vista quantitativo, tramite un'unità di misura, cioè una grandezza standard che, presa N volte, associ un valore univoco alla qualità da misurare. La branca della fisica che si occupa della misurazione delle grandezze fisiche è chiamata metrologia. Il suo scopo è quello di definire alcune grandezze fisiche indipendenti, dette fondamentali, dalle quali è possibile ricavare tutte le altre (che sono dette derivate), di definire i corretti metodi di misurazione e di costruire i campioni delle unità di misura adottate, in modo da avere un valore standard a cui fare riferimento in qualsiasi momento.
Il sistema di unità di misura universalmente accettato dai fisici è il Sistema Internazionale (SI): esso è basato su sette grandezze fondamentali, dalle quali derivano tutte le altre, ovvero:

il metro (m), per le misure di lunghezza;
il secondo (s), per gli intervalli di tempo;
il chilogrammo (kg), per le misure della massa;
l'ampere (A), per le intensità di corrente;
il kelvin (K), per le misure di temperatura;
la mole (mol), per la quantità di sostanza;
la candela (cd), per l'intensità luminosa.

Questo sistema di misurazione deriva direttamente dal sistema MKS, il quale ha come grandezze fondamentali solamente il metro, il secondo e il chilogrammo ed è stato sostituito con il sistema attuale poiché non sono considerati anche i fenomeni termodinamici, elettromagnetici e fotometrici
Altri sistemi usati in passato sono stati il sistema CGS, in cui le unità fondamentali sono il centimetro, il grammo e il secondo e il Sistema imperiale britannico (o anglosassone). Inoltre negli USA si utilizza attualmente il Sistema consuetudinario statunitense, derivato dal Sistema imperiale britan