Storia della fisica

La parola fisica (dal grecophysis = natura), come indica la sua etimologia greca, designa, in principio, la scienza della natura, una scienza che gli autori latini chiamarono filosofia naturale, poiché in principio il suo oggetto era lo studio e la spiegazione dei fenomeni presentati da tutti i corpi diffusi nell’universo. Nell’infanzia delle scienze, questo nome era sufficiente, poiché tutti i rami che componevano la filosofia naturale, come l’astronomia, la meccanica, ecc. Ma a poco a poco, man mano che i fatti traboccavano i quadri, fummo obbligati a separare questi vari rami e a fare una scienza di ciascuno di essi. Presentiamo qui una tabella del corso che la fisica generale ha seguito dai tempi più remoti fino alle soglie dell’era contemporanea.

Tempi antichi

La prima osservazione risale a Talete di Mileto (circa 600 a.C.). Questo studioso ha notato l’attrazione che l’ambra, strofinata su corpi leggeri. Pitagora e i suoi discepoli avevano già una certa conoscenza dell’acustica. Aristotele ha elaborato teorie originali sull’arcobaleno, le corone, gli aloni lunari e solari, la rugiada e l’aurora boreale. Il suo contemporaneo Archytas inventò la vite e la puleggia; nel III secolo a.C., Archimede fondò la statica e l’idrostatica, e ideò la muffola, la vite senza fine, e l’areometro o righello-pesatore, talvolta attribuito a Ipazia. Ctesibios ha costruito organi idraulici, una pompa di aspirazione e una clepsydra. Il suo allievo Heron di Alessandria fu il primo a utilizzare il vapore come forza motrice. Infine, nella sua Ottica, il famoso astronomo Tolomeo (128-168) abbracciò tutti i fenomeni luminosi conosciuti dai greci.

Poi venne un lungo periodo di declino, portato a termine dalle opere di Geber, Albateginus, Alhazen e altri commentatori arabi. L’Occidente latino vide presto la nascita di fisici. L’alvernese Gerberto, che divenne papa con il nome di Silvestro II (999), coltivò con successo le scienze fisiche, di cui Alberto il Grande e Ruggero Bacone divennero ardenti divulgatori nel XIII secolo. Intorno a questo periodo, furono introdotte due importanti invenzioni: gli specchi inscatolati, menzionati per la prima volta da Vincent de Beauvais, e gli occhiali da naso o besicle, che sono probabilmente dovuti al fiorentino Salvino degli Armati, morto nel 1317.

All’inizio del XIV secolo, l’uso della bussola si diffuse grazie a Flavio Gioja di Amalfi. Il XV secolo non ha prodotto quasi nulla in fisica. Leonardo da Vinci, invece, scoprì la capillarità e studiò l’attrito.

Nel XVI secolo furono sviluppati la gravità, l’ottica e il magnetismo. Il medico Fracastoro indicò la legge della composizione delle forze (1538), Cardan si concentrò sull’applicazione della matematica alla fisica, Stevin formulò le proposizioni fondamentali dell’idrostatica; Benedetti realizzò la forza centrifuga, Maurolycus cercò di spiegare l’azione del cristallino con gli effetti delle lenti di vetro, Jansen inventò il primo telescopio (1590); Robert Norman indicò l’inclinazione magnetica e W. Gilbert scrisse il suo libro De magnete (1600), che contiene i primi esperimenti scientifici su elettricità e magnetismo. Per quanto riguarda Tycho Brahe e Keplero, la brillantezza delle loro scoperte astronomiche ha fatto dimenticare i loro lavori di ottica.

Il XVII secolo

Con Galileo, la fisica moderna si è solidificata. Gli dobbiamo in particolare una concezione rigorosa dell’inerzia della materia, il principio delle velocità virtuali, le leggi della caduta dei corpi, del pendolo, del movimento dei proiettili; pose anche le basi dell’idrodinamica, e perfezionò il telescopio astronomico, che Lippershey aveva appena realizzato. Anche Galileo inventò il termometro, ma fu Hooke a porre lo zero al punto di fusione del ghiaccio, Halley a indicare la fissità dell’acqua bollente, e Renaldini a costruire un termometro i cui gradi rappresentavano aumenti uguali di calore. Cartesio stabilì definitivamente le leggi della rifrazione e la teoria dell’arcobaleno nel suo diottrico, poi Torricelli costruì il barometro, che Pascal usò poco dopo per misurare le altezze. Le ricerche di quest’ultimo sull’idrostatica lo portarono a concepire la sua pressa idraulica.

In questo stesso periodo, l’accademia del Cimento, fondata a Firenze da Leopoldo de Medici (1657), contribuì potentemente al progresso dei vari rami della fisica, e Newton, con l’aiuto dell’attrazione universale, svelò l’enigma dei movimenti planetari; rinnovò l’ottica (scomposizione della luce in colori elementari, anelli colorati, telescopio a specchio, ecc.) Bartholin scoprì la doppia rifrazione del longherone islandese e Grimaldi la diffrazione (1665); Roemer misurò la velocità della luce, Huygens costruì la teoria delle ondulazioni, che doveva sostituire l’ipotesi newtoniana dell’emissione. Mariotte ha trovato la legge della variazione del volume di un gas sotto l’influenza di una pressione esterna. Mentre Otto de Guericke inventava la macchina pneumatica, presto perfezionata da Boyle, Amontons costruiva un igroscopio, Hooke immaginava l’anemometro, Wren e Wallis enunciavano le leggi dell’urto, Papin costruiva, oltre alla sua autoclave, il primo progetto della macchina a vapore, che Worcester, Savery, Newcomen resero pratico.

Il 18° secolo

Meno brillante dell’epoca precedente, il XVIII secolo non fu comunque sterile per la fisica. L’acustica si fonda su basi solide: Sauveur abbozza la teoria delle corde vibranti, che sarà successivamente perfezionata dai matematici Taylor, Daniel Bernoulli, Eulero e d’Alembert. Dufay osservò attrazioni e repulsioni elettriche, che Coulomb più tardi misurò con la sua bilancia di torsione; Musschenbroek inventò la bottiglia di Leyda (1746); Franklin dimostrò l’analogia tra il fulmine e il fluido elettrico (1752); Galvani notò le azioni che il contatto di due metalli provocava tra i nervi e i muscoli di una rana, e questo esperimento portò Volta alla scoperta della batteria (1800), che fu l’origine dell’elettricità dinamica.

Con Black, Wilke, Lavoisier e Laplace, fu introdotta la nozione di calore specifico e nacque la calorimetria. I fratelli Montgolfier riescono a lanciare in aria un aerostato, e presto. Pilâtre de Rozier fece la prima ascensione in un pallone (1783).

Dollond realizzò l’acromatismo delle lenti. Bouguer ha creato la fotometria, Lieberkükn, da Berlino, ha costruito il microscopio solare e ‘s Gravesande, l’eliostato.

Il XIX secolo

Durante il XIX secolo, il campo della fisica si espanse considerevolmente. Nuove scoperte modificarono le idee precedentemente accettate, ma nonostante ciò, tutti i fatti osservati furono coordinati, le leggi furono chiarite, le teorie furono generalizzate e le applicazioni si moltiplicarono.

L’acustica è metodicamente arricchita. Chladni osservò le piastre vibranti; Colladon, Sturm, Regnault, Violle e Vautier determinarono la velocità del suono; Cagniard de La Tour e Seebeck immaginarono le sirene; Edison registrò e riprodusse la voce umana con il fonografo, mentre Hughes percepì i rumori più deboli con il microfono. Lissajous ha studiato otticamente gli intervalli musicali. Helmholtz e Koenig hanno analizzato le vibrazioni complesse per mezzo di risonatori.

Sadi Carnot, enunciando le relazioni tra calore e lavoro (1824), pose le basi di un nuovo edificio, la termodinamica, che Kelvin, Mayer, Clausius, Joule, Hirn e G. Lippmann contribuirono a costruire solidamente. Lippmann ha contribuito a costruirlo solidamente.

Dopo le ricerche di Despretz, Pouillet, Dulong, Petit e Faraday, si vide che la legge di Mariotte era solo approssimativa, e poi, nel 1877, Cailletet e Pictet liquefecero i gas, che allora erano considerati permanenti. James Dewar ha addirittura solidificato l’idrogeno.

Il ritorno delle concezioni atomistiche.
Fino a Cartesio e Newton, la teoria atomica era poco più di un concetto filosofico molto elementare. Daniel Bernoulli fece il primo passo verso una concezione scientifica spiegando (1738) la legge di Mariotte attraverso i movimenti molecolari. All’inizio del XIX secolo, con Dalton, Gay-Lussac, Avogadro e Ampère, l’atomismo prese possesso della chimica, e uno dei principali compiti dei chimici fu quello di determinare la struttura delle combinazioni chimiche. In fisica, la teoria meccanica del calore portò a un grande sviluppo dell’atomismo; la teoria molecolare dei gas (Joule, Clausius, Maxwell, Van der Waals, Boltzmann, Gibbs) divenne una delle parti più vive della fisica teorica. Più tardi, la teoria della soluzione di Van’t Hoff (1885) e la teoria degli ioni di Arrhenius (1887) estesero le idee fondamentali dell’atomismo alle sostanze dissolte e agli elettroliti. A partire dal 1895, lo studio dei raggi catodici, la scoperta dei raggi X e la radioattività portarono ad una nuova e potente fioritura di idee atomistiche, che diedero alla conoscenza della materia una precisione prima sconosciuta.

Lo studio della materia a spessori molto bassi e in soluzioni molto diluite ha fornito una prima serie di prove dirette della struttura granulare della materia e ha portato a una prima approssimazione molto approssimativa delle quantità molecolari. Risultati più precisi furono ottenuti dallo studio del moto browniano (scoperto dal botanico R. Brown nel 1827), che agita costantemente piccole particelle (0,001 mm.) sospese in un liquido.

La fisica molecolare si sviluppa, grazie alle nuove nozioni che si introducono nella scienza e ai fenomeni curiosi che si scoprono: osmosi (Dutrochet, Dubrunfaut, Graham, Van’t Hoff); leggi di elasticità (Wertheim, de Saint-Venant, Tresca, Warburg); esperimenti e teorie sulla capillarità (Laplace, Plateau, Van der Mensbrughhe); punto critico (Andrews e Van der Waals); tonometria, crioscopia (Raoult); ipotesi sulla materia radiante (Crookes); costituzione di leghe (Le Chatelier, Behrens, Roberts-Austen, Osmond); rigidità dei liquidi (Schwedoff), ecc.

Luce ed elettromagnetismo.
Fizeau, Foucault e Cornu misurano la velocità della luce con metodi terrestri. Malus ha scoperto la polarizzazione per riflessione. Fresnel si è immortalato moltiplicando gli esperimenti e i calcoli per stabilire la teoria delle ondulazioni; i suoi successori Biot, Arago, Hamilton, Brewster, Pasteur hanno gradualmente ampliato il campo dell’ottica fisica. Fraunhofer osservò le linee dello spettro solare; Bunsen e Kirchhoff crearono il fruttuoso metodo di analisi spettrale. Wollaston e Ed. Becquerel rilevarono la radiazione ultravioletta, mentre Fizeau (1847) e H. Rubens (1894-1901) concentrarono la loro attenzione sulla parte infrarossa dello spettro. Ricordiamo anche alcune importanti applicazioni dell’ottica che il XIX secolo ha visto nascere; prima di tutto la fotografia, grazie alla collaborazione di Niepce e Daguerre (1839); poi la riproduzione degli oggetti con i loro colori naturali (Lippmann, 1891) e quella dei personaggi con la successione dei loro movimenti tramite il cinematografo dei fratelli Lumière. Grazie ai raggi X, Roentgen fu in grado di fotografare l’invisibile (1895).

Carlisle e Nicholson decomposero l’acqua con la pila (1801); Davy isolò il potassio e il sodio (1807). Poi, successivamente, molti ricercatori si misero a perfezionare o modificare l’invenzione di Volta (batterie di Zamboni, Daniell, Grove e Bunsen, accumulatore di Planté, ecc.); Wollaston dimostrò l’identità dell’elettricità statica e dinamica; Œrsted osservò la deviazione di un ago magnetizzato da una corrente (1819); poco dopo, Ampère scoprì l’azione reciproca delle correnti e Seebeck i fenomeni termoelettrici, ai quali A.-C. Becquerel assegnò delle leggi a questi fenomeni. La relazione tra l’intensità della corrente di una batteria e la resistenza del suo circuito fu stabilita sperimentalmente da Pouillet e matematicamente da Ohm. Faraday scoprì l’induzione (1831) e poco dopo formulò le leggi dell’elettrolisi. W. Thomson (Kelvin) progettò un elettrometro e un galvanometro molto sensibili.

Gauss, Humboldt e, più tardi, Mascart, si occuparono del magnetismo terrestre, perfezionando i metodi di osservazione. Ewing scoprì l’isteresi (1882) e Maxwell il cambiamento di dimensioni prodotto dalla magnetizzazione o magnetostrizione, il cui studio fu ripreso dal giapponese Nagaoka (1900). La Società Meteorologica di Francia, fondata a Parigi nel 1852 da Martins e Rendu, pubblicò interessanti memorie sulla fisica del globo.

L’ottica e l’elettricità erano rimaste completamente separate, anche se la rotazione del piano di polarizzazione della luce sotto l’influenza di un campo magnetico (Faraday, 1846) aveva fatto emergere, senza spiegarla, una debole relazione tra i due campi. Quando Faraday fu il primo a mostrare l’influenza del mezzo attraverso il quale si esercitano le azioni elettromagnetiche, fu il primo a mostrare l’influenza di un campo magnetico sulla luce. Maxwell (1831-1879), nel suo Treatise on Electricity (1873), stabilì le equazioni caratteristiche per i campi elettrici e magnetici. Tra gli altri risultati, i suoi calcoli dimostrarono che una perturbazione elettromagnetica si propaga nello spazio con la velocità della luce: era quindi logico assumere che l’onda luminosa è essa stessa un’onda elettromagnetica e così fu fondata la teoria elettromagnetica della luce.

Questa audace ipotesi fu confermata dagli esperimenti diretti di Hertz (1857-1894). Usando le scariche oscillanti di un condensatore, produsse (1888) le cosiddette onde hertziane, che hanno tutte le proprietà della luce e differiscono da essa solo per la lunghezza d’onda molto più lunga, come il rosso differisce dal viola. Hertz aveva fatto una sorta di sintesi elettrica della luce.

Molti ricercatori (Sarrazin e de la Rive, Branly, Lodge, Righi, Popoff) perfezionarono la tecnica di trasmissione e ricezione delle onde radio: Marconi, raccogliendo e migliorando i dispositivi usati dai suoi predecessori, fu il primo ad ottenere risultati pratici trasmettendo le onde a più di 20 chilometri di distanza (1896). Nasce la telegrafia senza fili.

Il lavoro di Fresnel, Faraday, Maxwell e Hertz sembrava poter rivelare le proprietà dell’etere elettromagnetico e luminoso, ma la connessione tra l’etere e la materia rimaneva oscura. Cosa succede nell’etere quando le onde vengono emesse, disperse o assorbite? Come spiegare i fenomeni di elettrificazione prodotti da certe radiazioni (fotoelettricità) e azioni chimiche come la stampa fotografica? Cos’è l’elettricità stessa in relazione all’etere che può scuotere e che può agire su di essa? Queste domande ebbero una risposta provvisoria da H.-A. Lorentz (1892) il cui lavoro teorico fu, per una felice coincidenza, costantemente sostenuto nel suo sviluppo da esperimenti sui raggi catodici e sui corpi radioattivi.

A quel tempo, non c’era ancora una conoscenza precisa degli elettroni, ma l’elettrolisi aveva reso l’idea degli “ioni” positivi e negativi familiare a tutti i fisici. Lorentz spiegò tutti i fenomeni elettrici e ottici con il movimento di corpuscoli elettrificati di massa definita, esistenti in tutta la materia pesabile; le vibrazioni di queste particelle eccitano le onde elettromagnetiche dell’etere, come le vibrazioni del diapason producono le onde sonore nell’aria; la loro azione come risonatore spiega la rifrazione, la dispersione e l’assorbimento delle onde. L’introduzione dell’elettrone nella teoria di Maxwell la fecondò come un seme, e portò un abbondante raccolto di nuove conseguenze: tra i fenomeni che portò alla luce, il più notevole fu la decomposizione di una linea spettrale sotto l’influenza del campo magnetico, una decomposizione che Lorentz aveva previsto nel 1895 e che Zeeman osservò nel 1896. L’esperimento ha permesso di ottenere il rapporto tra la carica elettrica e la massa delle particelle luminose per mezzo di misure ottiche e ha confermato che queste particelle sono gli ectroni catodici.

La teoria elettronica di Lorentz, un’estensione naturale del lavoro di Maxwell e Hertz, diede un’interpretazione molto soddisfacente della maggior parte dei fatti dell’elettromagnetismo e dell’ottica, ma sorsero notevoli difficoltà che, se fossero state superate, avrebbero presto richiesto profonde modifiche dei concetti fondamentali della vecchia fisica. La teoria dei quanti, e più tardi la teoria della relatività, sarebbero emerse da questo sforzo per adattare la teoria elettromagnetica della luce ai fatti sperimentali.

L’inizio del 20° secolo

Radioattività.
Un confronto fatto da Henri Poincaré tra i raggi X e la fosforescenza portò Henri Becquerel (1896) a scoprire l’emissione spontanea da parte dell’uranio di raggi simili a quelli di Roentgen: questa è l’origine del lavoro sulla radioattività che permise ai fisici di effettuare nuove e fruttuose ricerche.

Fu naturale pensare se altri corpi avessero le proprietà radioattive dell’uranio, e già nel 1898, Schmidt segnalò la radioattività del torio; Marie Curie, avendo trovato che la pechblenda è otto volte più attiva di quanto il suo contenuto di uranio e torio prevedesse, concluse che questo minerale doveva contenere elementi sconosciuti altamente radioattivi. Il trattamento chimico della pechblenda ha permesso di caratterizzare, senza isolarli, il polonio (Marie Curie e Bémont, 1898), l’attinio (Debierne, 1899), e infine di preparare i sali puri di un nuovo metallo, il radio, un milione di volte più attivo dell’uranio (Pierre e Marie Curie, 1898-1902).

I corpi radioattivi emettono una radiazione complessa che il campo magnetico divide in tre fasci: raggi X, analoghi ai raggi Goldstein, formati da particelle elettrizzate positivamente, che sono state riconosciute come atomi di elio; raggi deflessi in direzione opposta, formati da elettroni negativi identici agli elettroni catodici; raggi gamma, non deflessi, analoghi ai raggi X. La radiazione del tubo di Crookes è stata trovata.

La natura della radioattività fu chiarita da un vasto corpo di ricerche sperimentali, in cui si distinsero i fisici Ramsay, Rutherford e Soddy. Il primo fatto acquisito (1903), dopo lunghe discussioni – perché fu il primo esempio di trasmutazione degli elementi – fu la scissione del radio in emanazione ed elio. Si è poi riconosciuto che questa disintegrazione non è unica e che la radioattività è una vera e propria evoluzione discontinua, che si svolge in cascate successive, dando luogo ogni volta alla formazione di nuovi elementi, di vita più o meno effimera.

La teoria del decadimento atomico (Rutherford e Soddy) portò così alla rivelazione della filiazione dei trentanove corpi radioattivi e alla loro classificazione in due famiglie distinte, originate rispettivamente dall’uranio e dal torio, e che portano al piombo come ultimo corpo stabile.

La scissione atomica, che crea la progenie dei corpi radioattivi, è spontanea, e non sappiamo come agire su di essa: i bellissimi esperimenti di Rutherford hanno, dal 1919, disintegrato artificialmente gli atomi di alcuni elementi leggeri: azoto, boro, fluoro, sodio e alluminio. Il bombardamento dell’azoto con particelle alfa ad alta potenza ha permesso di osservare la separazione dei nuclei di idrogeno, con il carbonio come possibile residuo. Così i mondi atomici si aprirono alla curiosità dei fisici.

Teoria dei quanti.
È molto importante conoscere la distribuzione dell’energia nello spettro di una fonte di luce: è tanto più economico quanto più la sua energia di radiazione è concentrata nello spettro visibile. Dalla sua teoria elettronica della luce, Lorentz aveva ottenuto una formula che, mentre si accordava bene con l’esperimento per le lunghezze d’onda lunghe, se ne discostava in modo inaccettabile per le lunghezze d’onda corte. Questa discrepanza attirò l’attenzione su un lavoro in cui Planck (1900) aveva adattato l’elettrodinamica classica alla conoscenza sperimentale della radiazione: secondo Planck, lo scambio di energia tra l’etere e gli atomi vibranti avviene in modo discontinuo, in multipli interi di un dato quantum di energia. La teoria dei “quanti”, che imponeva così idee completamente nuove sui fenomeni periodici, si rivelò molto fruttuosa; non solo stabilì la concordanza con l’esperienza per l’energia della radiazione, ma aiutò anche a chiarire molti altri fenomeni: le variazioni del calore specifico con la temperatura, l’effetto fotoelettrico, la fusione dei solidi e l’assorbimento dei raggi di calore da parte dei gas. La formula di Planck permette di trovare la temperatura di un corpo secondo la distribuzione spettrale dell’energia che irradia; di conseguenza, la temperatura del sole è di circa 5600°C.

La teoria della relatività.
L’esperimento di Michelson e Morley (1887) aveva inaugurato una serie di ricerche per dimostrare il movimento della Terra rispetto all’etere; nonostante l’estrema precisione ottenuta, non si poteva rilevare questo movimento la velocità della luce è la stessa in tutti gli orientamenti; è indipendente dal movimento della Terra.

Per spiegare questi risultati negativi, contrariamente a tutto ciò che era stato previsto, Lorentz ammise che la forma e la massa dei corpi in movimento variano con la velocità. Una tale dottrina appariva all’inizio singolare: Henri Poincaré prese una parte considerevole nelle discussioni che provocò, ed è tra i precursori di questa teoria della relatività, il cui sviluppo completo dobbiamo a Einstein. Lorentz e Poincaré avevano riconosciuto che le equazioni dell’elettromagnetismo ammettono un gruppo di trasformazioni in cui il tempo perde il suo carattere assoluto: questo gruppo è essenzialmente diverso da quello delle equazioni della meccanica classica, ed è quindi impossibile spiegare meccanicamente l’elettricità.

Einstein osò accettare le ultime conseguenze di queste equazioni e sostenere che esse impongono la relatività del tempo e dello spazio: dalla sua teoria della relatività speciale, formulata dal 1905 al 1912, risultò una nuova meccanica, di cui la meccanica classica è solo una prima approssimazione, adatta a corpi animati da velocità deboli rispetto alla velocità della luce. Infine, applicando la sua idea fondamentale a tutto il campo della fisica, Einstein affermò che tutte le leggi della natura devono assumere una forma indipendente dal sistema di riferimento scelto per enunciarle; la teoria della relatività generale (1917) basata su questa esigenza si presenta come una teoria della gravitazione, e fa di questa un’azione che si propaga da vicino a vicino con la velocità della luce.

La relatività generale, che permette di definire la struttura dello spazio-tempo in funzione della distribuzione della materia, può essere applicata all’universo nel suo insieme. Sembra essere uno strumento capace di stabilire una cosmologia su basi scientifiche. Nel 1922, A. Friedmann risolse le equazioni della relatività generale sulla base di alcune semplici ipotesi e sviluppò così un primo modello cosmologico (geometria globale dello spazio-tempo). Da questo lavoro risulta che l’universo deve essere in espansione. Conclusione teorica confermata nel 1927-1929 dall’osservazione della recessione (= “fuga”) delle galassie da parte di Edwin Hubble e Milton Humason. Lo stesso anno, l’Abbé Lemaître propose la teoria dell’atomo primitivo, una sorta di prefigurazione di quella che sarebbe poi diventata la teoria del big bang.

La struttura degli atomi.
Dopo che Wiener (1863) e soprattutto Gouy (1888) avevano stabilito che questo movimento manifestava un’agitazione molecolare, i lavori teorici di Einstein (1905) e Smoluchowsky (1907) e gli esperimenti di Perrin (1908) confermarono l’origine molecolare del fenomeno e portarono al calcolo del numero di Avogadro (numero di molecole che pesa il peso molecolare).

L’idea atomica era già da tempo penetrata nel campo dell’elettricità. Secondo le osservazioni di Helmholtz (1881), non appena si ammette la struttura atomica della materia, le leggi di elettrolisi di Faraday implicano la struttura atomica dell’elettricità; impongono la concezione dell’atomo di elettricità, o elettrone, ed esprimono che, nell’elettrolisi, uno ione porta un numero di elettroni uguale alla sua valenza. Lo studio della conduttività dei gas e della radioattività sostenne e chiarì la nozione di elettrone, rendendo possibile contare i centri elettrificati, catturarli individualmente e misurare direttamente la loro carica; tutta una serie di ricerche, iniziate nel 1898 e che presero la loro forma più precisa con gli esperimenti di Millikan (1911), dimostrarono in modo decisivo l’esistenza dell’atomo di elettricità uguale alla carica portata da un idrogeno atono nell’elettrolisi.

Pochi esperimenti sono più diretti nel dimostrare l’esistenza degli atomi che le “fotografie di atomi” di C. T. R. Wilson (1912). In un’atmosfera satura di umidità, la traccia dei raggi di elio di un corpo radioattivo è segnata dalla condensazione del vapore acqueo, che rende visibile la traiettoria; le fotografie sono così chiare che hanno messo fine a tutte le discussioni sull’esistenza delle particelle alfa.

Questa ricerca, che considera l’atomo nel suo insieme, non rivela la sua costituzione interna, che si manifesta principalmente attraverso la radioattività e l’emissione di radiazioni (luce e raggi X) che si decompongono con l’analisi spettrale. L’atomo non può essere considerato come un’unità infrangibile: le numerose linee dello spettro ottico mostrano la complessità del sistema emettitore di onde e il gran numero di oscillatori che devono comporlo; d’altra parte, le scomposizioni radioattive e la presenza costante di elettroni beta predicono una certa somiglianza nella composizione dei vari atomi.

Dopo il modello atomico immaginato da J.-J. Thomson, le proprietà dei raggi emessi dai corpi radioattivi e, in particolare, la dispersione dei raggi alfa che passano attraverso lastre sottili, portarono Rutherford (1911) a considerare l’atomo come una specie di sistema solare formato da un nucleo positivamente elettrificato attorno al quale gravitano molti elettroni negativi. Rutherford stimò il loro numero a circa la metà del peso atomico; un’ipotesi simile (Van den Broek, 1912) lo fissò al numero atomico (il numero d’ordine dell’elemento nella tavola di Mendeleev) e facilitò la spiegazione delle proprietà periodiche degli elementi; fu generalmente adottata. Per quanto riguarda il nucleo atomico, gli ultimi esperimenti di Rutherford suggeriscono che contiene nuclei di idrogeno, di solito raggruppati in quattro in nuclei di elio molto stabili; questa è l’origine dell’opinione che il nucleo di idrogeno positivo (protone) e l’elettrone sono i due costituenti universali di tutta la materia.

Una delle proprietà più notevoli dell’atomo, la distribuzione delle linee spettrali, sfuggì alla rappresentazione di Rutherford; Niels Bohr (1885-1962), utilizzando la teoria dei “quanti” e distribuendo gli elettroni satelliti su uno o più involucri concentrici al nucleo, perfezionò lo schema di Rutherford; nel 1913, diede un modello dell’atomo che raggruppa un numero considerevole di proprietà della materia e spiega quantitativamente la struttura degli spettri ottici e lo spettro Roentgen. Anche se la teoria di Bohr, perfezionata nel 1915 da A. Sommerfeld, contiene ancora alcune contraddizioni, il suo accordo con i fatti sperimentali è spesso sorprendentemente preciso, e poche teorie fisiche possiedono un tale potere persuasivo. In particolare, permette di prevedere linee spettrali in accordo con i risultati sperimentali e di spiegare fenomeni come l’effetto Zeeman.

Le raffinatezze della fisica quantistica.
Nonostante questo, la teoria di Bohr non durò più di una dozzina di anni. Essa mostrò rapidamente due lacune: da un lato, divenne necessario comprendere l’atomo anche con i nuovi strumenti offerti dalla teoria della relatività, e dall’altro, gli oggetti del mondo quantistico si presentavano sotto due aspetti costrittivi, richiedendo che fossero descritti per alcuni fenomeni come onde e per altri come particelle (dualità onda-corpuscolo). Questa osservazione aprì la strada al lavoro teorico di Louis de Broglie (onda associata a una particella in movimento, 1924) e poi di Erwing Schrödinger (formulazione della funzione d’onda, 1926), fondatori della meccanica delle onde, e poi di Werner Heisenberg, con la sua meccanica delle matrici (1925), che fu presto perfezionata, con l’introduzione della teoria della relatività nel mondo quantistico, da Paul Dirac (quantizzazione del campo elettromagnetico, 1927), Pascual Jordan, Wofgang Pauli e Eugene Wigner (introduzione della teoria dei gruppi nella meccanica quantistica, 1931).

Con loro è arrivato un rinnovamento di tutti i principi di una fisica che è diventata probabilistica. Così il principio di indeterminazione, formulato da Heisenberg (1926), che afferma l’impossibilità di misurare simultaneamente certe quantità (per esempio posizione e quantità di moto) con la stessa precisione. A partire da questo momento, la questione della misurazione, dell’impatto dell’osservazione sui fenomeni osservati, mette in discussione la nozione stessa di causalità, che deve ormai essere distinta da quella di determinismo, e apre un dibattito sull’interpretazione della fisica quantistica. Due campi si scontrarono: il campo dei “realisti”, che includeva Einstein, e per i quali il carattere probabilistico della teoria quantistica denotava semplicemente l’inadeguatezza della teoria, e il campo che sosteneva l’interpretazione proposta nel 1926 da Max Born e Pascual Jordan, conosciuta come “interpretazione di Copenhagen” (cioè, l’interpretazione di Bohr), per i quali non era la teoria ad essere difettosa, ma la natura, che intrinsecamente possedeva questo carattere probabilistico. È questa seconda visione, che ha ricevuto supporto sperimentale, che è ora accettata.

I progressi teorici degli anni 1920 e 1930 furono accompagnati da importanti scoperte sperimentali. Nuove particelle furono rivelate, come il neutrone, da Chadwick (1932). Queste scoperte erano anche, e sempre di più, precedute da previsioni teoriche. Dirac predisse, per esempio, l’esistenza di due particelle con la stessa massa del protone e dell’elettrone, ma che avrebbero portato cariche opposte: l’antiprotone e l’antielettrone o positrone (portato alla luce da Irène e Frédéric Joliot-Curie con la radioattività artificiale), in altre parole l’antimateria. Yukawa, che cercava di capire la natura delle forze che assicuravano la coesione del nucleo, ipotizzò una nuova particella, il mesone (identificato nel 1937 da Anderson nei raggi cosmici); nel 1930, Fermi e Pauli, studiando il decadimento beta, ipotizzarono l’esistenza di un neutrone di bassa massa, il neutrino, che sarebbe stato scoperto anche successivamente.