FISICA/MENTE

 

 

CONVERSAZIONE SULLA FISICA INTORNO A NOI

Roberto Renzetti

 

 

        Deve essere deludente per un ragazzo di 15 anni scoprire che la fisica può essere noiosa. Con tutti i suoi videogiochi, i suoi apparecchi elettronici, i suoi film di fantascienza, egli si ritrova a parlare di vettori, di grafici, di statica, di cinematica e di definizioni che non gli dicono assolutamente nulla. Ma la fisica sta solo nel chiuso dei libri di testo, oppure è possibile che sia davvero un qualcosa di vivo, un qualcosa che è intorno a noi?

        Proviamo a scrivere una storia fantastica. La storia di un annoiato studente(e professore) che cerca intorno a sé quanto è scritto in modo troppo rigoroso e formale sui libri. Può darsi che qualcuno prenda a cuore la vicenda e provi a seguirla facendola diventare una storia infinita.

1. IN CUCINA

    Avete mai pensato a quanta fisica elementare si può fare in una cucina? Vediamo quali domande ci possiamo porre.

2. QUALCHE RISPOSTA NON ORDINATA

3. METTIAMO UN POCO DI ORDINE

        Intanto una premessa: con il dare dei nomi non si spiegano le cose.

        Poi una domanda. Chi legge è certo di avere osservato i fenomeni indicati nel paragrafo 1? E, se li ha osservati, si è chiesto i perché? E, se si è chiesto i perché, che risposte si è dato?

        Non sono, questi ultimi, quesiti da poco. È proprio dall' osservazione di ciò che ci circonda che nasce la fisica. Ma non basta. Occorre prima osservare. Poi tentare di capire cercando di costruirsi una immagine mentale del fenomeno, una prima rudimentale teoria. Occorre confrontare questa teoria con altri fenomeni che ci sembrano analoghi per verificare il suo funzionamento. Se le cose vanno esattamente come nel caso precedente la teoria si irrobustisce un poco.

        Se le cose vanno quasi allo stesso modo allora, forse, occorrerà un qualche perfezionamento alla teoria. Se le cose vanno in modo totalmente differente, allora dobbiamo gettar via la primitiva teoria per tentarne un' altra.

        Ma, intanto, l'esattamente, il quasi, il totalmente, come li determino?

        Se faccio cadere da un tavolo un martello ed un chiodo, quale oggetto arriva prima al suolo? Come si vede qui l'esattamente ed il quasi giocano un ruolo fondamentale. Come determino quale delle due alternative è corretta? Non c'è altro da fare che mettersi a misurare con gli strumenti più opportuni (righelli graduati ed orologi). La prima misura mi dice che hanno impiegato quasi lo stesso tempo, però il tempo che ha impiegato il chiodo è minore. Non è possibile! E allora? Non resta altro che ripetere la misura, una, due, più volte. Magari si farà poi una opportuna media, ed allora si stabilirà se il modello mentale che ci siamo fatto funziona o no.

        Ma quale teoria siamo in grado noi di farci? Non si sono limiti alla fantasia esplicativa, ciò che importa è che i successivi processi di misura confermino quello che abbiamo pensato.

        E tra due diverse teorie che spiegano la stessa cosa qual è la migliore? In prima approssimazione: quella che spiega più cose e che è più feconda di nuove idee. Fermo restando che anch'essa, fra qualche tempo, può trovarsi in gravi difficoltà.

4. FACCIAMO UN ESEMPIO

        Consideriamo proprio il chiodo ed il martello che cadono da un tavolo ed il tempo che impiegano a raggiungere il pavimento.

        Credo che nessuno abbia dubbi sul fatto che il martello arriverà a toccare il suolo in un tempo più breve. E perché? Beh, vi sono varie risposte: perché pesa di più, perché ha un maggior volume, ... Un momento, a ben pensare possiamo scartare l'ipotesi del maggior volume perché se lascio cadere una grossa scatola di cartone ed il martello, purché il martello pesi di più, sarà quest'ultimo ad arrivare prima al suolo.

        Si tratta quindi di andare a vedere se la nostra «teoria» funziona, se, cioè, gli oggetti più pesanti impiegano meno tempo a cadere da una stessa altezza.

        Quando, dopo accurate misure, ci accorgiamo che il tempo impiegato a cadere è lo stesso per il chiodo e per il martello allora, per rispetto al nostro senso comune, non resta che ipotizzare che tutti gli oggetti di ferro cadono da una stessa altezza impiegando lo stesso tempo. Riproviamo allora l'esperienza sostituendo questa volta il chiodo con un sassolino. Ora, è chiaro che sarà il martello ad arrivare prima al suolo. Di nuovo misure, di nuovo la nostra teoria non funziona: sassolino e martello impiegano lo stesso tempo. Ma come, non è possibile che tutti gli oggetti cadano da una stessa quota impiegando lo stesso tempo! Se lascio cadere una pietra ed una piuma, la piuma ne impiega di tempo! Sì ma la piuma si fa trasportare dall'aria, mentre il martello o la pietra rendono trascurabile l'effetto dell'aria. Ma allora, come facciamo a capire come stanno le cose? Se fosse possibile togliere l'aria da una stanza e lì dentro fare l'esperienza... l'idea è buona, si può pensare al modo migliore di realizzarla.

        Ma è rimasta in sospeso una questione implicita. Perché un oggetto cade?

5. LA "TEORIA DELLA CADUTA"

        Lasciamo cadere un sasso a terra.

        La caduta da cosa è originata?

        Ipotesi diverse:

a) dal peso del sasso,

b) dalla gravità;

e) dall'attrazione della Terra;

d) dall' aria che lo spinge;

e) da una sorta di attitudine del sasso a tornare presso il suo luogo naturale.

        A questo punto però sorge una complicazione: il peso cos'è? E una proprietà insita nei corpi o esiste solo quando c'è l'aria? Se chiariamo questo punto possiamo, eventualmente, mettere insieme le alternative a e d. Ma, a ben pensare, se l'aria spinge, vuol dire che pesa anche lei (o no?). E se l'aria pesa, come facciamo a mostrarlo? Siamo in difficoltà. Si potrebbe forse pensare che la Terra attira sia l'aria che il sasso (ipotesi e). Allora la terra attira tutto.

        Alcune cose no. Ad esempio i palloncini che si comprano sulla spiaggia salgono in alto, allontanandosi dalla Terra. Siamo di nuovo in difficoltà. Forse cambiando un poco l'argomento in discussione, per analogia, riusciamo a capire meglio.

        Se ci mettiamo dentro l'acqua di una piscina e lasciamo cadere un sasso esso cade lo stesso, un poco più lentamente ma cade. Se lasciamo uscire dell'aria dai nostri polmoni essa, al contrario, sale e non scende. Quindi l'aria non è attratta dalla Terra. Anzi essa sembra andarsene in cerca dell'aria che si trova al di sopra della superficie dell'acqua. L'ipotesi e, quella della attitudine degli oggetti a tornare ai loro luoghi naturali, sembra prendere forza. Vediamo se funziona sempre. Un pezzo di ferro, se lasciato, dovrebbe sempre andare verso terra. Eppure una calamità è in grado di trattenerlo. Altre difficoltà.

        Occorre mettere ordine. Studiare a fondo ogni ipotesi fatta. Inventarsi esperienze che fortifichino o falsifichino una ipotesi di lavoro. E questo è fare fisica. E questo è tentare di conoscere la natura in modo non ingenuo.

6. IL CIELO

        È di notte, è sereno e non c'è la Luna. Siamo in campagna (perché in città, la gran quantità di luce che emana da essa impedisce una visione chiara del cielo).

        Usiamo questo immenso laboratorio per scoprire un poco di fisica. Intanto: come è possibile distinguere le stelle dai pianeti del nostro sistema solare? Ci possiamo, volendo, aiutare con qualche strumento. Difficile, eh? Il telescopio ci aiuta poco perché, se non sappiamo dove andare a cercare, l'impresa diventa incredibile. Usiamo una macchina fotografica. Occorre puntarla verso il cielo con un tempo di esposizione di almeno un paio d'ore (quindi occorrerà un cavalletto per fissare la macchina).

        Facciamo una foto al cielo. Cosa vi aspettate di vedere? Chi pensa al bel cielo stellato, si sbaglia di grosso.

        Si vedranno tantissimi (tanti quanti sono le stelle) archi concentrici di circonferenza (il centro di questi archi, si presentano come linee chiare su fondo scuro, è approssimativamente la Stella Polare). Se siamo stati fortunati, o se sapevamo prima come stavano le cose, la regolarità di questi archi è interrotta da una o più linee che intersecano gli archi stessi. Queste ultime linee rappresentano le traiettorie percorse dai pianeti nelle due ore di esposizione.

        È interessante ora chiedersi il perché degli archi. Il perché dei pianeti che non descrivono archi come le stelle. Il come sia stato possibile già migliaia di anni fa scoprire le regolarità e le deviazioni dalla regolarità nel ciclo.

        Le stelle che ruotano intorno alla Terra non ci debbono stupire, in fondo siamo abituati a vedere, tutti i giorni, una stella che ci gira intorno: la nostra stella, il Sole. So già di un qualche sorriso ironico. Solo lo scrivente non si è accorto che è la Terra a girare intorno al Sole. In effetti io so che la Terra gira intorno al Sole ma, per la verità, non me ne sono mai accorto. C'è qualcuno tra i lettori che è invece in grado di dirmi se egli è assolutamente sicuro del fatto che è la Terra a girare intorno al Sole?

        Adesso dico una cosa difficile: non si è aristotelici solo perché si abbraccia la teoria aristotelica ma soprattutto perché si è legati al pregiudizio, ai dogmi a priori, al rifiuto di voler guardare e, scusate, sperimentare.

        Insomma, tutti i giorni, se dedichiamo un poco di tempo all'osservazione, possiamo vedere il Sole girarci intorno. Lo vediamo prima all'orizzonte, poi più su, poi sopra la nostra testa, poi all'orizzonte dalla parte opposta. In fondo è la stessa cosa che osserviamo per la Luna. Eppure, i saccenti, mi dicono che il Sole è fermo ed è la Terra a girare. I saccenti avranno pure ragione ma mi portino una qualche prova o dimostrazione di quanto sostengono, altrimenti ...

        D'altra parte non chiedo cose astruse, se da Copernico sono passati 450 anni.

        Voglio continuare a mostrare ai non fisici quanti pregiudizi hanno. E, in ogni caso, se io mi sbaglio, mi correggano con opportuni ragionamenti e non con un: "tutti lo sanno", o "l' ha detto...".

        La Terra neppure può girare su se stessa. Come già fu osservato vari secoli fa, immaginate che continuo vento vi sarebbe. Immaginatele nuvole correre continuamente da oriente verso occidente. Gli uccellini che, lasciato un albero per un appetitoso verme che si trova in terra, non riescono più a tornare su di esso. Le gittate dei cannoni più lunghe quando da oriente si spara verso occidente.

        Insomma è proprio impossibile pensare ad una tale rivoluzione del nostro senso comune e, soprattutto, di ciò che osserviamo.

        Se non sapete efficacemente controbattere vuol dire che ritorniamo tutti ad Aristotele. Vuol dire che gli ultimi 450 anni in termini scientifici sono serviti solo a pochi e che è proprio vero, c'è una profonda divisione tra le due culture.

        Ma c'è da dire di più: la Scuola non ha saputo funzionare. La Scuola non è stata messa in grado di funzionare.

        Le domande potrebbero diventare più difficili e le risposte più interessanti(riporto la risposta ad una mia domanda di uno studente agli esami di maturità scientifica).

IO: «Come fa il Sole ad inviarci questa enorme quantità di energia? Come fa a 'bruciare'?»

LO STUDENTE: «Si tratta di un grande pezzo di carbone acceso nello spazio» (ed io che pensavo di iniziare una conversazione, addirittura, di fisica nucleare!).

7. ALCUNE ALTRE QUESTIONI

        Perché sentiamo il profumo dei fiori a distanza? Perché, quando camminiamo sulla neve, questa, sotto le nostre orme, diventa ghiaccio? Perché la Luna, attratta dalla Terra, non vi cade sopra? Perché gli uccelli possono volare? È vero che i segni astrologici influenzano la nostra vita? Come fa l'elettricità a far accendere una lampadina? Perché toccando un oggetto di metallo abbiamo una sensazione di freddo? Perché accade l'opposto quando tocchiamo un pezzo di legno? Come può sentirsi una voce al di là di una parete? Perché, se scende la temperatura, un paio di forbici sono sempre più fredde, mentre un gatto mantiene la sua temperatura? Perché si riesce a stare in equilibrio abbastanza agevolmente quando siamo su una bicicletta in moto, mentre è difficile trovarsi in equilibrio su una bici ferma? Come fa una coperta a scaldarci?

        E si potrebbe continuare indefinitamente e sempre riferendoci a fatti che stanno costantemente sotto i nostri occhi (solo si voglia usarli in connessione con il cervello).

        Certo vi è poi un mondo sofisticatissimo di fisica avanzata ... Ma questa sì che interessa pochi specialisti ed in definitiva, a parte alcune importanti eccezioni, è giusto così. Qualche cenno: come funziona la radio, come si possono realizzare radiografie. Ancora più difficile: cos'è e come si fa un'ecografia ed una risonanza magnetico-nucleare? Per poi andare su «inverosimili» quark, gluoni o quant'altro si voglia. Di queste cose non possiamo pretendere una conoscenza approfondita (se non siamo tecnici della materia). Però una qualche conoscenza delle applicazioni della medicina ... dei costi sociali (che conviene fare in termini di investimenti?) Una conoscenza degli effetti delle radiazioni, del come funziona una centrale nucleare, degli effetti di una esplosione nucleare, di cos'è, ad esempio, un gas nervino, ... ecco, qualcosa di questo occorre conoscere. Anche qui, per sapere quanto occorre investire. Dove investire. Dove smettere di lavorare (qui si apprende bene anche il significato di «utopia»). Per scegliere coscientemente e non emotivamente in referendum sul nucleare.

        Ma delle cose intorno a noi qualcosa occorre pur sapere!

        Una indagine su un importante campione è stata recentemente condotta in Portogallo. Il risultato è che l'interruttore è il responsabile dell'accendersi della lampadina (senza nessun riferimento ad un qualunque generatore). Per non parlare d'altro.

8. È URGENTE ORDINARE LE COSE

        Le varie domande che abbiamo posto potrebbero metterci in un qualche imbarazzo e, forse, farci rinunciare a capire e quindi a rispondere.

        Le cose sono semplici a patto di trovare un modo, un metodo per ordinarle, misurarle, metterle, in relazione, interpretarle. Non è detto che si riesca a far tutto (anzi,...), occorre però mettersi al lavoro in una qualche direzione. Per capire meglio forse è necessario che dica subito che è del tutto inutile che io dia delle risposte alle domande suddette. Il tutto risulterebbe una elencazione sterile di dati che forse accontenterebbe qualcuno ma certamente non metterebbe in grado nessuno di risolvere un nuovo problema.

        Ad esempio questo: dov'è l'errore quando si parla di 'Sindrome Cinese'? (nel caso di fusione del nocciolo in una centrale nucleare, la temperatura salirebbe tanto da fondere i materiali che si trovano al di sotto del nocciolo stesso. Questa fusione farebbe via via sprofondare parti della, centrale dentro la Terra fino a farle fuoriuscire agli antipodi e, dato che la frase è nata negli USA, gli antipodi del caso sono in Cina).

        Vi assicuro che tutte le spiegazioni che precedentemente avrei potuto dare, molto difficilmente avrebbero aiutato alla comprensione dell' errore (o no?) che c' è nell' ipotesi suddetta.

        Il problema è che tutti noi abbiamo limitate risorse di memoria e non possiamo in alcun modo diventare delle enciclopedie ambulanti. Ma anche realizzassimo questa situazione, il problema continuerebbe a restare: come mettere in relazione una nozione con un' altra affinché sia feconda di nuove idee e considerazioni, affinché ci faccia poi costruire una enciclopedia più grande?

        Si tratta di mettere d'accordo due cose: da una parte il fatto che, necessariamente, si deve passare attraverso l'acquisizione di alcune nozioni; dall'altra l'evidente impossibilità di apprendere tutte le nozioni che ben si coniuga con la conseguente necessità di imparare ad imparare.

9 CHE SENSO HA STUDIARE FISICA A SCUOLA ?

        Mi rispondo in modo ovvio: è importantissimo, purché si faccia bene.

        Siamo da capo: che vuol dire fare bene fisica?

        Un tentativo di risposta ho già tentato di abbozzarlo alla fine del paragrafo precedente. Occorre però, qui si, essere più chiari.

        Le ' spiegazioni' del mondo che ci circonda sono purtroppo sempre accompagnate da una grossa quantità di elementi metafisici, magici primitivi e superstiziosi. Abbondano i preconcetti. Si ha poca disponibilità a dialogare, a cambiare cioè giudizio, almeno a sospenderlo. Ognuno vuole certezze. Ognuno ha curiosità ma non interessi. Si è pigri e cercare di capire è faticoso. Occorre spesso mettersi a tavolino a ragionare, il più delle volte ad operare con carta e penna (molte volte non bastando neppure ciò).

        Intanto si può avanzare una ipotesi: la Scuola ci fa uscire dal mondo della magia e della superstizione per tentare un approccio razionale con il mondo circostante. E non è che nel far questo ci si presenti una realtà disincantata, nuda, piena di certezze e, per questo, arida, priva di fantasia. È proprio il conoscere e l'uscire dalla superstizione che ci pone nuovi e più articolati dubbi che ci sfida a proseguire su strade che sono come i sentieri incantati delle nostre fiabe. Ed il linguaggio della matematica che ci accompagna è armonioso, pieno di significati, sintetico ed essenziale ma pur sempre esplicativo e mai ridondante. È un linguaggio che, per chi vuole leggerlo, non ha nulla da invidiare a Montale o Kerouac. E la storia che c'è dietro, storia bandita dai nostri testi ha un valore formativo non inferiore alla nostra storia civile. È però doveroso dire che per entrare in questo mondo occorre trasformare curiosità in interessi, occorre lavorare ed imparare a faticare per poi provare piacere nel farlo.

        E poi viene la materia specifica, la fisica, i suoi contenuti.

        Come la affrontiamo? Il modo problematico è, a mio avviso il migliore.

        Partire da un problema; studiarlo in tutte le sue articolazioni; formalizzarlo, fare ipotesi, le più diverse, e tentarne la verifica sperimentale; costruire quindi un modello dentro cui tentare l'inserimento di altri fenomeni; ampliare o distruggere il modello a seconda dei risultati delle indagini precedenti. In questo modo di operare sono i ragazzi che diventano artefici delle cose che si vanno costruendo. E non si va qui alla ricerca di teorie già scritte sui libri. Si tenta un approccio, induttivo e non definitivo, ad un numero limitato di conoscenze.

        Come generalmente la si affronta? Poiché il nostro mondo occidentale pone il tempo tra i capisaldi della società ('il tempo è denaro' ), occorre essere efficienti e, contemporaneamente, occorre non avere una preparazione troppo rigida (in una civiltà tecnologica in cosi rapido sviluppo, le conoscenze diventano rapidamente obsolete ed occorre essere in grado di 'riciclarsi' ). Ecco allora che particolarmente le discipline scientifiche debbono venir sistemate in assiomi, in ricette addirittura di cibi precucinati. Vi sono dei programmi. Vi è un ordine di propedeuticità. Vi sono alcune nozioni che occorre imparare.

        Tutto ciò che è previsto dai programmi è impossibile farlo nel modo problematico cui accennavo. Occorre allora tentare una via intermedia che si accorda anche bene con le età mentali dei ragazzi.

        Il primo approccio (in una prima liceo scientifico) potrebbe essere completamente di tipo problematico. Si parte da piccole questioni. Si lavora in gruppo. Si imparano ad usare svariati strumenti (cronometro, metro, termometro, tester, ...) anche come scatole chiuse. Poi (a partire dalla seconda liceo) si sistematizzano alcune delle cose viste precedentemente. Si spinge sempre più la formalizzazione; da un certo punto è interessante vedere a quali conclusioni portano degli sviluppi meramente formali; si può, quindi, controllare la fecondità di un dato modello; insomma si spinge sempre più la parte teorica a scapito (il tempo per la fisica è invariante rispetto ai progressi scientifici, tecnologici ed epistemologici) del laboratorio.

        Qualche nozione si perde nel lavorare cosi (ed io dico: benvenuta qualche perdita come, ad esempio, le macchine semplici, la meccanica dei fluidi, l'acustica, l'ottica geometrica, ...). Ma si acquista un mondo.

        Se si è imparato il modo (o uno dei modi) di affrontare una questione di fisica, se abbiamo appreso a semplificare i complessi problemi reali nel processo di separazione delle variabili, se abbiamo appreso ad intendere gli strumenti come estensori dei nostri sensi (non conviene mettere un dito in una presa di corrente per vedere se c'è tensione, basta un tester), se siamo poi capaci di ricomporre il problema che abbiamo studiato a variabili separate, se siamo capaci di formulare ipotesi (o di avere l'agilità mentale di rigettarle qualora non funzionino), a costruire modelli, a verificarne la loro fecondità, a superare questo primo modello quando non risponde più alla spiegazione di tutti i fenomeni di cui siamo a conoscenza, quando abbiamo appreso a formalizzare, a leggere grafici, a renderci conto degli ordini di grandezza, a riconoscere ciò che varia da ciò che resta costante, a .. .allora, siamo in grado di studiare un nuovo problema, questa volta da soli. Certamente con fatica ma altrettanto certamente con infinita soddisfazione. Siamo noi che ci costruiamo il nostro sapere, siamo in grado di capire come e dove cercare le cose, come farci una bibliografia, quali libri sono importanti, quali no, quali in certe loro parti, a leggere in tre secondi una pagina che capiamo subito non interessarci, a leggere per svariati giorni un'altra pagina che è fondamentale capire fino infondo.

        Insomma, particolarmente un liceo, non è scuola professionalizzante. Deve preparare ragazzi che faranno i medici, gli ingegneri o gli impiegati. Ed è importante che questa gente sappia fare bene il proprio lavoro. La fisica potrà dare una mano se sarà in grado di dare, a chiunque, una delle possibili chiavi di lettura della realtà che ci circonda, di insegnare ad essere umili e, insieme, metodicamente testardi.

        ' Tutta ' la fisica è opera da professionisti (e neanche loro conoscono l'intera materia se è vero, come io ho sperimentato, che un fisico che si occupa di particelle elementari non è in grado di dialogare in modo competente ed approfondito con uno che si occupa di struttura della materia —e viceversa—), non è problema che ci deve riguardare.

10. UNA ULTIMA PRECISAZIONE

        Soprattutto nelle prime pagine di questo scritto ho usato spesso la parola 'perché', parola magica di uso diffusissimo e che comunemente si usa anche per porre le questioni in oggetto. Vorrei solo avvertire che la fisica tenta di capire come è fatto il mondo che ci circonda e non perché è fatto così. Quindi rassegniamoci ai come lasciando i perché alla metafisica.

 


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