L’universo meccanico

Per comprendere quanto la fisica moderna abbia trasformato la nostra idea di realtà, dobbiamo tornare all’immagine del mondo che si affermò in Europa tra il XVI e il XVIII secolo. Fu allora che la natura cominciò a essere descritta come un immenso sistema regolato da leggi matematiche: un universo nel quale i fenomeni potevano essere ricondotti a cause fisiche e gli stati successivi dei sistemi potevano essere spiegati a partire dalle condizioni precedenti e dalle leggi che li governavano.

Questa concezione non nacque improvvisamente e non fu opera di un solo pensatore. Si sviluppò attraverso una profonda trasformazione scientifica e filosofica alla quale contribuirono, tra gli altri, Niccolò Copernico, Galileo Galilei, René Descartes, Johannes Kepler, Christiaan Huygens, Isaac Newton e Gottfried Wilhelm Leibniz.

Il nuovo universo non era più interpretato principalmente come un ordine gerarchico dotato di significati e finalità. Era considerato sempre più come un insieme di corpi materiali, movimenti, forze e relazioni quantitative. La natura sembrava comportarsi come una macchina: complessa, immensa, ma governata da regole precise.

Da qui nacque quella che possiamo chiamare visione meccanicistica dell’universo.

Dall’universo aristotelico alla nuova scienza

Per molti secoli lo studio europeo della natura era stato profondamente influenzato dalla filosofia di Aristotele, rielaborata nel Medioevo e inserita in sistemi filosofici e teologici molto più ampi.

Nella fisica aristotelica, il mondo terrestre e quello celeste non erano governati esattamente dagli stessi principi. La regione terrestre era il luogo del mutamento, della generazione e della corruzione, mentre i cieli erano considerati ordinati secondo movimenti regolari e, nella cosmologia tradizionale, costituiti da una materia diversa da quella dei corpi terrestri.

Anche il movimento veniva interpretato in maniera differente rispetto alla fisica moderna. Ogni elemento possedeva un proprio luogo naturale: i corpi pesanti tendevano verso il centro del mondo, mentre quelli leggeri si dirigevano verso l’alto. Per mantenere alcuni tipi di movimento era inoltre necessario l’intervento continuo di un agente.

La spiegazione aristotelica della natura non si limitava a chiedere come avvenisse un fenomeno. Cercava anche di comprenderlo attraverso diverse forme di causa. Oltre alla materia di cui una cosa era costituita e all’agente che produceva il cambiamento, Aristotele attribuiva importanza alla forma dell’ente e al fine verso cui un processo naturale tendeva.

La natura, in questa prospettiva, non era semplicemente un sistema di corpi mossi da forze. Era un ordine nel quale la struttura e il comportamento degli enti potevano essere compresi anche facendo riferimento a ciò che essi erano e alle tendenze proprie della loro natura.

La rivoluzione scientifica non cancellò improvvisamente questa visione. Molti concetti aristotelici continuarono a essere discussi, modificati o criticati per secoli. Tuttavia, tra il Cinquecento e il Seicento, acquistò progressivamente forza un modo diverso di studiare il mondo fisico.

Al centro della ricerca si imposero sempre più la misurazione, l’esperimento, la formulazione di leggi matematiche e la ricerca di spiegazioni fondate su materia e movimento.

La matematizzazione della natura

Uno dei protagonisti fondamentali di questa trasformazione fu Galileo Galilei.

Galileo sosteneva che, per comprendere i fenomeni naturali, fosse necessario individuarne le caratteristiche misurabili e descriverne matematicamente le relazioni. Non bastava affidarsi all’autorità dei testi antichi o alle impressioni immediate dei sensi. Bisognava ricorrere all’osservazione e all’esperimento, individuare relazioni quantitative e confrontare le conseguenze delle costruzioni teoriche con i fenomeni.

La natura appariva così sempre più come un ordine intelligibile attraverso il linguaggio della matematica.

Questa impostazione comportava una selezione precisa degli aspetti della realtà ritenuti rilevanti per la fisica. Grandezze come distanza, durata, velocità, accelerazione, forma, numero e movimento potevano essere espresse quantitativamente. Colori, odori, sapori e suoni, invece, non venivano trattati nello stesso modo: essi dipendevano anche dalla relazione tra gli oggetti fisici e i nostri organi di senso.

Quando diciamo che un corpo è caldo, rosso o profumato, stiamo descrivendo anche il modo in cui esso viene percepito. Quando ne misuriamo la massa, la traiettoria o la velocità, cerchiamo invece di formulare una descrizione quantitativa che possa essere condivisa e verificata da osservatori diversi.

Cominciava così a emergere una distinzione destinata ad avere enormi conseguenze filosofiche: quella tra le proprietà considerate oggettive e matematicamente descrivibili e le qualità legate all’esperienza del soggetto.

La nuova fisica non pretendeva necessariamente di descrivere ogni aspetto dell’esperienza. Cercava piuttosto di isolare gli elementi dei fenomeni che potevano essere sottoposti a misurazione e inseriti in leggi generali.

Galileo e il movimento

Il contributo di Galileo fu decisivo soprattutto nello studio del movimento.

L’esperienza quotidiana sembra suggerire che un corpo continui a muoversi soltanto se qualcosa continua a spingerlo. Un carro si ferma quando il cavallo smette di trascinarlo; una palla lanciata sul terreno rallenta fino ad arrestarsi; un oggetto spostato su un tavolo perde progressivamente velocità.

Galileo comprese che questi esempi non rivelano semplicemente il comportamento del movimento in assenza di ostacoli. Mostrano piuttosto gli effetti dell’attrito e della resistenza dell’ambiente.

Attraverso esperimenti, ragionamenti idealizzati e studi sui piani inclinati, Galileo contribuì in modo decisivo al superamento dell’idea secondo cui ogni movimento richiederebbe una causa continua che lo mantenga. Riducendo idealmente gli impedimenti al moto, diventava possibile concepire la persistenza del movimento senza la necessità di una spinta continua.

La formulazione pienamente moderna del principio d’inerzia, secondo cui un corpo non soggetto a una forza risultante conserva il proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, sarebbe stata raggiunta con Newton, ma Galileo pose alcune delle basi essenziali di questa trasformazione.

Il riposo non doveva più essere considerato lo stato naturale privilegiato di tutti i corpi. Si apriva progressivamente la strada alla concezione secondo cui ciò che richiedeva una spiegazione non era la semplice persistenza del moto, ma il suo cambiamento.

La domanda fondamentale diventava quindi non più: 

che cosa mantiene un corpo in movimento? 

La nuova domanda a cui rispondere è: 

che cosa ne modifica il movimento?

Questo passaggio concettuale aprì la strada alla meccanica newtoniana.

Il metodo dell’idealizzazione

La fisica moderna non si limita a registrare passivamente ciò che appare nell’esperienza quotidiana. Costruisce situazioni ideali nelle quali alcuni fattori vengono temporaneamente trascurati per isolare le relazioni fondamentali.

Un corpo perfettamente privo di attrito non esiste nell’esperienza ordinaria. Un punto materiale, cioè un oggetto dotato di massa ma le cui dimensioni possono essere trascurate nel problema considerato, è un’idealizzazione. Anche il moto rettilineo uniforme può essere difficile da osservare in forma perfetta, perché i corpi reali sono continuamente sottoposti a interazioni.

Eppure queste idealizzazioni sono estremamente utili. Permettono di formulare leggi semplici e generali, alle quali possono poi essere aggiunti i fattori necessari per descrivere situazioni più concrete.

Qui emerge una prima questione filosofica. La scienza scopre strutture matematiche già presenti nella natura oppure costruisce modelli ideali che ne rappresentano soltanto alcuni aspetti?

Il successo della fisica sembrava suggerire che le regolarità matematiche non fossero semplici invenzioni arbitrarie. Le previsioni potevano essere confrontate con gli esperimenti e utilizzate per spiegare fenomeni molto diversi. Tuttavia, il rapporto tra il modello matematico e la realtà fisica sarebbe rimasto uno dei grandi problemi della filosofia della scienza.

Descartes e la natura come macchina

La nuova visione meccanica della natura trovò una delle sue formulazioni filosofiche più influenti in René Descartes, conosciuto in italiano come Cartesio.

Secondo Cartesio, la materia poteva essere concepita essenzialmente come estensione nello spazio. I fenomeni fisici dovevano essere spiegati attraverso la forma, la disposizione e il movimento delle parti materiali, evitando di ricorrere, nella spiegazione fisica, alle forme sostanziali e alle finalità caratteristiche della tradizione aristotelico-scolastica.

Il corpo umano stesso poteva essere studiato, almeno nelle sue funzioni fisiche, come un meccanismo. La circolazione, il movimento degli arti, i processi corporei coinvolti nella sensazione e molte reazioni dell’organismo potevano essere interpretati ricorrendo a processi materiali.

La metafora della macchina era particolarmente potente nel Seicento. Orologi, automi, pompe e congegni idraulici mostravano come comportamenti apparentemente complessi potessero essere prodotti dall’organizzazione e dal movimento di componenti relativamente semplici.

Se una macchina poteva muoversi e compiere operazioni senza possedere intenzioni proprie, forse anche molti fenomeni naturali potevano essere spiegati senza ricorrere a scopi interni alla materia.

Il meccanicismo cartesiano non coincideva, però, con un materialismo integrale. Cartesio distingueva nettamente la sostanza estesa, cioè la realtà corporea, dalla sostanza pensante. La mente cosciente non veniva ridotta alla materia.

Nasceva così un nuovo problema: se mente e corpo sono realtà profondamente differenti, come possono interagire?

La visione meccanica semplificava la descrizione della materia, ma rendeva più difficile comprendere il posto della coscienza all’interno della natura.

Keplero e l’ordine matematico dei cieli

Mentre Galileo studiava il movimento dei corpi e Cartesio elaborava una filosofia meccanicistica, Johannes Kepler individuava le leggi matematiche che descrivono il moto dei pianeti.

I pianeti non si muovono lungo circonferenze perfette, come molti modelli astronomici precedenti avevano supposto, ma percorrono orbite ellittiche delle quali il Sole occupa uno dei fuochi. La loro velocità non rimane costante lungo l’intera orbita e il rapporto tra il periodo orbitale e le dimensioni dell’orbita segue una precisa relazione matematica.

Le leggi di Keplero descrivevano con grande accuratezza il comportamento dei pianeti, ma lasciavano ancora aperta una domanda fondamentale: 

perché i pianeti si muovono proprio in questo modo?

La risposta sarebbe arrivata con Newton, che mostrò come i movimenti terrestri e quelli celesti potessero essere spiegati mediante gli stessi principi.

Newton e l’unificazione del cielo e della Terra

Con la pubblicazione dei Principi matematici della filosofia naturale nel 1687, Isaac Newton realizzò una delle più importanti sintesi della storia della scienza.

Le tre leggi del moto e la legge di gravitazione universale permisero di descrivere attraverso un unico quadro teorico fenomeni che fino ad allora erano apparsi separati: la caduta dei corpi, il moto dei proiettili, le orbite dei pianeti, il movimento della Luna e alcuni aspetti delle maree.

La stessa legge che descriveva l’attrazione di un corpo verso la Terra permetteva di comprendere perché la Luna rimanesse in orbita. Il cielo e la Terra non costituivano più due regioni fisiche radicalmente differenti. Erano parti di un medesimo universo governato dalle stesse leggi.

Secondo la prima legge di Newton, un corpo conserva il proprio stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finché una forza risultante non lo costringe a modificarlo. La seconda legge collega la variazione del moto alla forza applicata e alla massa del corpo. La terza afferma che, quando un corpo esercita una forza su un altro, il secondo esercita sul primo una forza uguale in intensità e opposta in direzione.

La legge di gravitazione universale stabilisce inoltre che ogni corpo dotato di massa attrae gli altri corpi dotati di massa. L’intensità dell’attrazione è proporzionale al prodotto delle masse e diminuisce con il quadrato della distanza che le separa.

L’universo diventava così un sistema matematicamente ordinato nel quale il comportamento dei corpi poteva essere dedotto da leggi generali.

La potenza della teoria newtoniana non consisteva soltanto nello spiegare fenomeni già conosciuti. Permetteva anche di formulare previsioni, calcolare traiettorie e collegare eventi apparentemente diversi mediante pochi principi fondamentali.

Il problema dell’azione a distanza

La gravitazione newtoniana, tuttavia, introduceva anche una difficoltà concettuale.

Come potevano due corpi esercitare un’attrazione reciproca attraverso lo spazio senza essere in contatto diretto?

Per molti sostenitori della filosofia meccanica, una vera spiegazione fisica avrebbe dovuto ricondurre ogni interazione all’urto o al contatto tra parti materiali. La gravità newtoniana sembrava invece operare a distanza.

Newton fornì una legge matematica estremamente efficace per descrivere l’attrazione gravitazionale, ma evitò di presentare come accertata una spiegazione definitiva della sua causa più profonda. Non voleva trasformare in certezza un’ipotesi che i fenomeni non permettevano ancora di stabilire.

Questo episodio mostra una distinzione fondamentale. Una teoria può descrivere con grande precisione come avviene un fenomeno senza chiarire completamente che cosa sia, in ultima analisi, il meccanismo che lo produce.

Il successo predittivo non elimina automaticamente tutte le domande ontologiche, cioè le domande su ciò che esiste e sulla natura delle entità ammesse dalla teoria.

Spazio e tempo assoluti

La meccanica newtoniana presupponeva una determinata concezione dello spazio e del tempo.

Il tempo assoluto scorreva uniformemente, indipendentemente dagli eventi e dagli osservatori. Lo spazio assoluto costituiva invece una struttura indipendente dai corpi, rispetto alla quale potevano essere definiti il moto e la quiete assoluti.

Gli osservatori potevano descrivere in modo differente la posizione o la velocità di un corpo, ma nella concezione newtoniana esistevano un ordine temporale universale e una struttura spaziale oggettiva che non dipendevano dalle loro misurazioni.

Questa concezione fu contestata da Gottfried Wilhelm Leibniz. Egli sosteneva che spazio e tempo non dovessero essere considerati entità autonome, esistenti indipendentemente dalle cose. Lo spazio esprimeva l’ordine delle relazioni tra i corpi, mentre il tempo esprimeva l’ordine delle successioni tra gli eventi.

La discussione tra la posizione newtoniana e quella leibniziana anticipava una domanda destinata a riemergere nella fisica contemporanea:

lo spazio e il tempo sono realtà esistenti di per sé oppure sistemi di relazioni tra oggetti ed eventi?

Per oltre due secoli la meccanica newtoniana avrebbe fornito il quadro dominante. Ma la relatività di Einstein avrebbe trasformato profondamente il problema.

L’universo-orologio

Il successo della meccanica alimentò l’immagine dell’universo come un gigantesco orologio.

In un orologio, il movimento di ogni ingranaggio dipende da quello degli altri. Se conosciamo la struttura del meccanismo e lo stato delle sue parti, possiamo in linea di principio prevedere il comportamento dell’intero sistema.

Analogamente, l’universo poteva essere pensato come un insieme di corpi governati da leggi necessarie. Ogni stato della natura derivava da uno stato precedente e determinava quello successivo.

In questa concezione non era necessario attribuire intenzioni ai fenomeni fisici. Una pietra cadeva non perché cercasse il proprio luogo naturale, ma perché era sottoposta a determinate interazioni. I pianeti non seguivano le loro orbite per realizzare un fine: si muovevano secondo leggi matematiche.

La spiegazione scientifica tendeva così a sostituire la ricerca delle finalità naturali con l’individuazione delle condizioni iniziali e delle cause fisiche efficienti.

Il meccanicismo non implicava necessariamente l’ateismo. Molti scienziati e filosofi interpretarono l’ordine matematico della natura come testimonianza di un creatore razionale. L’universo poteva essere considerato una macchina proprio perché qualcuno ne aveva stabilito le leggi.

Rimaneva però una domanda: dopo aver creato il mondo, Dio interveniva continuamente nel suo funzionamento oppure l’universo era capace di evolversi secondo le leggi stabilite?

Questa concezione della natura contribuì anche al più ampio contesto intellettuale nel quale si svilupparono concezioni deistiche, secondo le quali Dio aveva creato l’universo e stabilito il suo ordine senza che fosse necessario ricorrere continuamente a interventi soprannaturali per spiegarne il funzionamento ordinario. Il deismo, tuttavia, non fu una semplice conseguenza della nuova fisica: nacque dall'intreccio di trasformazioni filosofiche, scientifiche e religiose molto più ampie.

Laplace e il determinismo

Tra la fine del XVIII e l’inizio del XIX secolo, Pierre-Simon de Laplace portò l’ideale deterministico della meccanica classica alla sua formulazione più celebre.

Laplace immaginò un’intelligenza capace di conoscere, in un determinato istante, tutte le forze operanti nella natura e la posizione e il moto di tutti i corpi. Se questa intelligenza fosse stata anche capace di elaborare una quantità così immensa di informazioni, avrebbe potuto ricavare da un’unica legge tanto il movimento dei corpi più grandi quanto quello delle particelle più piccole.

Per essa, il passato e il futuro sarebbero stati ugualmente presenti.

Questa intelligenza ideale venne successivamente chiamata demone di Laplace.

Il demone non era una creatura realmente esistente, ma un esperimento mentale. Serviva a esprimere le conseguenze estreme del determinismo: se le leggi della natura e lo stato completo dell’universo in un dato istante fissano univocamente tutti gli stati successivi, allora il futuro è già implicito nel presente.

L’incertezza umana dipenderebbe soltanto dalla nostra ignoranza. Non riusciremmo a prevedere ogni evento perché non possediamo tutte le informazioni necessarie e non siamo capaci di svolgere calcoli infinitamente complessi. Ma la natura, in sé, non sarebbe incerta.

La probabilità non rappresenterebbe quindi un’indeterminazione reale del mondo. Sarebbe soltanto uno strumento utilizzato da osservatori che non conoscono completamente le cause.

Determinismo e prevedibilità

È importante, tuttavia, non confondere determinismo e prevedibilità.

Un sistema è deterministico se il suo stato e le leggi che lo governano determinano la sua evoluzione. Ma ciò non significa che un osservatore reale possa prevederne il comportamento con precisione illimitata.

Molti sistemi classici mostrano una forte sensibilità alle condizioni iniziali. Differenze estremamente piccole nello stato di partenza possono produrre, dopo un certo tempo, evoluzioni molto diverse. Poiché nessuna misurazione reale possiede una precisione infinita, le previsioni a lungo termine possono diventare praticamente impossibili.

È ciò che oggi studiamo attraverso la teoria del caos deterministico.

Il caos non implica necessariamente assenza di leggi. Un sistema caotico può essere governato da equazioni perfettamente deterministiche e risultare comunque imprevedibile oltre un certo intervallo di tempo.

Questa distinzione ridimensiona l’immagine ingenua dell’universo-orologio, ma non elimina il determinismo classico. Mostra piuttosto che l’esistenza di leggi deterministiche non garantisce a un osservatore una conoscenza completa del futuro.

La separazione tra osservatore e realtà

Nell’immagine idealizzata della meccanica classica, si può generalmente supporre che le proprietà fisiche descritte dalla teoria abbiano valori determinati indipendentemente dall’atto di misurarle.

Misurare significa quindi cercare di determinare proprietà del sistema, come la sua posizione, la sua velocità o la sua massa. Gli strumenti possono essere imperfetti e ogni misurazione può introdurre perturbazioni ed errori, ma questi limiti non implicano, nella descrizione classica, che il valore della proprietà venga necessariamente creato dall’atto stesso della misura. In linea di principio, si può immaginare una misurazione sempre più precisa e meno invasiva.

La realtà fisica viene quindi generalmente concepita come dotata di proprietà determinate indipendentemente dall’atto di osservarla.

Questa concezione si accorda facilmente con una forma intuitiva di realismo scientifico: il mondo esiste indipendentemente da noi e le teorie scientifiche cercano di descriverne la struttura. In una concezione realista, il progresso scientifico può essere interpretato come un progressivo miglioramento delle nostre descrizioni della realtà, anche se il rapporto preciso tra teoria e mondo rimane oggetto di discussione filosofica.

L’osservatore non crea semplicemente le proprietà del corpo. Cerca di rilevarle attraverso procedure di misurazione.

Anche quando una misura è imprecisa, nella descrizione classica si può generalmente supporre che la grandezza considerata possieda comunque un valore determinato. L’incertezza può appartenere alla nostra conoscenza senza implicare necessariamente un’indeterminazione della realtà stessa.

Sarà proprio questa distinzione a diventare molto più problematica con la meccanica quantistica.

Materia, cause e riduzionismo

La visione meccanica incoraggiò anche un programma di spiegazione riduzionista.

Se un sistema complesso è costituito da parti materiali, allora il suo comportamento potrebbe essere spiegato conoscendo le proprietà delle parti e le leggi che ne regolano le interazioni. Il tutto non richiederebbe principi radicalmente diversi da quelli che governano i suoi componenti.

Un gas, per esempio, può essere descritto macroscopicamente mediante pressione, volume e temperatura. Con lo sviluppo della teoria cinetica e della meccanica statistica, queste grandezze furono collegate al comportamento collettivo di un numero enorme di molecole.

La temperatura poteva essere interpretata, in determinate condizioni, in relazione all’energia cinetica media delle particelle. La pressione poteva essere collegata agli urti delle molecole contro le pareti del recipiente.

Proprietà macroscopiche apparentemente nuove emergevano così dal comportamento microscopico di moltissime componenti.

Il successo di questo metodo rafforzò l’idea che la comprensione della natura richiedesse la ricerca dei suoi costituenti fondamentali e delle leggi elementari che li governano.

Ma il riduzionismo sollevava altre domande. Conoscere tutte le parti significa comprendere completamente il tutto? Fenomeni come la vita, la coscienza, il linguaggio e l’organizzazione sociale possono essere spiegati integralmente mediante le leggi dei loro componenti fisici?

La fisica meccanica offriva un modello potente di spiegazione, ma la sua estensione a ogni livello della realtà rimaneva una tesi filosofica, non una conseguenza automatica delle equazioni.

Il problema della libertà

L’universo deterministico sollevava inevitabilmente anche il problema della libertà umana.

Se ogni evento fisico deriva necessariamente da condizioni precedenti e se il corpo umano appartiene interamente alla natura, anche le nostre azioni sembrerebbero essere conseguenze di eventi anteriori.

In questo caso, che cosa significa scegliere liberamente?

Una possibile risposta consiste nel negare che la mente possa essere ridotta completamente ai processi materiali. È la strada aperta dal dualismo cartesiano, che distingue la realtà mentale da quella corporea. Ma questa soluzione incontra la difficoltà di spiegare come una mente non materiale possa intervenire nel corso degli eventi fisici.

Un’altra risposta, detta compatibilista, sostiene che libertà e determinismo non siano necessariamente incompatibili. Un’azione può essere considerata libera quando deriva dalle intenzioni, dai desideri e dalle decisioni dell’individuo, anche se tali stati possiedono a loro volta delle cause.

Secondo alcune posizioni incompatibiliste, invece, una scelta autenticamente libera richiederebbe che, nelle stesse identiche condizioni, fosse realmente possibile agire in modo diverso. In un universo interamente deterministico, questa possibilità sembrerebbe esclusa.

La fisica classica non risolve il problema del libero arbitrio, ma modifica profondamente il modo in cui esso deve essere formulato.

Neppure l’indeterminazione quantistica fornirà una soluzione immediata. Un evento casuale, infatti, non è per questo una scelta libera. Sostituire la necessità con il caso non basta a spiegare l’autonomia di una persona.

Le prime incrinature

Nel corso dell’Ottocento la meccanica newtoniana continuò a ottenere successi straordinari, ma l’immagine puramente meccanica dell’universo cominciò a mostrare alcuni limiti.

Lo sviluppo della termodinamica mise in primo piano una distinzione tra processi reversibili e irreversibili. Le leggi fondamentali della meccanica classica non sembravano privilegiare una direzione del tempo: se immaginiamo di invertire le velocità di tutte le particelle, molte evoluzioni meccaniche potrebbero, almeno idealmente, essere percorse al contrario.

Nell’esperienza macroscopica, invece, osserviamo processi dotati di una direzione precisa. Il calore passa spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo; un gas tende a diffondersi nello spazio disponibile; un bicchiere può frantumarsi, ma i frammenti non si ricompongono spontaneamente.

Il secondo principio della termodinamica, espresso per un sistema isolato attraverso la tendenza dell’entropia a non diminuire, rese esplicita nella descrizione termodinamica dei processi macroscopici una direzione privilegiata dell’evoluzione temporale che non appariva immediatamente nelle leggi fondamentali della meccanica.

La meccanica statistica cercò di collegare questa irreversibilità macroscopica al comportamento statistico di un numero enorme di particelle. Il determinismo microscopico poteva essere compatibile con leggi statistiche a livello macroscopico, ma il rapporto tra reversibilità fondamentale e irreversibilità osservata apriva nuovi problemi.

Anche l’elettromagnetismo mostrò che la materia e il movimento dei corpi non bastavano, almeno nella loro forma meccanicistica più semplice, a descrivere tutti i fenomeni fisici. Il concetto di campo, sviluppato soprattutto attraverso i lavori di Michael Faraday e James Clerk Maxwell, acquistò un ruolo fondamentale.

Il campo elettromagnetico non era semplicemente un’etichetta attribuita alle forze tra corpi distanti. Possedeva una propria struttura fisica e le perturbazioni del campo potevano propagarsi nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche.

La realtà fisica cominciava quindi a essere descritta non soltanto attraverso corpi materiali, ma anche attraverso campi.

Il successo e i limiti dell’universo meccanico

La visione meccanica della natura rappresentò una delle più grandi conquiste intellettuali della storia.

Permise di unificare fenomeni terrestri e celesti, sostituire molte spiegazioni qualitative con leggi quantitative, prevedere il comportamento dei sistemi fisici e sviluppare tecnologie capaci di trasformare profondamente la società.

Mostrò che la natura non doveva essere considerata un insieme caotico di eventi isolati. Fenomeni molto diversi potevano dipendere dalle stesse leggi fondamentali.

Allo stesso tempo, l’universo meccanico non fu mai soltanto una teoria fisica. Divenne anche un’immagine filosofica della realtà.

Secondo questa immagine:

• il mondo esiste indipendentemente dall’osservatore;
• i corpi possiedono proprietà determinate;
• ogni evento fisico deriva da condizioni precedenti;
• le leggi della natura sono universali e matematiche;
• spazio e tempo costituiscono uno scenario comune;
• l’incertezza dipende principalmente dai limiti della nostra conoscenza;
• i sistemi complessi possono essere compresi analizzandone le parti e le interazioni.

Alcune di queste idee restano fondamentali anche nella scienza contemporanea. Altre hanno dovuto essere profondamente riformulate.

Il primo grande cambiamento del Novecento non arrivò dalla meccanica quantistica, ma dalla teoria della relatività.

Con la relatività speciale, Einstein mostrò che misure di durata, distanza e simultaneità dipendono dallo stato di moto relativo degli osservatori e che spazio e tempo devono essere considerati entro una struttura spaziotemporale unificata. Non esiste quindi un tempo assoluto universale nel senso attribuitogli dalla meccanica newtoniana.

Con la relatività generale, la trasformazione divenne ancora più profonda: la geometria dello spaziotempo non costituisce semplicemente uno scenario immutabile nel quale si muovono i corpi, ma è dinamica ed è strettamente legata alla distribuzione di materia ed energia. Ciò che nella fisica newtoniana veniva descritto come forza gravitazionale assume nella relatività generale una descrizione geometrica attraverso la struttura dello spaziotempo.

L’universo non poteva più essere pensato semplicemente come una macchina che evolve all’interno di uno spazio immobile e di un tempo identico per tutti.

L’orologio cosmico di Newton stava per lasciare il posto a una realtà molto più sorprendente.

La domanda non era più soltanto:

come si muovono i corpi nello spazio e nel tempo?

Bisognava cominciare a chiedersi:

che cosa sono realmente lo spazio e il tempo?