Che cos’è la materia? – (Parte I)

“Il giardino delle delizie” (H. Bosch, 1485)

Che cos’è la materia? (Parte I)

di Giorgio Masiero

Prologo

Un giorno l’insegnante di matematica e fisica di liceo ci portò in laboratorio e ci parlò del campo magnetico. Prese un magnete a ferro di cavallo, lo posò su un foglio di carta e vi sparse della limatura di ferro. Poi agitò lievemente la carta. Oh! Come per magia, la minuteria metallica si dispose in curve perfette da un polo all’altro del magnete, tanto più nitide e contigue quanto più vicine ai poli. Ecco le linee di forza del campo magnetico! esclamò il professore. Il campo magnetico del magnete prima magnetizza ogni pezzettino di ferro – spiegò –, trasformandolo in una piccola calamita e poi lo orienta verso i poli del magnete, con una forza tanto maggiore quanto più il truciolo di ferro è vicino a quelli. La Terra – proseguì – è un gigantesco magnete, con i poli magnetici coincidenti press’a poco con i poli geografici. Quando usiamo una bussola, il campo magnetico terrestre orienta il piccolo ago della bussola verso il Polo Nord, così rivelandoci le direzioni geografiche. Ok, tutto bene. Ma il gioco sornione del prof era appena cominciato…

Cosa succede al campo magnetico terrestre – ci incalzò a quel punto – quando non ci sono bussole intorno? ci sono ancora le linee del campo magnetico senza la limatura di ferro? Qui caddi perplesso. Se non ci sono aghi o trucioli, di che linee parla? – mi chiesi –. Una linea non può esistere senza materia (inchiostro o grafite o ferro o comunque atomi di qualche tipo) di cui sia fatta: quando la biro cessa di scrivere, devo sostituire la carica se voglio continuare a tracciare linee e segni! D’altra parte però, cosa c’è nell’aria, anzi nel vuoto (essendo il campo magnetico terrestre diffuso nello spazio) che, in presenza di minuterie o aghi, istantaneamente orienta le une o gli altri?

Il campo magnetico esiste di per sé – chiuse la questione il docente –. L’ago e la limatura servono solo a rivelarci la sua pre-esistenza fisica, indipendente dalla materia che lo rivela. Prima botta.

Fig. 1 – Le linee di campo

Quello magnetico è solo uno di tanti “campi fisici” – continuò –. Ci sono anche il campo elettrico ed il campo gravitazionale ed altri che studierete all’università, se vi piacerà. Seconda botta.

Che cos’è un campo fisico? È un veicolo di energia che viaggia alla velocità della luce[i]. La luce stessa è un campo, precisamente un campo elettromagnetico, avente un’intrigante struttura matematica che studierete all’università, se v’interesserà. Terza botta.

A questo punto pensai: molti si dicono materialisti, a significare che la materia è tutto; altri si dicono spiritualisti, per dire che la materia è secondaria e conta solo la mente; ma quanti degli uni e degli altri conoscono il significato della parola “materia”? e che cosa sa la scienza naturale delle proprietà della materia? Il mondo è molto, molto più complicato di quanto si pensi comunemente, non è fatto solo di materia, ci sono anche i campi. E ci sono relazioni tra i due. Questo seppi finalmente (o meglio, credetti di sapere finché non appresi qualche anno dopo dell’esistenza di un altro agente fondamentale ancora) e la voglia instillatami dal professore di conoscere la grana di cui è fatta la natura fu la molla irresistibile per cui scelsi la facoltà di fisica dopo il liceo.

Le origini del concetto

Il concetto di materia è nato in Occidente insieme alla filosofia ed ha avuto una storia ricca, suddivisibile in 3 fasi: la prima, durata 2 millenni, va dai Greci fino al Medio evo e al Rinascimento; la seconda, iniziata nel ‘600 con l’affacciarsi perentorio della scienza moderna e la scissione di questa dalla filosofia, è finita a inizio ‘900; la terza fase coincide con le (almeno 4) rivoluzioni scientifiche del XX secolo e le ultime scoperte cosmologiche. In questo articolo tratteremo le prime 2 fasi; al prossimo articolo la descrizione della terza.

Nella sua “Fisica”, analizzando le trasformazioni del mondo naturale, Aristotele adottò la parola yle, che significa legname (e in generale tutto ciò che serve alla costruzione di una casa), per esprimere il concetto di substrato indistinto che aveva in mente. Prima di lui, i filosofi jonici avevano cercato di capire in che cosa consistesse il Caos primigenio donde si era evoluto il Cosmo attuale, dividendosi sulla natura del materiale primitivo, che avevano associato a sostanze comuni (come l’acqua o l’aria o il fuoco, ecc.), piuttosto che ricorrere ad astratti concetti. Ma l’idea che dovesse esserci una sostanza (sub-stans, in latino ciò che sta sotto) non solo originaria, ma anche permanente nelle trasformazioni naturali, era nata indubbiamente nella scuola presocratica di Mileto (VI secolo a.C.).

Platone invece non si preoccupò di trovare un vocabolo per il costituente finale delle cose sensibili, che considerava a priori solo imperfettamente intellegibili, essendo più attratto dai loro modelli ultramondani, le Idee immutabili per sé perfettamente descrivibili dalla matematica. Le cose sensibili sono contenitori imperfetti delle idee eterne: questa la concezione platonica. A quei tempi poi, non si sapeva del ruolo paritario dei sessi nella meiosi e si pensava che fosse il maschio la causa principale nella generazione degli animali, e che alla femmina competesse il ruolo secondario di portatrice passiva d’un utero come semplice ricettacolo necessario allo sviluppo dell’embrione durante la gravidanza. Nella generazione il maschio mette la “forma”, cioè il programma genetico – diremmo oggi –, la femmina la materia[ii]. Nel “Timeo”, dove particolarmente Platone affronta il problema della relazione tra le forme ideali e le cose sensibili, le parole in greco antico usate per ricettacolo sono kora, spazio vuoto, pura estensione senza forma, e méter, che significa madre (in latino mater, da cui materia). Lo spazio-utero a disposizione dell’Idea è instabile, dice Platone, cosicché nessuna Idea può pienamente abitarvi. Donde l’imperfezione del mondo sensibile, la sua limitata intelligibilità e la sua distanza dal Bene.

Aristotele coltivava invece una concezione più vicina alla nostra, scientifica. O forse è più giusto dire che noi abbiamo appreso da lui: egli non vedeva nel mutamento una ragione di allontanamento dall’intelligibilità, ma al contrario considerava lo studio del “moto” (da intendersi non soltanto come cambiamento di posizione, ma come ogni tipo di mutazione) l’unico mezzo per capire il mondo. Per lui, il punto di partenza è il mondo naturale delle cose animate ed inanimate, con le loro incessanti trasformazioni; non il cielo al di sopra di tutti i cieli delle Forme matematiche immutabili. Il moto è la caratteristica del mondo naturale, l’immutabilità appartiene all’empireo: questa la concezione aristotelica. Quanto alla matematica, se i triangoli e i quadrati di Euclide sono realizzati imperfettamente in una squadra di legno o in una piastrella di rame, le forme viventi invece sono pienamente realizzate negli individui delle specie biologiche.

Il mondo naturale di Aristotele è composto di sostanze, unità esistenti per proprio conto come le cose viventi. Quando una sostanza cessa di esistere, come la legna che si brucia producendo calore, luce, cenere e fumo o come l’acqua in una bacinella che all’aria si squaglia in vapore, accade il passaggio da una sostanza all’altra, e mai un parmenideo salto dall’essere al non essere. Ma ciò significa che, insieme a ciò che muta (la forma) c’è qualcosa che è conservato così da assicurare la continuità, e quindi la realtà, nelle trasformazioni che accadono in natura. Ecco la grande intuizione di Aristotele, che è alla base dei principi di conservazione della scienza moderna. E ciò che viene conservato non può avere caratteristiche di alcun tipo, dev’essere un indistinto, altrimenti sarebbe un’altra sostanza – obiettò Aristotele ai presocratici che proponevano sostanze come l’acqua o l’aria a fondamento delle cose –. Così arriviamo all’yle, la materia, una cosa scarnificata d’ogni proprietà e presente in forme diverse in ogni sostanza. Tutte le sostanze naturali (l’acqua, il fuoco, il ferro, il sangue,…) sono fatte di materia e forma, ed ogni trasformazione naturale consiste in un cambio di sostanze dove muta la forma e rimane la materia. Nulla Aristotele speculò sulla forma che aveva conferito all’yle la sostanza iniziale del Caos. Sulla forma dell’Inizio invece, molto avrebbero investito in sforzi mentali i suoi successori, compresi i cosmologi contemporanei del Big Bang e delle stringhe.

La Scolastica medievale affinò ulteriormente i concetti fondati dai Greci. Per cominciare, introdusse l’individuazione, distinguendo la materia “prima” dalla materia “signata quantitate”, cioè in quantità determinata. Che cosa distingue due pezzi di rame? Non certo la forma, perché sempre di rame si tratta. La forma non può essere principio d’individuazione. Sicché questa proviene dalla materia; dalla quantità di materia, com’era nelle categorie aristoteliche? Sì, ma non solo, perché i due pezzi di rame possono contenere la stessa quantità (avere lo stesso peso), eppure sono distinti. L’individuazione di un pezzo dall’altro ha chiaramente a che fare, oltre che con la quantità di materia, con lo spazio e il tempo che i due ricettacoli occupano. Ecco l’introduzione della materia signata quantitate, come data quantità di materia occupante una posizione X ad un istante t, da distinguersi dal concetto generale di materia prima.

Questo progresso della Scolastica ebbe conseguenze importanti, perché aprì la strada alla definizione che avrebbe adottato la scienza moderna nel XVII secolo. Prendiamo i fenomeni della rarefazione e della condensazione, che appaiono quando l’acqua diventa vapore e viceversa. Ci sono evidenti vincoli quantitativi della materia signata quantitate in queste trasformazioni, che lo scolastico inglese Riccardo Swineshead[iii] mise in luce per primo. Su basi intuitive, egli suggerì che la quantità di materia è proporzionale al volume e alla densità della sostanza, ciò che è valido tuttora ed in ogni trasformazione fisica si traduce nella cosiddetta equazione di continuità.

Un altro progresso della Scolastica rispetto ad Aristotele si ebbe con il filosofo e logico francese Giovanni Buridano (1295-1358). Buridano postulò che i corpi in libero movimento avessero una proprietà (impetus) che si conserva in assenza di contatti e che misura la resistenza di un corpo a variare la sua velocità. Egli postulò anche che l’impetus fosse proporzionale alla quantità di materia del corpo. Identificando l’impetus con l’impulso, i postulati di Buridano saranno due secoli dopo tradotti da Newton nei primi due principi della dinamica e in un principio di conservazione.

Nella netta distinzione tra anima e corpo, tra ciò che è incorruttibile e ciò che è corruttibile, la Scolastica seguì invece Socrate e Platone. Essa restaurò il dualismo tra materia e spirito, e nel contrasto la prima voce stava ad indicare tutto ciò che appartiene al mondo fisico, escludendovi l’intelletto umano che non poteva per quei pensatori essere ridotto al corpo. Lo stesso Tommaso d’Aquino, che aveva ben presente l’importanza del corpo e la sua indivisibilità nell’uomo dalle facoltà superiori, preferì catalogare la mente nel campo delle cose immateriali e trascurare le questioni che questa divisione avrebbe aperto, oggi costituenti il mind-body problem e tuttora irrisolte.

L’avvento della scienza moderna

Nel XVII secolo, nell’uso del nuovo metodo galileiano sancito esplicitamente dal pisano nella lettera dell’1 dicembre 1612 a Mark Welser, la filosofia naturale abbandonò il concetto aristotelico di sostanza per quello matematizzabile (cioè: racchiuso in un numero o in una stringa di numeri) di affezione, che oggi chiamiamo grandezza. I primi, immediati successi della nuova geometria analitica di Descartes (1596-1650) applicata allo studio del moto dei corpi fornirono la prova che riducendo la materia dei corpi a res extensa (che sta per una pura combinazione geometrica di volume e forma) si rendeva il mondo intellegibile alla mente: bastava aggiungere un principio di conservazione del moto ed il principio di località, ovvero le due assunzioni intuitive che i corpi sono portati a mantenere il loro stato dinamico e che s’influenzano solo quando vengono in contatto (ovvero, è esclusa la cosiddetta azione a distanza). Dalla riduzione della materia a pura estensione senza densità nacquero presto però alcune difficoltà, il cui superamento avrebbe portato alla separazione della cinematica dalla dinamica. Le 3 principali furono:

1)      L’impenetrabilità. Come spiegare questa caratteristica dei corpi con la pura estensione geometrica? Le figure geometriche sono sovrapponibili, i corpi reali no.

2)      La dinamica dell’urto. Se è vero, come mostrò Galileo coi gravi lasciati precipitare dalla torre di Pisa, che i tempi di caduta dei corpi non dipendono dai pesi, negli urti invece i moti risultanti dipendono (come si osserva negli scontri fisici o nel gioco del biliardo) non solo dalla forma geometrica e dalla velocità dei corpi, ma anche dai loro pesi. Quindi c’è una proprietà non geometrica che conta nel moto: la densità di materia di scolastica memoria.

3)      Il vuoto. Se la materia coincide cartesianamente con l’estensione, lo spazio vuoto non esiste. Ma allora, dove e come si muovono i corpi impenetrabili? in una materia del secondo tipo, penetrabile?

Per superare queste difficoltà la res extensa di Descartes venne gradualmente implementata di nuove proprietà dinamiche: l’impenetrabilità, l’inerzia, la mobilità, la densità,… che furono chiamate le “proprietà primarie”, per dire oggettive, perché indipendenti tra loro e dal soggetto percettore. L’antico atomismo (à-tómos, inscindibili) della scuola di Leucippo e Democrito (Abdera, V secolo a.C.) ritornò in auge col nuovo nome di teoria corpuscolare. Secondo tale congettura la materia indistinta risulta compressa in corpuscoli impenetrabili di diverse forme e grandezze, impacchettati con densità diversa nei corpi, i quali si muovono nello spazio vuoto.

La teoria corpuscolare, a parte alcune trasformazioni fisiche che furono ben descritte da Robert Boyle (1627-1691), non fu inizialmente di grande utilità scientifica. Essa acquisì invece subito importanza tra i filosofi, che si divisero sulla questione se le “proprietà secondarie” della materia (le qualità dipendenti dal percettore come i colori, i sapori, ecc.) dipendessero dalle primarie (visione materialistica di La Mettrie, d’Holbach, ecc.) o fossero da quelle indipendenti, in quanto appartenenti alla res cogitans (visione dualistica di Descartes).

Fu piuttosto Newton nei suoi “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (1687) a portare nuove idee. Alla sua meccanica terrestre e celeste serviva un concetto di materia che unisse 3 proprietà:

1)      la quantità di materia contenuta in un corpo (materia signata quantitate),

2)      la resistenza del corpo a cambiare il suo stato di moto (inerzia) e

3)      la capacità del corpo ad attrarre altri corpi e ad esserne attratto (gravitazione).

Un unico concetto, ça va sans dire, scientifico, ovvero una grandezza rappresentata da un numero reale positivo. E Newton inventò la massa insieme alla sua teoria gravitazionale.

La nuova teoria lasciò tutti incantati per la sua capacità unificante e predittiva: la caduta dei gravi, le maree, la balistica dei proiettili, i moti celesti, le leggi di Keplero, ecc., tutti questi fenomeni del cielo e della Terra erano predetti da una stessa equazione! Altrettanto essa lasciò tutti interdetti però per la sua non località: che corpi distanti milioni di chilometri come sono gli astri, separati dal vuoto, possano influenzarsi vicendevolmente con una forza attrattiva istantanea, e che ciò possa accadere senza l’interposizione d’un mezzo materiale appariva quanto di più opposto si potesse pensare al concetto di materia e di più assurdo anche sul piano logico…, a meno di non postulare invece la presenza d’un mezzo di trasmissione privo d’inerzia ed invisibile, che Newton prima chiamò ”spirito elastico” e poi “mezzo immateriale”. Ma così si ricadeva fuori del metodo scientifico, che impone di stare alle cose osservabili e misurabili. Non restò a Newton che arrendersi, con le famose parole “Hypotheses non fingo” (“Non fabbrico ipotesi”), inserite in una nota esplicativa, lo “Scholium generale”, alla seconda edizione del 1713 dei Principia.

Lo “Scholium generale” di Newton

Con piccole aggiunte e modifiche, lo Scholium fu ripreso anche nella terza edizione del 1726. Questa appendice è importante per capire il metodo scientifico galileiano-newtoniano della nuova filosofia naturale.

Oggi, abbastanza impropriamente, sono chiamate scienze solo le discipline che utilizzano questo metodo, quasi che non esistano altre procedure d’indagine e di controllo, capaci di fornire conoscenza. Invece, a seconda dell’area di ricerca, metodi diversi risultano più adatti all’investigazione e alla verifica d’ipotesi esplicative, e tutte insieme concorrono a costituire il sistema dinamico multi-disciplinare con cui l’uomo descrive in maniera approssimata e parziale il mondo, tentando anche di controllarlo. È un fatto che il metodo galileiano, con la sua capacità replicativa, si caratterizza per la tecnica, che è potenza sulla natura. Ma se definiamo in generale scienza tutto il sistema umano di conoscenze, ottenute attraverso un processo organizzato e rigoroso di ricerca, finalizzato all’elaborazione di rappresentazioni linguistiche coerenti con la realtà (eventualmente anche nei suoi aspetti meno direttamente controllabili), allora la scelta di considerare solo il metodo galileiano-newtoniano è l’opzione di una visione filosofica, tradizionalmente chiamata positivismo, che si è rivelata portatrice di aporie insuperabili. E noi, quando ci riferiremo specificatamente alle discipline che usano il metodo galileiano-newtoniano, le chiameremo scienze naturali, o tecno-scienze, o scienze sperimentali.

Per la sua legge di gravità, Newton non aveva proposto alcuna causa efficiente della controintuitiva azione istantanea a distanza ed era stato perciò accusato dai seguaci del metodo deduttivo di Euclide, esteso da Descartes e Leibniz (1646-1716) ai fenomeni fisici, d’introdurre nella scienza agenzie occulte. Con la frase “Hypotheses non fingo”, Newton intendeva così rigettare dalla fisica il metodo geometrico di ricavare le leggi a partire da assiomi evidenti, piuttosto che partendo dalle osservazioni empiriche: “Io non sono stato finora in grado di ricavare dai fenomeni la causa delle proprietà della gravità e io non fabbrico ipotesi. Perché qualunque cosa che non è dedotta dai fenomeni si deve chiamare ipotesi; e tutte le ipotesi, che siano metafisiche o fisiche, basate su qualità occulte o meccaniche, non hanno posto nella filosofia sperimentale”.

Nello Scholium, Newton contrappone al metodo deduttivo il metodo induttivo: prima si osservano attentamente i fenomeni naturali e poi si cercano le regole generali che li governano, non l’incontrario. Così lui aveva trovato le leggi della dinamica e della gravitazione: “Nella mia filosofia le proposizioni particolari sono inferite dai fenomeni e poi rese generali dall’induzione. Così sono arrivato a scoprire l’impenetrabilità, la mobilità e la forza d’impulso dei corpi, e infine le leggi del moto e della gravitazione. E per me è abbastanza che la gravità esiste e agisca secondo le leggi che ho scoperto e che risulti abbondantemente capace di spiegare tutti i moti dei corpi celesti e del mare”.

Ma è proprio vero che “la gravità esiste”? Qui Newton si fa un po’ prendere la mano dal successo della sua meccanica e confonde i fatti di natura con le teorie.  Invece, l’Aquinate ci ricorda: “Ci sono due modi diversi di render conto di una cosa. Il primo consiste nello stabilire con una dimostrazione sufficiente l’esattezza di un principio da cui questa cosa deriva; così, in filosofia naturale, si dà una ragione sufficiente a provare l’uniformità dei moti del cielo. Un secondo modo di render ragione di una cosa consiste non nel dimostrare il suo principio con una prova sufficiente, ma nel far vedere come gli effetti si accordino a un principio precedentemente posto; così, in astronomia si rende conto degli eccentrici e degli epicicli per il fatto che, per mezzo di quest’ipotesi, si possono salvare le apparenze sensibili relative ai moti celesti; ma non è, questo, un motivo sufficientemente probante, perché questi moti apparenti si potrebbero salvare per mezzo di un’altra ipotesi” (Summa Theologiae, parte I, questione XXXII, art. I). In poche righe Tommaso sviluppa il nucleo dell’epistemologia che Karl Popper avrebbe riproposto 7 secoli dopo.

Per il resto lo Scholium s’intrattiene su questioni metafisiche e teologiche, che pur di grande interesse sono fuori dall’argomento di questo articolo. Basti dire che Dio vi viene definito come l’essere intelligente, onnipotente ed onnipresente che governa tutte le cose; come la spiegazione finale delle leggi di natura che la nuova scienza scopre: “Questo bellissimo sistema del Sole, dei pianeti e delle comete può solo procedere dalla guida e dal dominio di un essere intelligente. E se le stelle fisse sono i centri di altri sistemi simili [a quello solare], anch’esse saranno state formate dalla stessa guida saggia e saranno soggette al dominio dell’Uno […] il Quale governa tutte le cose, non come anima del mondo, ma come Signore sopra tutto. Per la ragione di questo dominio Egli deve essere chiamato il Signore Dio παντοκρατωρ[iv], o Governatore dell’Universo”. Con queste considerazioni però, ora Newton fabbrica ipotesi, esce dal metodo della scienza sperimentale. Quale sia la causa delle leggi naturali è il problema che sarà riproposto 250 anni dopo da Eugene Wigner, premio Nobel 1963 per la fisica, nel suo articolo spettacolare “L’irragionevole efficacia della matematica nelle scienze naturali”. Un enigma irresolubile col metodo galileiano-newtoniano e appartenente alla filosofia.

Altri problemi col concetto di massa

I problemi con la materia concepita come massa non riguardavano solo la gravitazione e le sfere celesti; ce n’erano anche altri più terra terra, diciamo, altrettanto gravi. Uno è la trasparenza del vetro e di altri corpi alla luce. Se la luce è fatta di atomi ed il vetro pure, e se gli atomi sono impenetrabili, com’è che la luce attraversa anche vetrate di grosso spessore? Se anche gli atomi di luce evitano quelli del vetro passando per gli interstizi vuoti, dovrebbero comunque essere rallentati ed in gran parte bloccati negli urti. L’unica risposta è postulare che gli stessi corpi materiali sono per lo più vuoti, con lo spazio occupato dagli atomi relativamente piccolo rispetto al volume totale dei corpi.

Fig. 2 – Quarzo con rutilo

Un altro problema è offerto dai cristalli, che sembrano dimostrare che gli stessi atomi sono vuoti e quindi, contrariamente alla teoria corpuscolare, penetrabili. Osserviamo per es. un quarzo contenente rutilo al suo interno (Fig. 2). I cristalli di rutilo formano prismi diritti, sottili come spilli, orientati in ogni direzione all’interno del quarzo. Questo e quelli sono cresciuti in milioni di anni senza disturbarsi. Ma come sono cresciuti gli aghi di rutilo senza mai scontrarsi con gli atomi del quarzo? senza piegarsi, né deformarsi? L’unica risposta sembra essere che non solo il solido di quarzo è vuoto, ma che gli stessi atomi che ne compongono la struttura prismatica esagonale sono attraversati dagli atomi che compongono la struttura tetragonale del rutilo. Fine della democritea impenetrabilità dei corpuscoli.

Insomma, se la massa inerziale della dinamica di Newton ci racconta un mondo composto di corpi materiali, solidi e impenetrabili, al contrario la teoria della gravitazione universale del medesimo Newton, nonché comuni osservazioni, ci portano alla conclusione che “la materia costituisce la parte più insignificante dell’Universo” come ebbe ad esprimersi un discepolo[v] del genio britannico, perché a contare veramente sono le forze immateriali che riempiono lo spazio vuoto, dando accelerazione ai moti, (apparenza di) solidità ai corpi e forme platoniche ai cristalli. Al punto che tutta la materia del sistema solare poteva stare secondo Newton in un “guscio di noce”, ci riferisce un altro suo seguace[vi].

Spettò all’astronomo, matematico, fisico, filosofo e poeta Ruggiero Boscovich (1711-1787), un gesuita dalmata, portare i ragionamenti scientifici alle loro logiche conclusioni. Per prima cosa egli dismise il concetto di materia solida estesa (una fusione, come abbiamo visto, di teoria atomistica di Abdera, Scolastica e metafisica cartesiana) a favore d’una teoria delle forze centrali. Oltre alla forza gravitazionale attrattiva di lungo raggio, Boscovich postulò l’esistenza d’una forza repulsiva di corto raggio centrata su diversi punti e i cui effetti sono equivalenti a quelli dei vecchi atomi collocati negli stessi centri. Gli “atomi” di Boscovich non sono sferette massive, composte di materia indefinita ed inosservabile, le cui superfici risultano impenetrabili alle altre sferette, ma più semplicemente sono i centri spaziali di una forza repulsiva il cui superamento, con il diminuire della distanza, diventa via via più difficile fino a diventare impossibile a un dato (piccolissimo) raggio[vii].

Prima dell’intuizione di Boscovich, ogni potenzialità era aristotelicamente associata ad un’attualità. Invece la forza repulsiva a corto raggio del gesuita croato non postula masse attualizzate (nella quantità di materia, nello spazio e nel tempo) tra cui esercitarsi, ma è pura potenza. Quando il giovane Kant provò a cimentarsi con la sfida posta da Boscovich non poté fare a meno di riconoscere che essa risolveva tutti i paradossi insiti nella teoria atomistica.

L’entrata sontuosa della chimica

Le contraddizioni della teoria atomistica ed i campi di forza di Boscovich furono comunque snobbati nei secoli XVIII e XIX dal main stream riduzionistico, che trovò conforto nei successi della chimica, della cinetica dei gas e della termodinamica statistica.

Particolarmente la chimica illuminò la struttura corpuscolare della materia, più di quanto non avesse fatto la meccanica newtoniana, imprigionata nei suoi paradossi. Il successo di quella disciplina, che ne sancì il salto dall’alchimia allo stato di tecno-scienza, si dovette principalmente ad un genio francese: Antoine Lavoisier (1743-1794). Prima di lui, nessuno aveva giustificato il giardino di delizie del mondo, l’essenza di milioni di sostanze diverse, gassose, liquide e solide, colorate e incolori, saporite e insipide, velenose e benefiche, filiformi e massicce, cristallizzate e informi, dure e tenere,… animate ed inanimate. Davvero tutte le sostanze del mondo sono fatte di corpuscoli? e i tipi di corpuscoli sono in numero finito, come i 4 di Empedocle (aria, acqua, terra e fuoco) o i 3 di Paracelso (sale, zolfo e mercurio) oppure sono infiniti, come cantava Democrito? e si combinano in ogni modo immaginabile?

Ancora agli inizi del ‘700 l’alchimia ragionava: “La materia della luce, producendo le materie solforose, s’introduce nella sostanza dei corpi, ne cambia l’arrangiamento delle parti e le aumenta e di conseguenza cambia la sostanza stessa dei corpi in tutti i modi in cui essa può effettivamente collocarsi e in quantità differente, la qual cosa produce una varietà infinita. In modo che se si volesse paragonare la varietà delle materie che esistono a quella che potrebbe esistere per mezzo di tutte le combinazioni possibili, noi saremmo obbligati a dire che l’Universo conosciuto è ben poca cosa in confronto di ciò che potrebbe essere, e anche se si avessero numerosi Mondi come il nostro, essi potrebbero essere forniti di oggetti differenti senza cambiare la materia, né la maniera in cui questi oggetti sarebbero composti” (Wilhelm Homberg, “Essais de Chimie”). In questa concezione magica, perché

1)      infinita e continua delle trasformazioni possibili delle sostanze e

2)      liberamente variabile secondo le condizioni storiche e ambientali in cui le mutazioni avvengono,

stava a priori l’impedimento a classificare e nominare le diverse sostanze presenti in natura (ovvero a svolgere la prima fase secondo Aristotele di ogni ricerca scientifica), per non dire a replicare o controllare le reazioni (ciò che corrisponde ad un’altra fase cruciale in tecno-scienza).

Si dovette aspettare il 1789 per una definizione operativa di elemento chimico: “Se con il termine elementi vogliamo indicare gli atomi semplici e indivisibili di cui è costituita la materia, allora è molto probabile che non sapremo mai nulla di essi; ma se usiamo il termine elementi […] per esprimere la nostra idea del limite cui possiamo arrivare con la nostra analisi, allora chiameremo elementi tutte le sostanze in cui riusciamo a scomporre con qualsiasi mezzo i corpi” (A. Lavoisier, “Traité élémentaire de Chimie”). È evidente il salto alla scienza sperimentale moderna: può darsi – ci sta dicendo Lavoisier – che le sostanze definite elementi in base alle nostre analisi di laboratorio siano a loro volta scindibili in parti più piccole, ma finché non riusciremo con la tecnologia a farlo, quelle sole sono per noi il punto di partenza per catalogare, nominare, produrre e controllare tutte le sostanze. Gli elementi non sono quindi né uno, né 3 o 4, né infiniti, ma sono esattamente quelli che riusciamo a separare: 33, nell’anno di grazia 1789.

Tanto fu potente questa definizione di elemento chimico che la catalogazione per differenze e affinità di proprietà che ne derivò, coniugata ad intuizioni ed assunzioni d’ordine e bellezza[viii], porterà nel 1869 Dmitrij Mendeleev alla sua famosa Tavola degli Elementi. La disposizione medeleeviana degli elementi noti (nel frattempo saliti a 63[ix]) diede anche alla nuova chimica il potere di predire fenomeni mai osservati, la massima aspirazione di ogni scienza: in questo caso furono predetti elementi ignoti, dotati delle proprietà chimico-fisico determinate dai buchi della Tavola. Alcuni nuovi elementi[x] furono scoperti dallo stesso Mendeleev per merito di una ricerca non casuale, ma orientata proprio dalla sua Tavola.

Dal concetto di elemento Lavoisier ricavò, ancora operativamente, quello di composto, come sostanza comprendente elementi diversi[xi]. Nelle reazioni gli elementi presenti nei composti reagenti si ricombinano per dare origine ai composti prodotti. Lavoisier riformulò allora il vecchio principio aristotelico di conservazione della materia: “Nulla si crea, né nelle operazioni dell’arte, né in quelle della natura, e si può stabilire in linea di principio che in ogni reazione vi è un’uguale quantità di materia, prima e dopo; e che la qualità e la quantità degli elementi è la stessa” (Ibid.). Questa proposizione è chiamata oggi in chimica Legge della conservazione della massa e viene così enunciata: “In ogni reazione chimica la massa totale dei prodotti è uguale alla massa totale dei reagenti”. Però, a ben rileggere le parole di Lavoisier, egli intendeva anche postulare la conservazione della massa di ogni elemento nei vari composti, prima e dopo la reazione. Per es., nella produzione di ossido nitroso da azoto e ossigeno

1)      si osserva che 7 grammi di azoto reagiscono con 4 grammi di ossigeno per dare 7 + 4 = 11 grammi di ossido nitroso; ma anche

2)      si postula che gli 11 grammi di ossido di azoto contengano 7 grammi di azoto e 4 di ossigeno.

Oggi questa precisazione può sembrare una pedanteria, ma così non fu nei lunghi evi dell’alchimia dove si sognava la trasmutazione d’un elemento in un altro, magari per produrre l’oro. La seconda assunzione del Principio è fertile, perché predice che nella reazione inversa, dalla dissociazione di una quantità qualsiasi di ossido di azoto otterremo 7 parti di azoto e 4 di ossigeno. il principio di Lavoisier predice sia una conservazione “quantitativa”, ovvero che la massa totale dei prodotti uguaglia la massa totale dei reagenti, ma anche una conservazione “qualitativa”, ovvero che le masse degli elementi contenuti nei prodotti uguagliano le masse degli stessi elementi nei reagenti. Pertanto è più corretto parlare di Legge di conservazione delle masse, al plurale.

Dopo Lavoisier, restava ancora un problema da risolvere rispetto alla concezione alchemica pre-moderna, ovvero se gli elementi possano davvero reagire secondo ogni combinazione immaginabile dando luogo a prodotti contingenti e irreplicabili, o se invece i “Mondi” di Homberg non siano dopo tutto così abbondanti, perché tutte le sostanze dell’Universo sono soggette alle stesse leggi naturali e quindi risultano comprimibili in una conoscenza razionale, che è offerta appunto da una chimica scientifica. Insomma, i composti chimici sono in numero finito o infinito?

A questo proposito, due teorie opposte si confrontavano ancora a inizio ‘800: quella di Louis Berthollet (1748-1822), secondo la quale dalla mescolanza di più reagenti si possono ottenere infiniti composti diversi, con una variazione continua dei rapporti di massa; e quella contraria di Joseph Proust (1754-1826), secondo cui i composti chimici sono in numero finito perché c’è una proporzione fissa e costante tra gli elementi componenti. L’evidenza sperimentale avrebbe gradualmente risolto la questione a favore di Proust. La sua Legge delle proporzioni definite stabilì l’individualità ontologica dei composti chimici, legittimandone la ricerca e la nomenclatura. La chimica divenne a pieno titolo una scienza sperimentale ed una tecnologia che replica artificialmente le sostanze naturali nella loro esatta essenza.

Se i concetti di Lavoisier e la sua Legge di conservazione delle masse descrivevano un livello macroscopico di elementi e composti indifferente alla struttura microscopica della materia, la Legge delle proporzioni definite di Proust e, con ancor maggiore evidenza, la successiva Legge delle proporzioni multiple[xii] di John Dalton (1766-1844) si adattavano invece perfettamente ad un livello microscopico di atomi e molecole. La chimica legittimò così nell’800 quel trionfo della teoria atomistica, che non era del tutto riuscito alla fisica.

Nuovi segnali di crisi dell’atomismo

In parallelo però ai successi della chimica, lo studio dei fenomeni elettrici e magnetici produceva in fisica nuove aporie in aggiunta alle vecchie. Si scoprì che l’elettricità statica poteva essere immagazzinata: ma allora l’elettricità è un nuovo tipo di materia? E poi, la teoria ondulatoria della luce forniva sì una completa spiegazione dei fenomeni luminosi, dalla riflessione alla rifrazione, dall’interferenza alla diffrazione alla variazione di velocità con l’indice di rifrazione alla polarizzazione; però le vibrazioni luminose postulano la presenza di un mezzo materiale non inerziale: un altro tipo di materia ancora?

I campi di forza s’imposero infine accanto agli atomi della materia. Ma ciò accadde non per merito della teoria della gravitazione in cui erano nati, ma di una nuova teoria della fisica: l’elettromagnetismo. Nella geniale sintesi d’un secolo di esperimenti, basandosi sul concetto di campo rispolverato da Michael Faraday (1791-1867) e sull’intuizione d’una simmetria matematica, il 17 marzo 1861 un giovane matematico scozzese, James Maxwell, pubblicò l’unificazione delle leggi riguardanti l’elettricità ed il magnetismo (prima considerati fenomeni distinti) in un sistema di equazioni differenziali, che 3 anni dopo avrebbero ottenuto la benedizione della Royal Society: da allora il campo non fu più in fisica un trucco matematico per calcolare la forza in presenza della materia[xiii], ma con pari dignità di questa acquisì lo status di grandezza attuale, esistente per sé anche in assenza di massa. L’energia portata dai diversi campi di forza venne attualizzata in un (secondo) aspetto della realtà fisica irriducibile agli atomi della materia.

Come l’energia dei campi sia correlata alla materia che essi muovono, questo è un altro problema, che solo nel XX secolo avrebbe trovato una risposta. Con l’entrata del tutto inattesa sulla scena fisica di un terzo attore (e anche di un quarto?), come vedremo nel prossimo artico

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