Newton e la rivoluzione scientifica

Woolsthorpe Manor, il luogo di nascita di Newton

Isaac Newton nasce a Woolsthorpe, in Inghilterra, nel 1642.

Considerato uno dei padri fondatori della fisica moderna, comincia i propri studi al Trinity College di Cambridge nel 1661 dove segue in maniera non continuativa le lezioni prediligendo lo studio individuale.

Nel 1665 l’occasione di coltivare autonomamente letture ed esperimenti si presenta con la chiusura del Trinity College in seguito ad una grave epidemia di peste.

Il 1666 è l'annus mirabilis per Newton, l’anno più importante della sua vita durante il quale ha l’intuizione della gravitazione universale.

Negli anni successivi diviene professore di Matematica e membro della Royal Society di Londra; lavora intensamente alle sue teorie e nel 1687 pubblica la sua più importante e famosa opera, i Philosophiae naturalis principia mathematica (Principi matematici di filosofia naturale).

Isaac Newton,
ritratto di Sir Godfrey Kneller
(1689)

Il secolo che lo vede affermarsi come il più importante filosofo naturale (è questo il termine dell’epoca, solo nell’Ottocento comparirà il termine “scienziato”) è caratterizzato da un sempre maggiore interesse per la matematica e la fisica che divengono campi d’indagine preferenziali.

L’astronomia compie enormi passi avanti rispetto alle concezioni precedenti grazie alle scoperte compiute nei primi decenni del 1600 da Galilei e Keplero e si costituisce ed afferma un nuovo metodo di indagine: il metodo scientifico.

In questo contesto, l’apporto di Newton è fondamentale sia perché rinnova profondamente le teorie dell’epoca sia perché aprirà la via alle ricerche future. Infine la statura di questo pensatore è confermata anche dall’ampio numero di scritti dedicati all’alchimia, all’esegesi biblica e alla filosofia; discipline che Newton coltivava con grande interesse e che testimoniano una sorta di passaggio di consegne fra l’epoca precedente in cui la scienza era intrisa di conoscenze magiche (emblematicamente rappresentata da Giordano Bruno) e una nuova epoca, quella della Rivoluzione Scientifica, in cui la sperimentazione costituisce il nucleo della ricerca scientifica.

I SISTEMI DEL MONDO

La descrizione dell’universo accettata a partire dal II secolo d.C. è quella dell’astronomo alessandrino Tolomeo.

Secondo il sistema tolemaico la Terra è ferma al centro dell’universo e intorno a essa ruotano, su sfere concentriche e a distanze crescenti, la Luna, Mercurio, Venere, il Sole, Marte, Giove, Saturno, fino ad arrivare all’ultimo cielo delle “stelle fisse”.

Questa idea per spiegare i moti degli astri rimase pressoché inalterata nel corso dei secoli fino a quando verso la metà del XVI, avvenne la cosiddetta “rivoluzione copernicana”.

Il sistema proposto nel 1543 dall’astronomo polacco Niccolò Copernico ipotizzava che la Terra e gli altri pianeti del sistema solare orbitassero attorno al Sole percorrendo traiettorie circolari su piani diversi.

In questo modo, il moto apparente degli astri veniva completamente spiegato con il moto di rotazione terrestre da ovest verso est.

La proposta del sistema copernicano, che trovò in Galileo il più importante sostenitore, costituì uno stimolo per lo studio dell’astronomia e della matematica e gettò le basi per le ricerche dell’astronomo tedesco Giovanni Keplero e di Isaac Newton.

NEWTON E IL METODO

L’apporto di Newton alla scienza moderna deve essere valutato sia sul piano delle scoperte, sia su quello del processo di ricerca stesso. Egli elabora infatti un metodo composto di quattro concise regole, attraverso cui condurre l’indagine scientifica.

Queste regole prescrivono:
1) la semplicità delle spiegazioni scientifiche, che non devono accogliere argomenti superflui, poiché la natura stessa è semplice;
2) la corrispondenza rigorosa fra cause ed effetti, poiché la natura è uniforme;
3) la validità di certe proprietà per tutti i corpi, giacché le leggi di natura sono universali;
4) la sperimentazione, l’effettuazione di prove, come elemento imprescindibile della ricerca, da cui si ricavano risultati veri fino al sopraggiungere di una prova contraria.

Queste regole sono inoltre applicate secondo un criterio che distingue la ricerca in due momenti progressivi: quello analitico (risalire dagli effetti alle cause); quello sintetico (procedere dalle cause rintracciate ai fenomeni derivanti).
L’intero metodo sembra dunque rispondere al motto di Newton «Hypoteses non fingo» (non fingo ipotesi), vale a dire che la ricerca scientifica deve cominciare dall’osservazione e dalla sperimentazione prima ancora che dalla formulazione di ipotesi non verificate.

I Philosophiae Naturalis Principia Mathematica possono essere considerati l'opera più significativa di Newton, un testo che segna la nascita della fisica moderna oltre che per il valore delle teorie formulate anche per il chiaro metodo di esposizione.

L’impostazione di Newton rompe con la tradizione fisica dell’epoca caratterizzata da spiegazioni meccanicistiche, che negavano l’esistenza del vuoto che ammettevano il movimento solo attraverso il contatto fra corpi. Newton, all’intero dei Principia, dimostra che la fisica cartesiana è inconciliabile con le teorie e con i risultati sperimentali ricavati dalle osservazioni astronomiche; dà prova quindi che la sua forza di gravitazione universale si trasmette nel vuoto agendo a distanza e che i pianeti non sono spinti dai vortici, come invece sosteneva Cartesio.
La teoria della gravitazione afferma infatti che due corpi nell’universo si attraggono con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle due masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa, ossia fornisce una spiegazione dei movimenti dei pianeti sulla base di una forza invisibile (l’attrazione gravitazionale).
Per questo motivo, i detrattori di Newton incapaci di emanciparsi dalle spiegazioni meccanicistiche, lo accuseranno di aver reintrodotto le “cause occulte” nella fisica, perché la gravitazione universale non presuppone l’urto fra enti materiali.

LE LEGGI DELLA DINAMICA

Oltre alla formulazione della legge di gravitazione universale, Newton scopre i principi della dinamica, la cui validità è ancor oggi accettata con alcune integrazioni:
- Prima legge, (principio di inerzia). Ogni corpo persevera nello stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, a condizione che non intervengano forze che ne modificano lo stato.
- Seconda legge. L’accelerazione di un corpo è proporzionale alla forza che agisce su di esso e inversamente proporzionale alla sua massa.
- Terza legge (principio di azione e reazione). Quando un corpo esercita una forza su un secondo corpo, quest’ultimo reagisce con una forza uguale e contraria applicata al primo.

UNIRE IL CIELO E LA TERRA

L’aspetto ulteriormente innovativo delle scoperte di Newton consiste nell’aver armonizzato la fìsica galileiana e l’astronomia di Keplero.

Riconducendo infatti ad una unica causa e spiegazione sia le leggi sul moto dei pianeti sia quella della caduta dei gravi, Newton dimostra come un unico ordine governi tanto la realtà celeste quanto quella terrestre.

La Formula della gravitazione universale

La legge di gravitazione universale è infatti in grado di spiegare sia ciò che avviene nell’universo (ad esempio il fatto che la Luna non precipiti sulla Terra), sia ciò che avviene nel mondo terrestre (la caduta di una mela da un albero).
Per queste ragioni, si assiste ad un’ulteriore frattura con la fìsica di matrice aristotelica che considerava separatamente i corpi celesti e quelli terrestri.
Si riteneva infatti che i primi, in quanto perfetti, dovessero seguire il moto circolare (dove inizio e fine, partenza ed arrivo non sono distinguibili); e che i secondi invece, dovessero procedere per moto rettilineo (dove al contrario vi è un inizio e un arrivo distinguibile e quindi un imperfetto passaggio dalla potenza all’atto).
Tutto ciò viene integralmente messo in discussione con le scoperte di Newton, che inaugurano una via completamente innovativa per pensare la fisica dell’universo.

AFORISMI

«La verità si ritrova sempre nella semplicità mai nella confusione».
«Posso misurare il moto dei corpi, ma non l’umana follia».
«Non credo che l’universo si possa spiegare solo con cause naturali, e sono costretto a imputarlo alla saggezza e all’ingegnosità di un essere intelligente».
«La cieca necessità metafìsica, certamente la stessa sempre e dovunque, non potrebbe produrre la varietà delle cose. Tutta quella diversità delle cose nella natura, che troviamo adatte a tempi e luoghi differenti non può derivare da altro che dalle idee e dalla volontà di un Essere che esiste necessariamente».
«Come in matematica, così nella filosofia naturale lo studio delle cose diffìcili mediante il metodo analitico deve sempre precedere quello condotto con il metodo sintetico. Questa analisi consiste nel fare esperimenti ed osservazioni e trarre da questi, mediante l’induzione, conclusioni generali, non ammettendo contro di esse delle obiezioni, a meno che non siano derivate da esperimenti o da altre verità certe. Perché nella filosofia sperimentale non bisogna tener conto delle ipotesi».
«Regola I. Degli eventi naturali non si devono ammettere cause più numerose di quelle che sono vere e sono sufficienti a spiegare i fenomeni. La natura infatti è semplice e non sovrabbonda di cause superflue».
«Regola II. Perciò, nella misura in cui può essere fatto, ad effetti naturali dello stesso genere devono essere attribuite le stesse cause. Come alla respirazione
nell'uomo e nelle bestie, alla caduta di pietre in Europa e in America, alla riflessione della luce sulla Terra e sui pianeti».
«Regola III. Le qualità dei corpi che non possono essere aumentate né diminuite, e quelle che appartengono a tutti i corpi sui quali e possibile svolgere esperimenti, devono essere ritenute qualità di tutti i corpi».
«Regola IV. Nella filosofia sperimentale le proposizioni ricavate per induzione dai fenomeni, malgrado le ipotesi contrarie, devono essere considerate vere o rigorosamente o quanto più possibile, fino a che non si presentino altri fenomeni mediante i quali o sono rese più rigorose o fatte suscettibili di eccezioni».