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È la massa la materia dei fisici?

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Articolo 3/15.
Questo articolo si colloca nell’ambito della rassegna “I Lunedì della Cultura Chimica“,
iniziativa curata dal chimico ed epistemologo Giovanni Villani, con il sostegno tecnico-scientifico dell’Associazione Culturale Chimicare 

Giovanni Villani

Il concetto di materia in ambito fisico può essere fatto coincidere per lunga parte della storia del pensiero scientifico con il concetto di massa.  Fino al Settecento, “massa” e “materia” praticamente si identificavano in ambito fisico.  Nella fisica dell’Ottocento, e soprattutto in quella del Novecento, questi due concetti hanno preso strade diverse.  Per la fisica moderna, la materia in quanto tale è necessariamente un residuo incompreso e incomprensibile nell’analisi scientifica e perciò stesso da eliminare.  Soltanto le qualità di cui gode sono, per così dire, suscettibili di valutazione quantitativa.  Inoltre, la fisica moderna sembrano andare, anche se in maniera non lineare, verso un ridimensionamento del concetto di massa e verso una sua fusione con altri concetti, come l’energia.

Gli antichi disponevano di due metodi, che venivano applicati entrambi per la “misurazione della massa”, ma ambedue avevano problemi epistemologici per essere usati: la determinazione del peso e la determinazione del volume o spazio occupato. Il peso, difficilmente avrebbe potuto svolgere questa funzione, poiché mancava la correlazione o proporzionalità tra peso e quantità.  Tale correlazione era, inoltre, impossibile, poiché vi erano elementi, come il fuoco o l’aria, che possedevano un’intrinseca leggerezza.  Anche il volume, o spazio occupato, aveva gli stessi problemi per essere usato nella misura della massa.  I cambiamenti di volume potevano toccare l’identità della materia: il volume, quindi, come il peso, non poteva servire da misura della quantità di materia.  Inoltre, nella materia organica vi era generazione e corruzione, aumento e diminuzione della sostanza: né si riconoscevano alcuna permanenza o invarianza quantitativa.

gli "Elementi" di Euclide, in una pubblicazione del 1693Simplicio, filosofo aristotelico, pone l’estensione spaziale quale prima e dominante proprietà misurabile della materia.   somiglianza di Simplicio, i successivi filosofi peripatetici, accettarono l’estensione spaziale come la misura quantitativa della materia.  Fu essenzialmente la definizione data da Euclide nel libro degli Elementi ad essere ritenuta applicabile non solo alla geometria ma anche alla fisica:   è solido tutto ciò che ha lunghezza, larghezza e altezza. Tale definizione ha effettivamente un significato anche nella fisica?  Quando si tratta di confrontare quantità diverse dello stesso e unico materiale omogeneo, chiaramente la definizione è valida.  Differente è il caso del confronto di materiali diversi, ma la necessità di confrontare sostanze diverse si presentava di rado.  Anche per i Platonici, l’estensione spaziale poteva servire da misura della quantità di materia. Infatti, nell’identificazione dei corpi fisici col mondo delle forme geometriche e nell’idea fondamentale della geometrizzazione della fisica, Platone considerava l’estensione geometrica l’invariante unica e uniforme che rimaneva sempre e dovunque identica.

Il principio della permanenza della materia costituì il fondamento essenziale della teoria atomica di Democrito, il quale affermava che nulla viene dal nulla e nulla ritorna nel nulla.  Il principio di non creazione della materia è espresso dalla famosa affermazione di Lucrezio, all’inizio del suo poema filosofico De rerum natura: “Non nasce nulla dal nulla, mai, per volere divino”.  Il secondo grande principio sostenuto da Lucrezio è l’indistruttibilità della materia, in quanto “I corpi tutti ne’ suoi atomi poi la natura se li risolve di nuovo, non ne distrugge nessuno”.

Lucrezio

Il mondo antico non giunse a formulare il concetto di massa, né nel senso di quantitas materiae né nel senso di massa dinamica.  Questo fu conseguenza dell’idea generale che la materia in sé stessa, non potesse essere descritta in termini quantitativi: concezione questa diametralmente opposta a quella della fisica moderna, il cui scopo è di ridurre le qualità a caratteri quantitativi e che non considera la quantità come un genere speciale di qualità (o forma).

La corrente di pensiero che emerse nell’alto Medioevo dalla fusione della filosofia platonica con quella ebraico-cristiana, il Neoplatonismo, si rivelò importante per lo sviluppo futuro del concetto di massa. In tale visione la natura della massa era fondamentalmente spirituale e immateriale.  La filosofia neoplatonica degradò, quindi, la materia fino all’impotenza e tali filosofi la concepirono come “inerte”, cioè assolutamente priva di attività spontanea o “forma”.  L’idea di privazione, che in Aristotele era ancora neutra e indifferenziata, divenne distintiva di depravazione e di degradazione.  Fu, tuttavia, proprio questo concetto neoplatonico di materia inerte, lentamente liberato dalle sue connotazioni negative, a diventare nel Seicento, alla nascita della meccanica, il carattere distintivo del comportamento dinamico della materia e, quindi, il fondamento del concetto di massa inerziale.

Galileo GalileiIl concetto di quantitas materiae nacque tra il XIII ed il XIV secolo ad opera dagli Scolastici, dalle modifiche alla teoria aristotelica della materia e fu largamente utilizzato dalla scienza medievale.  Ancora nel Seicento, tuttavia, quando Galileo elenca le qualità primarie della materia, considera la forma, la dimensione, la posizione, la contiguità, il numero, il moto, qualità che sono tutte di carattere o geometrico (forma, dimensione, posizione, contiguità), o aritmetico (numero), o cinematico (moto).  In questo elenco non compare alcun aspetto della materia che non sia geometrico-temporale.  Per Galileo, esistono proprietà matematiche inerenti alla materia, ma la massa, benché esprimibile in termini matematici, non è tra queste, essendo essa un altro nome della materia, nome che la distingue dalla materia astratta, cioè dalla geometria.  Realtà fisica e massa sono due nomi per una stessa cosa dotata di movimento.  Ne consegue che la massa non può essere definita in termini di nessun’altra cosa.

Secondo Cartesio l’essenza della materia era l’estensione spaziale: la geometria e il principio di conservazione della quantità di moto (la quantitas motus cartesiana) regolavano il comportamento degli oggetti fisici.  L’estensione era l’unico attributo essenziale della materia.  I Principia philosophiae di Cartesio, che presentavano in modo sistematico le sue teorie scientifiche, ignoravano infatti totalmente la massa (quantità di materia) come proprietà intrinseca della materia.

La strada, che avrebbe condotto al concetto della massa inerziale, fu aperta dallo studio sulle forze centrifughe.  Huygens studiò l’intensità della forza centrifuga di un corpo in rotazione o in rivoluzione.  Nell’ipotesi che le particelle mobili si spostavano con uguale velocità, descrivendo cerchi di raggio uguale, egli concludeva che le forze centripete stanno fra loro come i loro “pesi” o le loro “quantità solide”.

esperimenti di Isaaco Newton con la luce

esperimenti di Isaaco Newton con la luce

La concezione newtoniana della materia era dominata da due nozioni fondamentali e distinte: la quantitas materiae e la vis inertiae.  Newton pose come postulato una proporzionalità tra la vis inertiae e l’altra caratteristica fondamentale dei corpi, cioè la loro quantitas materiae.

La quantitas materiae era per Newton un concetto avente significato fisico.   Inoltre, poiché corpi di eguale volume possedevano in generale forze inerziali diverse, la loro “quantità di materia” doveva essere anch’essa diversa. Questo identificava un fattore “intensivo”, inteso cioè come indipendente dal volume, responsabile della differenza della quantitas materiae tra corpi aventi uguale volume.  Questo fattore doveva essere una proprietà anche della più piccola particella concepibile.

 Riguardo alla vis insita, Newton la assume come una forza insita della materia, intesa come “la sua disposizione a resistere; per cui un ciascun corpo per quanto sta in esso, persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme”.  La spiegazione che segue a questa definizione è particolarmente importante in questo contesto: “Questa forza è sempre proporzionale al corpo, né differisce in alcunché dall’inerzia della massa altrimenti che per il modo di concepirla.  A causa dell’inerzia della materia, accade che ogni corpo è rimosso con difficoltà dal suo stato di quiete o moto”.

Che la gravità o peso fosse proporzionale alla quantitas materiae per una data località venne dimostrato da Newton in una serie di esperimenti.  Che peso e massa, nonostante la proporzionalità esistente tra loro, fossero concetti completamente diversi, fu infine dimostrato sperimentalmente da Giovanni Richer nel 1671.

la trasmutazione della natura della materia secondo la fissione nucleare

la trasmutazione della natura della materia secondo la fissione nucleare

La sistemazione newtoniana del concetto di massa, e la relazione di questo con il concetto di peso, furono essenziali per lo sviluppo della meccanica, della fisica e, più generalmente, della scienza.  Nella meccanica la massa divenne la caratteristica fondamentale dei corpi e si identificò con il “corpo”.  La definizione dei corpi fisici come masse fu la conquista preminente di cui necessitava la meccanica moderna.  Ancora nel 1896 Charles de Freycinet affermava nei suoi saggi sulla filosofia delle scienze che “Se dovessi definire la materia direi: la materia è tutto ciò che ha massa e tutto ciò che richiede una forza per acquistare movimento”.  Nella chimica il nuovo concetto di massa contribuì al declino dell’alchimia, favorendo l’ascesa della chimica quantitativa moderna.  Per l’alchimia, infatti, il “peso” era una proprietà accidentale della materia, di modo che un aumento di esso non era necessariamente messo in relazione all’immissione di materia aggiuntiva. In altre parole, la quantitas materiae non mutava necessariamente se, per esempio, il piombo si trasformava in oro e aumentava di peso nel corso della trasmutazione.

La teoria elettromagnetica ebbe un’importanza decisiva nello sviluppo del concetto di massa e, quindi, della fisica in generale.   Fino ad allora, i fisici e i filosofi aderivano al cosiddetto concetto sostanziale della realtà fisica.  La teoria elettromagnetica proponeva ora di privare la materia della sua natura intrinseca.  Infatti nell’elettromagnetismo, il posto reale dell’attività fisica non è più nei corpi, ma nel mezzo circostante.  Il campo è la sede dell’energia e la materia cessa di essere l’attore degli eventi fisici.

Nella meccanica relativistica, accettata l’idea che al crescere della velocità cresce la massa, è evidente che ci è del tutto preclusa, come avveniva anche per la teoria elettromagnetica della materia, qualsiasi associazione col concetto che storicamente ha preceduto quello di massa, ossia la quantitas materiae.  In caso contrario, si dovrebbe concludere che il moto crea materia.  Vi è poi il problema dell’interscambiabilità della massa e dell’energia. Quella che era comunemente ritenuta un’equivalenza non era, forse, un’identità?  E di conseguenza “massa” ed “energia” non erano solamente due sinonimi della stessa realtà fisica?  La risposta che la fisica moderna ci dà è senza dubbio la seguente: la massa e l’energia sono identiche, esse sono due sinonimi dello stesso substrato fisico.

Albert EinsteinLa domanda che ora si pone è la seguente: è veramente riducibile la materia all’energia?  Se per materia si intende quella che intendono i fisici, cioè la massa, allora questa riduzione, ce l’ha insegnato Einstein, è non solo possibile, ma concettualmente compiuta.  Solo il fatto che la natura si comporta come se esistessero due leggi di conservazioni distinte, in quanto al livello dei fenomeni macroscopici non si effettua il passaggio tra la massa e l’energia, ci consente di tenere ancora separati questi due concetti.

Io sostengo che esiste una pluralità di accezioni del concetto di materia, e questo pone dei problemi generali all’unità della scienza.  Il concetto di materia utilizzato dai chimici, prevede una realtà plurale, spiegata a livello microscopico con una realtà strutturata, sia essa l’atomo o la molecola.  Questa materia strutturata non è riconducibile all’energia se non a patto di destrutturarla.  È lo stesso che dire che un uomo è l’insieme dei suoi organi. Certo, dopo averlo ammazzato e fatto a pezzi.  Io credo che affermazioni del tipo: “La differenza fra un oggetto ed il suo campo non è poi così fondamentale, se entrambi possono essere visti come modi di essere dell’energia.  La differenza è quantitativa”, tipiche dei fisici, sono fondamentalmente sbagliate in quanto un oggetto non è solo la sua massa ed è questa, e questa sola, a ridursi all’energia.  Questo sarà il nucleo sviluppato nei prossimi articoli, a partire dal prossimo, la materia vista con gli occhi dei chimici.

 

2 risposte a È la massa la materia dei fisici?

  • Villani scrive:

    Io sono un chimico quantistico (anzi, è meglio dire, un chimico teorico) e vedo chiaramente i vantaggi (come pure gli svantaggi) di questo mondo di frontiera per i chimici. Da un punto di vista concettuale, il problema non è complesso: come i biologi utilizzano la chimica come strumento, così i chimici (e quelli quantistici, in particolare) utilizzano i concetti fisici per studiare il mondo chimico delle molecole. Se le problematiche restano “chimiche”, se il fine è capire aspetti “chimici”, non ci sono problemi addizionali. Il rischio sussiste, invece, quando il chimico teorico si “stacca” dal mondo sperimentale della chimica e finisce per diventare un fisico, uno che studia i metodi quantistici e non i sistemi (chimici) quantistici.

  • Christian Parolini scrive:

    Buongiorno professore,

    secondo Lei come potrebbe essere collocata la visione che i chimici teorici (specialmente quelli che si occupano di chimica quantistica) hanno circa il concetto di materia ?

    Le faccio questa domanda perché costoro utilizzano dei mezzi propri della fisica quantistica (funzioni d’onda, equazione di Schroedinger ecc…) per descrivere dei fenomeni tipicamente chimici.

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