Con Isaac Newton la fisica trova la sua sistemazione. A parte il contributo dato alla scienza con la scoperta della legge di gravitazione universale, con le ricerche sulla luce e sulla sua scomposizione, Newton, da buon matematico, propone il suo metodo che chiama: "regulae philosophandi", interpretato come regole di ricerca. Proviamo a riassumerle brevemente:

1) Un fenomeno deve essere studiato solo con quelle cause che bastano a spiegarlo.

2) Gli effetti uguali devono essere riferiti alla stessa causa (la luce del sole e la luce di una candela si propagano nello stesso modo).

3) Esperimenti sulle qualità di alcuni corpi si possono estendere anche ad altri (la durezza è una proprietà dei corpi).

4) Una proposizione è valida fino a quando non si trova un esperimento che chiaramente la fa decadere.

L'opera che si costituì a fondamento della meccanica e della fisica classica è "Philosophiae naturalis principia mathematica". Newton è noto per la sua teoria corpuscolare sulla luce (una sorgente luminosa emette corpuscoli che urtano l'occhio), per aver scoperto che la luce si può scomporre e ricomporre (disco di Newton), per le leggi sul moto e per la gravitazione universale. Newton ebbe chiaro il concetto di forza (forza di gravità, forza magnetica, inerzia) e il concetto di massa. Sembra che Newton abbia intuito la possibilità di satelliti artificiali e di viaggi nello spazio.

Per quanto riguarda il tempo e lo spazio egli fa queste distinzioni:

1. Tempo relativo, la misura che si esprime con l'ora, il mese e l'anno.

2. Tempo assoluto, che fluisce uniformemente e si chiama durata.

3. Spazio relativo, la misura che cade sotto la nostra esperienza.

4. Spazio assoluto, che rimane sempre simile e immobile.

Vedremo che Einstein criticherà il tempo e lo spazio assoluto e rivoluzionerà la fisica con la teoria della relatività.

 

LA TEORIA ONDULATORIA DI HUYGHENS

Cristiano Huyghens (1629-1695), matematico e fisico olandese, pur ammirando la precisione degli esperimenti di ottica di Newton contrappose alla teoria corpuscolare una teoria detta ondulatoria. In effetti sembrava strano a Huyghens che la luce fosse fatta di corpuscoli perché quando i corpuscoli incontravano un oggetto avrebbero dovuto subire degli scombussolamenti, e questo in effetti non accadeva. Egli propose quindi di considerare la luce un fenomeno di propagazione per onde. Ma a questo punto sorgeva un problema: le onde di un sasso si propagano nell'acqua, le onde sonore si propagano nell'aria, ma non in un ambiente in cui sia stato fatto il vuoto. In altre parole le onde si propagano se esiste un mezzo che le sostiene. Quale mezzo poteva sostenere le "onde di luce" provenienti dallo spazio (luce del sole e delle stelle)? La difficoltà fu aggirata inventando una sostanza sottile ed elastica che riempiva l'universo: a questa sostanza fu dato il nome di etere. Poiché in questo modo si potevano spiegare numerosi fenomeni di ottica, l'etere cosmico ebbe diritto di cittadinanza nel mondo della fisica.

 

I MATEMATICI

Nepero (John Napier), matematico scozzese (1550-1617), aveva aperto nuove possibilità di calcolo con l'invenzione dei logaritmi. Toccò a un discepolo di Galileo Galilei, Bonaventura Cavalieri (1598-1647), l'onore di diffonderli in Italia. Questo matematico milanese è noto anche per i suoi studi di geometria e anche per aver dato il via, senza saperlo, alle geometrie non euclidee. Cavalieri si può anche considerare un precursore del calcolo differenziale e integrale che ha permesso notevoli sviluppi della fisica. Pascal, Fermat, lo stesso Newton si occuparono di matematica.

Merita di essere ricordato Wilhelm Leibniz (1646-1716) che contribuì con Newton alla scoperta del calcolo infinitesimale. Non possiamo approfondire, da un punto di vista tecnico, questi argomenti. Tuttavia ricordiamo che in questo periodo e in seguito si affermarono nomi come Bernoulli, Cramer, Saccheri, Eulero. I sovrani d'Europa si contesero i più famosi scienziati che gravitavano attorno alle Accademie e che non disdegnavano lezioni private a principi e principesse.

Leonardo Eulero (1707-1783), nato a Basilea, fu allievo di Giovanni Bernoulli. Eulero, oltre a sistemare la meccanica fisica, sviluppò il calcolo differenziale e integrale (analisi). Certo conosci i suoi diagrammi circolari, detti appunto diagrammi di Eulero. Più tardi John Venn (1834-1925), inglese, introduceva diagrammi con forma di linea chiusa qualsiasi. Molti autori uniscono i nomi di questi due studiosi e indicano i diagrammi con il nome di "diagrammi di Eulero-Venn". Eulero, che dal suo matrimonio aveva avuto ben tredici figli, trascorse gli ultimi anni della sua vita colpito da cecità. Nonostante questo, continuò a lavorare. Fu considerato un vero calcolatore prodigio tanto che alla sua morte si disse di lui: "egli cessò di vivere e di calcolare".

In questo periodo la vita scientifica si svolgeva nelle Accademie, nelle Università1 alle corti dei sovrani. La cultura illuministica fu trascritta nell'ENCICLOPEDIA di Diderot e di D'Alembert nel 1751. D'Alembert fu matematico e fisico e studiò in particolare la dinamica dei fluidi. In Francia la matematica era insegnata anche nelle scuole militari. In questo paese la Rivoluzione (1789) portò una ventata di democrazia.

Dopo la morte di Newton l'acustica, lo studio dei gas e il calore sono le scienze che si sviluppano di più e portano un notevole contributo alla rivoluzione industriale ormai in atto nella società. Ancora all'epoca della Rivoluzione francese, quando erano già noti gli strumenti di misura e le relative scale termometriche, il "calorico" era considerato un fluido. Le prime macchine termiche furono costruite da Savery e da Newcomen nel lontano 1698. Lazzaro Carnot mise a punto gli studi sulla termodinamica e Joule determinò l'equivalenza fra calore e lavoro. La tecnica e le conoscenze di fisica favoriscono lacostruzione di veicoli a vapore negli ultimi vent'anni del settecento.

Nel 1814 George Stephenson realizzò la locomotiva "The racket" (il razzo) che poteva viaggiare alla folle velocità di 28 km/h. Con Giacomo Watt la motrice a vapore viene migliorata e l'Europa e il mondo si apprestano a sfruttare questa nuova fonte di energia. L'automobile e l'aereo sono ormai quasi a portata di mano. La navigazione a vapore permette gli scambi commerciali e lo sviluppo della politica coloniale.

 

I FENOMENI ELETTRICI

L'uso della bussola, introdotta dagli Arabi, fu perfezionato. Sembra che già Cristoforo Colombo conoscesse la declinazione magnetica (angolo fra l'ago della bussola e il meridiano). In Italia si occupò di magnetismo Giovanni Battista Porta, contemporaneo dell'inglese Guglielmo Gilbert che già nel 1544 tentò una teoria sull'attrazione dei corpi elettrici. Ottone di Guericke costruì la prima vera macchina elettrostatica: una sfera di zolfo che, girando su se stessa, si elettrizzava e attirava pezzettini di carta.

La scoperta di elettricità vitrea e resinosa (Cisternay du Fay, 1698-1739), della bottiglia di Leyda (Giovanni Nollet, 1700-1770) e di altre macchine elettrostatiche rese possibile proporre al pubblico i fenomeni elettrici. In certi salotti si tenevano esperimenti che facevano scoccare scintille fra le dita dei partecipanti. Le scosse della bottiglia di Leyda provocarono anche la morte di piccoli animaletti. Qualche medico propose di usare le scariche elettriche per curare malattie. Lo stesso Beniamino Franklin (1706-1790), noto inventore del parafulmine, si occupò di questi esperimenti, anzi dobbiamo a lui il termine "collegamento in batteria" dei condensatori.

L'invenzione di altri condensatori, oltre alla bottiglia di Leyda, e gli studi di Giambattista Beccaria (1716-1781) portarono nuovi contributi alla conoscenza di questi fenomeni. Possiamo ricordare tre importanti scienziati.

Carlo Agostino Coulomb (1736-1806). Misurando le cariche elettriche con una particolare bilancia (bilancia di torsione dei metalli) estese alle cariche elettriche le leggi dell'attrazione e della repulsione proposte da Newton per l'universo. Luigi Galvani (1737-1798), medico bolognese, sperimentò i fenomeni elettrici sulle rane. Alessandro Volta (1745-1827), sperimentatore preparato, ripetuti gli esperimenti di Galvani, entrò in aperta polemica con il medico bolognese. Galvani affermava l'origine animale dell'elettricità che aveva potuto riscontrare in rane morte e toccate con un arco metallico (le rane davano una forte contrazione). Volta invece affermava che la elettricità aveva sede nell'arco metallico (è noto l'effetto Volta di due metalli messi a contatto). La polemica durò a lungo e portò Volta verso la scoperta della sua famosa pila. Anche le idee di Galvani furono comunque rivalutate con la scoperta di elettricità di origine animale. La pila di Volta doveva dare sostanziosi risultati anche negli studi della chimica (elettrolisi).

 

ELETTRICITA' E MAGNETISMO

Cristiano Oersted (1777-1851) provò che una corrente rettilinea può deviare l'ago di una bussola e Andrea Maria Ampère (1775-1836), studiò il comportamento fra corrente elettrica e magnete. Altri si interessarono di elettricità fra cui Giorgio Simone Ohm (1789-1854). Si stabilirono le misure elettriche di cui si occupò un grande matematico: Carlo Federico Gauss (1711-1855). Fu fisico, astronomo ma soprattutto matematico. Studiò le equazioni algebriche e si interessò di calcolo delle probabilità. Sembra che si possa attribuire a Gauss l'invenzione del telegrafo quasi contemporaneamente a Samuele Morse (1781-1872). A Gottinga esiste una sua statua posta su una base a forma di prisma con 17 facce per ricordare un suo noto teorema. L'elettricità incomincia a occupare un nuovo posto nella fisica e si avvia a dare un notevole contributo alla rivoluzione industriale.

Le ricerche di Michele Faraday (1791-1867) sull'induzione elettromagnetica portarono a risultati tecnici notevoli: la costruzione del motore elettrico e della dinamo nella prima metà dell'ottocento (Ippolito Pixii, Luigi Palmieri, Antonio Pacinotti). Altre applicazioni si trovano nel campo delle comunicazioni con l'invenzione del telefono nel 1848 la cui priorità fu contesa fra Antonio Meucci e Alessandro Bell. Negli ultimi anni dell'ottocento il motore a campo magnetico rotante di Galileo Ferraris dava all'umanità un mezzo per aumentare la disponibilità di energia.

 

LA TEORIA ELETTROMAGNETICA

Inizialmente i fenomeni elettrici furono interpretati come se l'elettricità fosse un fluido (ricordiamo che anche il "calorico" fu considerato un fluido), più tardi fu necessario introdurre le cariche elettriche positive e negative. Man mano che le conoscenze si estendevano la teoria si faceva più complessa. Oggi le cariche negative sono identificate con gli elettroni. L'elettrolisi e le ipotesi sulla struttura atomica della materia acquistavano credibilità presso gli scienziati.

Si deve a James K.Maxwell uno studio matematico approfondito sui fenomeni elettromagnetici ponendo come spiegazione dei fenomeni stessi le sue famose equazioni che molti fisici avversarono. Maxwell è noto anche come fondatore della teoria elettromagnetica della luce. Ricordiamo che la velocità della luce era stata determinata nella metà dell'ottocento da Foucault e da Fizeau. Negli ultimi cinquant'anni del secolo le scoperte si susseguono. I raggi catodici sono studiati da Eugenio Goldstein eda William Crookes; Tommaso Alva Edison realizza la lampadina e scopre l'effetto Edison; Wilhelm Ròentgen trova i raggi X che porteranno un insperato aiuto nelle diagnosi mediche.

Negli ultimi anni dell'ottocento gli scienziati tentano anche di dimostrare l'esistenza dell'etere che avrebbe potuto spiegare molte teorie rimaste oscure. Gustav Ludwing Hertz, sperando di confermare la presenza dell'etere, prova l'esistenza delle onde che porteranno il suo nome e che avranno notevole importanza per le trasmissioni a distanza, via radio. Ancora un altro tentativo condotto da due fisici, Michelson e Morley, dà risultati negativi. L'etere cosmico, che sarebbe stato comodo per spiegare molte teorie, non esiste. Su questo argomento ritorneremo ancora per la sua importanza con lo sviluppo della teoria della relatività.

Intanto i fisici invadono un campo che era sempre stato appannaggio della chimica. Nel 1895 Jean Perrin dimostra l'esistenza dell'elettrone; qualche anno dopo Henri Becquerel scopre la radioattività naturale. Il primo modello di atomo pensato da Lord Kelvin ha un elettrone al centro ed è circondato da elettricità positiva. J.l. Thomson e Hantaro Nagaoka dovevano dare il primo contributo per modificare questo modello.