Modelli della Fisica

Come le leggi empiriche unificano diversi insiemi di dati sperimentali, così le teorie unificano diversi insiemi di leggi empiriche. In tal modo si raggiunge una economia di rappresentazione e comunicazione della conoscenza. In un dato campo e in una data epoca il livello di unificazione teorica deve essere noto a tutti i ricercatori. Una ultima differenza tra teorie e leggi empiriche riguarda la permanenza della rispettiva validità. Le teorie invocate per spiegare o predire fatti sperimentali possono cambiare o essere rifiutate in particolare se si ha uno scarso accordo con i dati (ricordiamo che esse usano anche concetti inventati e non misurabili). Le leggi empiriche mantengono la validità nel correlare dati sperimentali, ovviamente nei termini dell’accuratezza di misura, anche se le teorie sono cambiate o rifiutate. La validità empirica, infatti, per essere messa in dubbio, richiede la dimostrazione di errori nella costruzione dell’apparato di misura, nella scelta degli strumenti o nei procedimenti di misura.

Il modello del punto materiale L’oggetto viene schematizzato come un punto in cui si suppone concentrata tutta la massa dell’oggetto stesso. Spesso nei libri di testo si usa la definizione di punto materiale “un oggetto le cui dimensioni sono trascurabili”. La definizione è parziale (non si dice rispetto a cosa le dimensioni siano trascurabili) e inappropriata. E’ un modello applicabile in tutte le situazioni di movimento di oggetti anche di grandi dimensioni quando l’interesse è focalizzato su movimento d’insieme dell’oggetto stesso Forma, dimensioni e proprietà interne si possono assumere come invarianti.

Il modello del corpo rigido E’ un modello applicabile in tutte le situazioni di movimento di oggetti con estensione spaziale in cui si suppone che le proprietà interne dell’oggetto siano invarianti. Forma e dimensioni influenzano il modello

Il modello di sistema Termodinamico E’ un modello applicabile a tutte le situazioni in cui l’interesse principale è sulle proprietà interne di un oggetto. Il 1° e il 2° principio della termodinamica possono essere letti come le relazioni che definiscono le variazioni di proprietà interne all’oggetto (l’energia interna U e l’entropia S) causate da azioni esterne (flusso di energia sotto forma di calore Q o lavoro L)

Il modello particellare Esso può essere usato a vari livelli: In un primo livello un campione macroscopico di materia è visto come costituito da n atomi o molecole, dove n è legato al numero di Avogadro. Esso è applicabile a tutti i casi in cui l’energia di interazione con lo sperimentatore o l’ambiente è inferiore alla energia necessaria a spezzare l’atomo nelle sue componenti interne. L’atomo è pertanto un oggetto invariante nelle sue proprietà interne ed è dotato solo delle proprietà di movimento e interazione reciproca. L’uso del modello richiede metodi statistici. . In un secondo livello un campione macroscopico di materia è visto come costituito da atomi, ioni ed elettroni. Si tiene pertanto conto della struttura interna dell’atomo. Ioni ed elettroni ora hanno anche la proprietà di avere una carica elettrica. Si può continuare con i livelli considerando necessario introdurre le proprietà interne al nucleo atomico, fino alle particelle più elementari. L’uso appropriato dei vari livelli è scandito su una scala energetica

Il tutto e le parti Il tutto e le parti a varie scale: Un sistema è un tutto formato da parti le cui interazioni descrivono il comportamento del tutto. Spiegare il tutto per mezzo delle parti costituisce un forte principio esplicativo: si dà ragione del comportamento di un sistema quando le parti che lo compongono sono identificabili ; quando le parti non sono identificabili, come per gli oggetti omogenei a scala umana, l'assumere tale principio implica la formulazione di ipotesi sulla natura delle parti componenti. MODELLO CONTINUO MODELLO DISCRETO

Uno schema globale del principio "spiegare il tutto per mezzo delle parti" Le parole microscopico e macroscopico nel linguaggio comune: è macroscopico tutto ciò che è percepibile scala umana è microscopico ciò che si suppone esista ma non è visibile a occhio nudo TUTTO/PARTI Le Parti hanno una individualità ad un livello inferiore al livello del Tutto, Ciò che è Parte ad un livello può essere considerato un Tutto ad un livello inferiore. A qualsiasi livello sia il Tutto che le Parti che lo compongono sono definiti in quanto mantengono, nel tempo, una propria individualità. (eventuali interazioni (interne o esterne) non siano tali da provocare la scissione di una parte nelle sue componenti).

Lo schema prevede la possibilità di spiegare un Tutto a qualsiasi livello in termini delle Parti più elementari oggi conosciute ma ciò è di scarsa utilità oltre a richiedere enormi capacità di calcolo. Alcuni esempi: A temperature non troppo alte le molecole di un gas (pur essendo formate di atomi che sono formati da elettroni, protoni e neutroni ecc.) possono essere considerate gli elementi base per la spiegazione del comportamento macroscopico. In un conduttore le interazioni tra gli atomi che lo compongono permettono la mobilità degli elettroni più esterni che divengono perciò gli elementi base per spiegare la conducibilità elettrica. Una parte di una bicicletta, la catena, contribuisce al funzionamento della bicicletta non per le interazioni tra gli atomi del metallo (che servono a garantire la stabilità dell’oggetto catena) ma per la forma macroscopica definita dal costruttore. Gli elementi base per studiare un organismo vivente possono essere gli organi o le cellule. Si invocheranno gli atomi per la struttura di proteine o DNA.

- Le proprietà emergenti Si parla di proprietà emergenti per quelle proprietà di un Tutto che non sono proprietà delle Parti che lo compongono ma emergono come conseguenza delle interazioni tra di esse. ESEMPI la capacità di riprodursi delle cellule non posseduta dagli atomi che le compongono. L’entropia di un sistema fisico macroscopico che è riferita al coordinamento (o aggregazione per dirla alla Clausius) degli elementi che lo compongono. Il colore degli oggetti macroscopici. Le onde

SISTEMI spiegati in termini di COSE o SITUAZIONI - Onde/particelle Nella fisica quantistica, le descrizioni corpuscolare o ondulatoria di una fenomenologia fisica sono complementari. Esiste tale complementarità, nella fisica classica? Si possono avere descrizioni complementari in termini di onde o particelle. SISTEMI spiegati in termini di COSE o SITUAZIONI

Il passaggio da una descrizione all’altra si ottiene con l’uso dell’algoritmo della trasformata di Fourier: data una funzione f(x) (che descrive la variazione spaziale di una proprietà fisica) o una funzione f(t) (che ne descrive la variazione temporale) di trasformarla in una funzione della variabile coniugata (il momento p per x e la frequenza v per il tempo): Valgono delle “relazioni di indeterminazione” classiche: che esprimono il fatto che per conoscere la funzione f nei più piccoli dettagli è necessario conoscere la trasformata g su un intervallo esteso.