Robert Boyle

Robert Boyle (1627-1691) è uno dei fondatori della chimica moderna e uno dei principali esponenti della Rivoluzione scientifica del Seicento.

Il suo contributo più importante non consiste soltanto nelle singole scoperte scientifiche, ma soprattutto nel metodo utilizzato per studiare la materia.

Secondo Boyle, una teoria scientifica non deve essere accettata perché sostenuta dalla tradizione o dall'autorità di un filosofo. Deve essere verificata tramite esperimenti ripetibili.

Questa impostazione contribuì al progressivo passaggio dall'alchimia alla chimica sperimentale.

La critica alle antiche teorie della materia

Nel 1661 Boyle pubblicò The Sceptical Chymist, generalmente tradotto come "Il chimico scettico".

Nell'opera criticò alcune delle principali concezioni della materia ereditate dall'antichità e dalla tradizione alchemica.

In particolare, mise in discussione la teoria aristotelica secondo cui la materia sarebbe composta da quattro elementi fondamentali:

• terra
• acqua
• aria
• fuoco

Boyle criticò anche la concezione paracelsiana basata su tre principi fondamentali: sale, zolfo e mercurio.

Il problema non era soltanto stabilire se queste teorie fossero vere o false.

Boyle contestava soprattutto il modo in cui erano state accettate.

Secondo lui, una teoria sulla composizione della materia doveva essere sostenuta dall'esperienza e dagli esperimenti, non semplicemente dall'autorità degli studiosi del passato.

Il concetto di elemento

Uno degli aspetti più importanti del pensiero di Boyle riguarda il concetto di elemento chimico.

Un elemento può essere considerato una sostanza semplice che non può essere ulteriormente scomposta mediante le operazioni chimiche conosciute.

Questa definizione introduce un importante cambiamento metodologico.

Non si stabilisce a priori quali siano gli elementi della natura. Si cerca invece di scoprirli sperimentalmente.

Esempio. Se una sostanza apparentemente semplice viene sottoposta a diversi procedimenti chimici senza riuscire a separarla in sostanze più semplici, può essere considerata elementare sulla base delle conoscenze disponibili.

Se successivamente viene scoperto un nuovo procedimento capace di decomporla, la precedente classificazione deve essere modificata.

La conoscenza scientifica, quindi, non è immutabile. Dipende anche dagli strumenti e dalle tecniche sperimentali disponibili.

La filosofia corpuscolare

Boyle interpretava la materia attraverso una concezione meccanicistica detta filosofia corpuscolare.

Secondo questa ipotesi, la materia è costituita da particelle molto piccole, dette corpuscoli.

I corpuscoli possiedono caratteristiche come:

• forma
• dimensione
• posizione
• movimento

Le proprietà osservabili di una sostanza dipendono dal modo in cui questi corpuscoli sono organizzati e interagiscono tra loro.

Pertanto, modificando la disposizione delle particelle è possibile modificare anche le proprietà macroscopiche della materia.

Ad esempio, due sostanze possono presentare proprietà molto diverse non necessariamente perché possiedono qualità fondamentali completamente differenti, ma perché i corpuscoli che le costituiscono sono organizzati diversamente.

La spiegazione delle proprietà della materia viene così ricondotta alla struttura e al movimento delle particelle.

Nota. Boyle considerava la teoria corpuscolare soprattutto come un'ipotesi utile per interpretare i fenomeni naturali. Non voleva trasformarla in un nuovo dogma filosofico.

La legge di Boyle

Uno dei risultati scientifici più conosciuti di Boyle riguarda il comportamento dei gas.

A temperatura costante, il volume occupato da una determinata quantità di gas è inversamente proporzionale alla sua pressione.

La relazione può essere espressa nella forma

\[  P \cdot V = k \]

dove \( P \) indica la pressione, \( V \) il volume e \( k \) una costante, se la temperatura e la quantità di gas restano costanti.

Questo significa che quando la pressione aumenta, il volume diminuisce.

Viceversa, quando la pressione diminuisce, il volume aumenta.

Un esempio pratico

Considero un gas che occupa un volume di 4 litri alla pressione di 1 atm.

\[ P_1=1 \text{ atm} \]

\[ V_1=4 \text{ L} \]

Il prodotto tra pressione e volume è

\[ P_1V_1=1\cdot4=4 \]

Suppongo ora di aumentare la pressione fino a 2 atm mantenendo costante la temperatura.

Per rispettare la legge di Boyle deve essere

\[ P_1V_1=P_2V_2 \]

Quindi

\[ 1\cdot4=2\cdot V_2 \]

da cui

\[ V_2=2 \text{ L} \]

Raddoppiando la pressione, il volume del gas si dimezza.

Questo semplice esempio mostra il significato dell'inversamente proporzionale nella legge di Boyle.

L'importanza dell'esperimento

Per Boyle l'esperimento non aveva soltanto il compito di illustrare una teoria già formulata. Era uno strumento per produrre e controllare la conoscenza scientifica.

Un'affermazione sulla natura doveva essere verificabile attraverso l'esperienza.

Inoltre, gli esperimenti dovevano essere descritti con sufficiente precisione da permettere ad altri studiosi di ripeterli.

Da questo punto di vista emergono tre caratteristiche fondamentali del metodo di Boyle.

• Lo scetticismo. Una spiegazione scientifica non deve essere considerata definitivamente vera. Può essere modificata quando emergono nuove prove.
• Lo sperimentalismo. Le ipotesi devono essere confrontate con i fenomeni osservabili.
• La verifica pubblica. Un risultato acquista maggiore affidabilità quando può essere controllato e riprodotto anche da altri studiosi.

La scienza assume così una dimensione collettiva.

Boyle e la pompa pneumatica

Gli strumenti scientifici ebbero un ruolo fondamentale nelle ricerche di Boyle.

In collaborazione con Robert Hooke, Boyle perfezionò una pompa pneumatica utilizzata per creare condizioni di pressione molto ridotta.

La macchina consentiva di studiare sperimentalmente fenomeni che altrimenti sarebbero stati difficili da osservare.

Boyle poté così svolgere esperimenti sulle proprietà dell'aria, sulla pressione e sul vuoto.

L'importanza dello strumento va oltre il singolo esperimento.

La pompa pneumatica permetteva di creare artificialmente condizioni controllate e di osservare come cambiavano i fenomeni al loro interno.

Esempio. Se si modifica la quantità o la pressione dell'aria presente in un recipiente, è possibile confrontare ciò che accade prima e dopo la variazione.

In questo modo si può individuare più facilmente una relazione tra causa ed effetto.

Il ruolo degli strumenti scientifici

Con la nuova scienza sperimentale gli strumenti diventano una parte essenziale dell'indagine della natura. 

Non servono soltanto a osservare meglio. Gli strumenti permettono anche di produrre condizioni che normalmente non sono facilmente disponibili nell'ambiente naturale.

Il ricercatore può quindi modificare una variabile e osservare gli effetti prodotti.

Questo principio è alla base dell'esperimento controllato.

Nel caso degli studi sui gas, ad esempio, si può modificare la pressione e misurare la variazione del volume.

La relazione osservata può successivamente essere espressa tramite una legge matematica.

L'esperimento e la matematica diventano così due strumenti complementari della ricerca scientifica.

Boyle e John Locke

Il metodo di Boyle ebbe conseguenze anche sulla filosofia inglese del Seicento.

In particolare, esercitò un'influenza sul pensiero empirista di John Locke.

L'idea fondamentale è che la conoscenza debba partire dall'esperienza e dall'osservazione anziché essere costruita esclusivamente attraverso principi astratti.

Un altro punto di contatto riguarda la distinzione tra qualità primarie e secondarie.

• Le qualità primarie sono caratteristiche attribuite agli oggetti stessi, come la forma, l'estensione e il movimento.
• Le qualità secondarie riguardano invece gli effetti che gli oggetti producono sui nostri sensi, come il colore, il sapore o il suono.

Questa distinzione è compatibile con la concezione corpuscolare della materia.

Esempio. Il colore di un oggetto non deve necessariamente essere interpretato come una proprietà fondamentale della materia allo stesso livello della sua forma o delle sue dimensioni.

Può essere considerato il risultato dell'interazione tra la struttura materiale dell'oggetto e l'osservatore.

Boyle e la Royal Society

Boyle fu una figura importante della Royal Society di Londra, una delle principali istituzioni scientifiche nate nel XVII secolo.

L'attività della Royal Society era fondata sull'osservazione, sull'esperimento, sulla collaborazione tra studiosi e sulla comunicazione dei risultati.

Il suo celebre motto latino è "Nullius in verba" ossia, in senso generale, non accettare un'affermazione soltanto sulla parola o sull'autorità di qualcuno.

Il principio riassume bene il nuovo atteggiamento scientifico. Non è sufficiente che Aristotele, un filosofo o uno studioso autorevole sostenga una determinata spiegazione. Occorre verificarla.

Esempio. Se un'autorità afferma che la natura del vuoto rende impossibile un determinato fenomeno, lo scienziato non deve limitarsi a discutere l'affermazione sul piano filosofico. Deve cercare di costruire un esperimento che permetta di controllarla.

La prova sperimentale assume quindi un'importanza maggiore rispetto all'autorità personale.

Il rapporto tra scienza e religione

Boyle non considerava la nuova scienza incompatibile con la fede cristiana.

Al contrario, riteneva che lo studio razionale della natura potesse contribuire alla comprensione dell'ordine della creazione.

Questa posizione emerge in particolare nell'opera The Christian Virtuoso, pubblicata nel 1690.

Secondo Boyle, lo scienziato può studiare le leggi naturali senza entrare necessariamente in conflitto con la religione.

La natura può essere analizzata attraverso osservazioni, esperimenti e ragionamenti perché possiede un ordine intelligibile.

Lo studio scientifico diventa quindi anche un modo per conoscere meglio questo ordine naturale creato da Dio.

Perché Boyle è importante

L'importanza storica di Robert Boyle non dipende esclusivamente dalla legge dei gas che porta il suo nome.

Il contributo più generale riguarda il modo di concepire la ricerca scientifica.

Boyle contribuì ad affermare alcuni principi destinati a diventare fondamentali nella scienza moderna:

• le teorie devono essere confrontate con gli esperimenti
• i risultati devono poter essere controllati da altri ricercatori
• l'autorità non costituisce una prova scientifica
• le spiegazioni devono rimanere aperte alla revisione
• gli strumenti scientifici permettono di ampliare le possibilità dell'osservazione
• la materia può essere studiata attraverso le sue proprietà e trasformazioni

In questo senso Boyle si trova in una fase di passaggio verso la chimica moderna.

Da una parte eredita problemi, concetti e tecniche provenienti dalla tradizione alchemica e dalla filosofia naturale.

Dall'altra contribuisce alla nascita di un nuovo modo di studiare la materia, fondato sull'esperimento e sulla verifica.

La chimica moderna non nasce con una singola scoperta. Nasce progressivamente quando lo studio delle sostanze smette di dipendere principalmente da sistemi filosofici prestabiliti e comincia a basarsi su esperimenti controllabili, misurazioni e risultati riproducibili.

Robert Boyle rappresenta uno dei passaggi fondamentali di questa trasformazione.

E così via.