L’ATOMO DAL RINASCIMENTO ALLA MECCANICA QUANTISTICA.

UN’ANALISI STORICO-EPISTEMOLOGICA DI FONDAMENTALE VALENZA DIDATTICA

 

Giovanni Villani

Istituto per i Processi Chimico-Fisici del CNR, Via G. Moruzzi, 1 Pisa

villani@ipcf.cnr.it

 

1. Introduzione

Gli aspetti storici ed epistemologici dei concetti scientifici rappresentano una ricchezza didattica da non sottovalutare.  L’approccio storico può svolgere, infatti, in didattica un ruolo importante sia per motivare gli studenti sia per combattere una visione scientifica cumulativa, di “verità scoperte una volta per tutte”.  Generalmente, i libri scolastici (ed universitari) riportano solamente qualche cenno storiografico, ma sul concetto d’atomo, la cui importanza nella scienza moderna e contemporanea è difficile da sopravvalutare, spendono qualche parola in più.  Qualche volta vanno indietro nel tempo, persino fino ai Greci e a Democrito.  Io credo che il concetto d’atomo sia tra quelli che meglio si adattano ad una trattazione storica ed epistemologica.  Tuttavia, tale trattazione non può essere “aneddotica”, come spesso è quella dei libri scolastici, ma deve individuare il filo conduttore dell’evoluzione di tale concetto.  Quello che, infatti, va sottolineato è che tale concetto, pur nella sua continuità terminologica, ha subito notevoli cambiamenti nel tempo al punto da passare da cardine di una visione riduzionista della materia ad una possibile ottica anti-riduzionista [1, 2].  Scopo di questo lavoro è di evidenziare i punti salienti di tale trasformazione.

 

In classe, la presentazione storico-epistemologica del concetto d’atomo (anche nella difficile accezione contemporanea) dovrebbe stimolare una collaborazione tra il docente d’ambito scientifico e quello filosofico (forse anche con l’insegnante di religione), aiutare gli alunni a costruirsi una corretta immagine del mondo materiale e a riflettere sulle implicazioni filosofiche ad essa sottese.  Io credo che l’immagine del mondo che la scienza contemporanea ha elaborato, e le problematiche filosofiche da essa aperte, siano cose “spettacolari” ed “inedite” e col tempo dovrebbero permeare anche la cultura in generale, e quella scientifica non specialistica in particolare.  Va tenuto presente che il compito di creare una corretta immagine globale del mondo, e di evidenziare le implicazioni generali sottese, può essere svolto solo nella scuola perché solo in essa si organizza e si propone una trattazione complessiva ed organica del sapere scientifico e filosofico.  Questo è un compito culturale cui gli insegnanti d’ambito scientifico non possono rinunciare, pena la perdita di valore generale per le loro discipline.  In questo caso, le materie scientifiche insegnate diverrebbero solo dispensatrici di conoscenze “specialistiche” e facilmente si potrebbe far passare l’idea che tali materie sono “informative” non “formative”.  Inoltre, siccome tali informazioni specifiche sono “inutili” nella vita di tutti i giorni, la logica conseguenza sarebbe, nella migliore delle ipotesi, la riduzione dello spazio orario per le materie scientifiche se non la loro completa abolizione.

Fornire agli insegnati in formazione nelle SSIS le conoscenze storico-epistemologiche (compito al quale le università si sono totalmente sottratte) dei principali concetti scientifici, e di quello d’atomo in particolare, diviene un compito non solo importante, ma necessario.

 

2. L’atomismo e la scienza nuova

Era cosa comune nell’antichità rimproverare agli atomisti di attribuire tutto al caso.  Al contrario, essi erano stretti deterministi e credevano che tutto accadesse secondo leggi naturali.  Democrito negava esplicitamente che qualcosa potesse accadere per caso. Leucippo è noto per avere detto: “Nulla accade per nulla, tutto ha un’origine e si compie per necessità”.  È vero che gli atomisti non hanno mai dato alcuna ragione per cui il mondo dovesse essere al principio in una particolare configurazione; questa, forse, poteva essere attribuita al caso.  Una volta assodata l’esistenza del mondo in quella condizione iniziale, tuttavia, il suo ulteriore sviluppo per gli atomisti era inalterabilmente determinato da principi meccanici.  Questi, a differenza di Socrate, di Platone o d’Aristotele, cercavano di spiegare il mondo senza introdurre la nozione di scopo o causa finale.  Quando chiediamo “perché?” riguardo ad uno specifico fatto, possiamo intendere due cose: “Per quale scopo è accaduto questo fatto?” oppure “Quali precedenti circostanze lo hanno causato?”.  La risposta alla prima domanda genera una spiegazione teleologica, ossia una spiegazione per mezzo delle cause finali; la risposta alla seconda domanda genera una spiegazione causale, e nel caso specifico meccanicistica.  L’atomismo di Democrito fu, infatti, una “teoria corpuscolare meccanicistica”, ove il termine “meccanicistico” esprime in questo contesto l’idea che le particelle atomiche potevano influire l’una sull’altra solamente attraverso il contatto ed erano pertanto escluse forze d’attrazione o repulsione che potessero agire a distanza e influenze di natura psichica, come l’amore e l’odio.  In particolare, la teoria atomica elaborata da Leucippo e da Democrito creò la prima immagine completamente meccanica del modo materiale.  È difficile oggi mettere in evidenza l’originalità di questi autori perché l’immagine del mondo quotidiano è così impregnata di meccanica che ci appare naturale, quasi inevitabile, pensare in questi termini.  Questa non era la situazione di venticinque secoli fa e il merito di questi filosofi è stato, quindi, enorme.

 

La trattazione esclusivamente meccanica del mondo atomico portò all’atomismo greco (e poi romano) la fama d’ateismo.  Questo causò una ferma opposizione della chiesa Cattolica a tale teoria durante tutto il Medio Evo.  Bisognerà attendere il Rinascimento, ed il clima di maggiore tolleranza di quell’epoca, perché si creassero le condizioni per il riemergere della teoria di Democrito, ad opera di persone che cercarono di riconciliare la visione atomica con quella cattolica.

 

2a. Gassendi

La rinascita del concetto greco d’atomo è di solito attribuita a Pierre Gassendi [1592-1655].  Ovviamente, la visione atomica greca non era mai sparita del tutto dal panorama culturale occidentale, anche se fortemente avversata dalla Chiesa.  Occorreva, tuttavia, un uomo di chiesa (Gassendi era canonico a Digne) per potere, se non eliminare almeno ridurre, il collegamento tra atomismo ed ateismo.  Gassendi, nella sua formazione filosofica, metteva insieme tre culture: quella medioevale clericale, quella rinascimentale e quella scientifica.  Egli si proponeva di fare una sintesi di queste tre visioni, per molti aspetti ritenute in opposizione.

L’immagine del mondo della materia di Gassendi era simile a quella di Democrito, a parte le differenze dovute a considerazioni teologiche.  Gli atomi erano invisibili, ma non privi d’estensione, erano cioè divisibili matematicamente, ma non fisicamente; la natura ultima di questi atomi consisteva di soliditas, ossia di fermezza e impenetrabilità; essi erano pertanto sostanze permanenti e invariabili, che non differivano tra loro in qualità.  Per Gassendi le proprietà caratteristiche dei singoli atomi erano la moles (la dimensione) e la figura (la forma), mentre come terza proprietà era aggiunta il pondus (il peso), non presente nella trattazione greca, ma introdotto da Epicureo (nel De Rerum Natura), secondo il quale era la gravità a mettere in movimento gli atomi nello spazio secondo un’unica direzione definita, dalla quale poteva allontanarli solo il misterioso clinamen.  Il peso era, invece, concepito da Gassendi come una forza motrice intrinseca, come un impeto, impresso negli atomi da Dio all’atto della creazione e perdurante immutato sino alla fine del mondo.

 

Da sempre gli atomisti avevano considerato indispensabile l’esistenza di vuoti per il moto degli atomi. Gassendi assumeva l’esistenza di un vacuum separatum, di un vuoto infinito, nel quale Dio aveva creato il mondo finito; inoltre, all’interno di questo mondo, egli assumeva l’esistenza di un vacuum disseminatum, un aggregato di piccoli vuoti distribuiti tra i corpuscoli.  Per Gassendi, gli atomi esistevano in un numero inconcepibile, ma finito di forme, mentre ciascuna singola forma era presente in un numero d’esemplari che era anch’esso assai grande, anche se finito.  Accanto alle proprietà della moles, della figura e del pondus, che appartenevano ai singoli atomi, questo filosofo introdusse altre proprietà che si riferivano a gruppi d’atomi.  Queste erano il situs, la situazione di un atomo rispetto all’ambiente che lo circondava e l’ordo, il modo in cui gli atomi erano disposti nei composti.  Tali proprietà “ecologiche” e “strutturali” rendono la visione atomica di Gassendi ancora attuale.

 

Le spiegazioni di Gassendi non rendevano comprensibili le proprietà delle cose più di quelle degli atomisti greci.  Infatti, o le proprietà che si osservavano su scala macroscopica nei corpi erano attribuite praticamente immutate alle particelle che costituivano quei corpi, oppure s’immaginava che fossero causate da raggruppamenti e movimenti degli atomi, che corrispondevano sì a certe sensazioni provate da noi, ma che lasciavano incomprensibile come prima il fatto che si avesse una particolare sensazione, e che si trattasse esattamente di quella sensazione.  Gassendi stesso osservava che era un mistero perché noi percepivamo i movimenti atomici non come movimenti ma come sapore, odore, sensazioni di caldo e di freddo, suono, luce e cose del genere e giustamente chiamava occulta ogni forza e ogni qualità.  Per quanto riguarda la chimica, è interessante anche il fatto che Gassendi assegnava un’esistenza indipendente a particolari raggruppamenti d’atomi, che egli chiamava concretiunculae.  Ciò rendeva possibile operare coi i quattro elementi aristotelici (terra, acqua, aria e fuoco) o con i tre principia (mercurio, zolfo e sale) di Paracelso, non prendendo per il momento in considerazione il fatto che questi risultavano a loro volta composti d’atomi e il modo in cui ciò avveniva.

 

2b. Boyle

Agli albori dell’atomismo moderno, Boyle [1627-1691] fu il primo importante fisico a prendere sul serio la chimica, come strumento atto a sistemare la filosofia corpuscolare.  Questo fu un tentativo ambizioso, un passo di grossa portata cui Galileo aveva posto le basi cambiando il moto – modificazione traslazionale – da processo in stato: Boyle compì lo stesso processo per la struttura della materia, prendendo in considerazione, dallo stesso punto di vista, la modificazione sostanziale.  Boyle vide nella chimica la scienza che era in grado di fondare il meccanicismo e, insieme, di confermarne la validità.  Per tale filosofo e scienziato, modificazione sostanziale non voleva dire penetrazione da parte di qualità attive – calore, colore, vita – e nemmeno un rimescolamento della sostanza del mondo fra categorie di forma.  Egli sosteneva, invece, che il filosofo meccanico doveva considerare il cambiamento come un riordino delle parti di un mondo oggettivo.

Tuttavia, la formalizzazione della filosofia corpuscolare operata da Boyle non fu mai qualcosa di più di un’inferenza, un’asserzione sulla materia che – analogamente a quelle di Cartesio – fu nei fatti un’asserzione sul metodo. Fino a Dalton, cioè per più di cento anni ancora, la “filosofia corpuscolare” non poteva assumere quel significato positivo che deriva dall’essere rivestita di numeri.  In Boyle perciò, come in Democrito, e in realtà in ambedue i secoli XVII e XVIII, l’atomismo costituiva una precondizione di una scienza oggettiva, più che la scoperta di una scienza sperimentale.  Boyle diceva che la materia era un corpo finito e, quindi, le sue dimensioni dovevano essere limitate e misurabili; e anche se può cambiare la sua forma, per la stessa ragione, deve necessariamente avere una forma o un’altra.  Boyle pensava che la “forma” degli atomi potesse dare una spiegazione delle proprietà fisiche e chimiche delle sostanze.  Egli credeva, in sintonia con gli antichi atomisti (e contro quello che riterrà Newton), che l’adesione degli atomi fosse dovuta ad irregolarità della superficie dei corpuscoli (uncini, cavità, ecc.) e, quindi, un passaggio di stato potesse essere dovuto solamente alla rottura di queste protuberanze.  Anche il concetto di struttura degli aggregati in Boyle era identico a quello degli atomisti classici e bisognerà attendere tempi migliori per trovarne una sua evoluzione.

 

The Sceptical Chymist (1661) è una delle opere più famose (e più fraintese) di Boyle [3, 4].  Molti storici hanno visto presente in quest’opera la prima definizione moderna del concetto d’elemento chimico.  In realtà Boyle riprese, in forma critica, la definizione degli elementi della trattatistica chimica del Seicento.  Per Boyle, infatti, la materia non è costituita da pochi elementi, ma da particelle che si uniscono per formare concrezioni particellari (prima mixta) e che poi, mediante ulteriori combinazioni, costituiscono i corpi macroscopici.  Su questo punto i testi sono molto chiari [5]: “Non vedo perché si debba necessariamente supporre che vi siano dei corpi primigeni e semplici, dai quali, come da elementi preesistenti, la natura sia obbligata a comporre tutti gli altri.  Né vedo perché non possiamo immaginare che essa possa produrre l’uno dall’altro i corpi considerati misti mediante trasformazioni varie delle loro minuscole particelle, senza scomporre la materia in nessuna di quelle sostanze semplici e omogenee in cui si pretende che la scomponga”.  Altrettanto chiaramente [6]: “Il Sale, lo Zolfo e il Mercurio non sono principi primi e semplici dei corpi, ma piuttosto concrezioni primarie di corpuscoli e di particelle più semplici che risultano dotate delle affezioni prime o più radicali e più universali dei corpi più semplici, cioè grandezza, forma e movimento o riposo [...].  Le nostre spiegazioni sono meccaniche e più semplici e perciò devono essere ritenute più generali e più soddisfacenti”.

 

I chimici del Seicento consideravano gli elementi come prodotti ultimi dell’analisi della natura e questi elementi erano universalmente presenti in tutti i corpi.  In quest’ottica, Boyle affermò che le particelle della materia erano i soli elementi: per la teoria particellare il concetto di sostanze stabili o elementari era assolutamente inaccettabile.  The Sceptical Chymist non propose, dunque, una visione moderna degli elementi; era piuttosto incentrato sulla sostituzione dell’approccio aristotelico e di quello paracelsiano con un approccio meccanico ai fenomeni della chimica.  Tanto Boyle quanto Gassendi su questo punto la pensano allo stesso modo: gli elementi differenziati qualitativamente esistono solamente come aggregati particellari particolarmente stabili.  Questa idea ben si riconnette all’idea totalmente riduzionista degli antichi atomisti.  Una conseguenza della visione della materia come substrato omogeneo costituito di particelle fu l’accettazione della trasmutazione dei corpi.  Boyle ammetteva, infatti, la possibilità che, attraverso le ristrutturazioni delle concrezioni particellari, qualunque sostanza potesse essere trasformata in un’altra di natura diversa.

 

3. L’atomismo del XVIII secolo

Nel Settecento gli atomi furono connotati di proprietà diverse da quelle classiche utilizzate fino ad allora.  Noi non tratteremo qui in dettaglio le numerose posizioni presenti, ma accenneremo solamente a due alternative.  Da un lato Diderot e Maupertuis, con i loro “atomi viventi”, e dall’altro Boscovich, con i suoi “atomi puntuali”.

La prima posizione esaminata è interessante perché tenta una soluzione al problema, quello dell’emergenza del vivente, ancora largamente aperto e la cerca nell’ambito di una visione riduzionista che, in quanto tale, nega che la vita rappresenti qualcosa di nuovo e la riconduce agli stessi atomi.  Riguardo agli atomi puntuali di Boscovich invece, essi meritano una menzione perché sono tornati in auge in questa epoca d’eliminazione, da parte della fisica, della materia.  Per esempio, un fisico dei nostri giorni Leon Lederman ha sottolineato l’importanza degli atomi puntuali di Boscovich nella fisica odierna [7].  Altrove ho mostrato, come il concetto di massa (e la sottesa materia) sia andato sfumando in questo ultimo secolo [8].  Gli atomi puntuali di Boscovich, centri di forza e non di materia, possono quindi essere visti come un primo tentativo d’eliminazione della sostanza della materia, in un epoca in cui essa era ancora una delle proprietà essenziali, se non la principale.

 

Per i fondatori dell’atomismo greco niente distingueva gli atomi della materia animata da quelli della materia inerte.  Uno dei cardini della filosofica di Cartesio, invece, era proprio la dicotomia di questi due tipi di sostanze, ma poiché egli avversava la visione atomica della materia non si pose il problema se questa dicotomia esistesse o no nel mondo atomico.  Nel Settecento gli atomisti Pierre Louis Moreau de Maupertuis [1698-1759] e Denis Diderot [1713-1784], per opporsi a questa dicotomia assegnarono a tutti gli atomi alcuni principi d’intelligenza, avversione, memoria, ecc.  Infatti, era per loro evidente l’impossibilità delle forze fisiche materiali di rendere conto delle manifestazioni della vita.  “Supporre che piazzando vicino ad una particella morta una, due o altre tre particelle morte, uno possa formare il sistema di una quantità di corpo vivo, sembra a me una flagrante assurdità” [9] diceva Diderot.  Da una parte la necessità di rendere conto della vita e dall’altra l’esempio del cibo, inanimato, che diventava parte dei corpi vivi portò questi autori a parlare di “punti viventi” e di attribuire, quindi, a tutti i costituenti fondamentali questa proprietà.  Da un punto di vista generale, che una visione riduzionista sia insufficiente ad affrontare il problema dell’emergenza della vita era apparso chiaro a molti pensatori. Infatti, molti delle critiche alla visione atomistica della realtà in verità era più critiche rivolte alla visione meccanicistica e riduzionista di tale atomismo, più che all’atomismo stesso, soprattutto sul problema della vita e dell’uomo.  La posizione dei due filosofi francesi non fa altro che ribadire l’impossibilità di capire completamente il vivente in quell’ottica filosofica.  Infatti, per rendere comprensibile la vita in un’ottica riduzionista, bisogna attribuire le proprietà della vita agli stessi atomi.  Non vorrei essere frainteso.  Io qui non sto certo sostenendo una posizione vitalistica o una posizione dualistica alla Cartesio.  Quello che qui si vuole, invece, sottolineare è qualcosa di più generale.  Se per rendere comprensibile le proprietà d’oggetti macroscopici (sia pure dei più complessi: i sistemi viventi), di un insieme d’atomi, si deve assumere che queste proprietà sono presenti nei singoli enti dell’insieme, credo che questa sia la migliore dimostrazione che una visione riduzionista della realtà ci fa perdere le proprietà “emergenti” dall’insieme e non ottenibili né nei singoli componenti né in una loro semplice collezione.

 

La filosofia di Leibniz si basava sulle monadi che erano una sorta di “atomo metafisico”, un “punto d’energia”.  Mettendo insieme Newton e Leibniz, R. G. Boscovich [1711-1787] costruì una visione atomica originale.  Egli descriveva il mondo come popolato da una moltitudine di particelle, viste come centri di forza, e quindi senza estensione, ed assolutamente tutti identici.  Il loro comportamento era governato da un solo tipo di forza.  La sua idea era che a grandi distanze tale forza fosse attrattiva, ma a piccole distanze diventasse repulsiva e rendeva impossibile agli atomi di toccarsi.  Era questa forza che rendeva gli atomi impenetrabili.  La superficie rigida degli atomi democritei era quindi rimpiazzata dalla regione d’equilibrio tra questi due comportamenti della stessa forza.  La diversità delle cose osservate era dovuta solo ad una differenza di numero, posizione e relativa distanza dei loro atomi.  Era la prima volta che gli atomi erano assunti tutti identici e le differenze trasferite ancora di più a grandezze geometriche (posizione relativa).  Inoltre la natura dinamica di questi atomi rendeva anche il concetto di vuoto, che era stato la controparte degli atomi classici, inutile.  Possiamo dire che con Boscovich si raggiunge il culmine del riduzionismo: atomi tutti uguali e un solo tipo di forza.  Non sorprende, quindi, il suo “ripescaggio” da parte di fisici alla ricerca della “Teoria del tutto” [10].  Va comunque precisato che gli atomi di Boscovich restavano però materiali e non immateriali, come le monadi di Leibniz.

 

4. L’atomismo del XIX secolo

La visione atomica della materia, anche dopo la sua “riscoperta” in epoca rinascimentale, rimase a lungo inapplicabile al campo chimico.  Due erano i motivi, uno pratico l’altro concettuale, che si frapponevano al concreto utilizzo di tale ipotesi in chimica.  Partiamo da quello pratico.  Gli atomi non erano “rivestiti” di numeri, non esisteva una qualche loro proprietà quantificabile.  L’aspetto concettuale della visione atomica classica che più si scontrava con la teoria e la pratica chimica era, invece, rappresentato dall’uniformità qualitativa degli atomi.  Gli atomi democritei, quelli di Gassendi, quelli di Boyle o quelli di Boscovich erano tutti qualitativamenti simili, o meglio, non avevano altre qualità che quelle quantitative della forma (quelli di Boscovich neppure questa), della dimensione e del movimento.  Era invece ben noto che la materia chimica si comportava in maniera qualitativamente differenziata.  Ogni sostanza aveva “simpatia” per alcune e “antipatia” per altre sostanze.  Come queste differenze qualitative si trasformassero in quelle quantitative a livello microscopico non era per niente chiaro.

 

4a. La nascita dell’atomismo moderno: Dalton

Le questioni aperte per trasformare l’ipotesi atomica in teoria atomica furono risolte da Dalton e questo spiega perché, nonostante non sia stato l’inventore dell’ipotesi atomica in chimica, questo autore sia ricordato come il padre dell’atomistica chimica.  È solo quando si trovò il modo di misurare (ovviamente in modo indiretto) delle proprietà atomiche, e tale proprietà con Dalton sarà il peso, che l’ipotesi atomica diventerà un banco di prova scientifico e non una precondizione.  È solo quanto si trovò il modo di differenziare oltre che le sostanze macroscopiche anche quelle microscopiche, e anche questo fu opera di Dalton, cioè quando si posero le basi per andare oltre il riduzionismo da sempre implicito nell’ipotesi atomica, solo allora la teoria atomica cominciò ad avere reale effetto in chimica.  Quando J. J. Berzelius [1779, 1848], da un breve riassunto di Wollaston in Nicholson’s Journal, seppe della teoria atomica di Dalton (solo nel 1812 ricevette dallo stesso Dalton una copia del New System) capì immediatamente che un’interpretazione corpuscolare delle regolarità analitiche era “il più grande passo che la chimica aveva fatto verso la sua completezza come scienza [11].  Infatti, la definizione d’elemento chimico data da Lavoisier [12] * aveva volutamente separato il piano macroscopico, determinabile sperimentalmente, da quello microscopico.  È con Dalton che questa separazione sarà rimossa costituendo, di fatto, l’aspetto caratterizzante della spiegazione chimica: la compresenza del piano microscopico e di quello macroscopico, atomi ed elementi, molecole e composti, ambedue qualitativamente differenziati.

 

Fu lo stesso Dalton [13], probabilmente sbagliando anche le date, a raccontarci come gli era venuta in mente l’idea che gli atomi potessero essere di differente grandezza: “considerando ulteriormente questa questione mi è venuto in mente che non avevo mai tenuto conto dell'influenza della differenza di grandezza delle particelle dei fluidi elastici […].  Questo pensiero mi è nato nel 1805.  Presto ho potuto stabilire che le grandezze delle particelle dei fluidi elastici debbono essere diverse [...].  Dopo che fu riconosciuta tale differenza di grandezza delle particelle per i fluidi elastici presi nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, sorse il problema di definire le loro grandezze e pesi relativi, come pure il numero relativo degli atomi contenuti in un determinato volume [...].  Così è stata preparata la strada per la determinazione del numero e del peso di tutte le sostanze chimiche elementari che entrano tra loro in combinazione di vario genere”.  In tal modo Dalton giunse all’idea originale che gli atomi dei differenti elementi chimici fossero diversi in peso tra di loro e che ogni elemento fosse costituito da atomi identici.  Dalton introdusse, quindi, una nuova concezione di massa chimica esprimendola con il peso atomico dell’elemento.  Il 6 settembre 1803 apparve nel suo giornale di laboratorio la prima tabella dei pesi atomici.  Inoltre la teoria dell’esistenza di pesi atomici diversi portò Dalton alla scoperta della legge delle proporzioni multiple da cui discesero due importanti conseguenze:

a)    la composizione dei composti chimici aveva carattere discontinuo;

b)    i rapporti quantitativi degli elementi che formavano diverse combinazioni con un altro elemento erano dati da rapporti tra numeri interi.

La teoria di Dalton implicava quattro assunzioni, ragionevoli ma di base.

1)    Tutti i materiali erano costituiti d’atomi solidi e indivisibili.  Diversamente dalle particelle elementari di Boscovich, gli atomi di Dalton non contenevano spazio vuoto interno.  Essi erano completamente incompressibili.  Tuttavia, accettando il modello calorico di Lavoisier, essi erano circondati da un’atmosfera di calore, differente per i diversi stati d’aggregazione (solido, liquido e gassoso) della materia.

2)    Gli elementi chimici, e quindi gli atomi che li componevano, erano aggregati in maniera diversa ma non distrutti nelle reazioni chimiche.  Se infatti non si fosse assunta questa legge di conservazione delle masse e degli elementi la trasmutazione cercata dagli alchimisti e dai primi chimici sarebbe stata possibile.

3)    Vi erano tanti tipi differenti d’atomi quanti erano gli elementi chimici introdotti da Lavoisier.  Diversamente da tutta la tradizione atomistica precedente per Dalton non esisteva una sostanza primaria ed uniforme, base comune di tutta la materia.

4)    Si poteva determinare il peso atomico relativo con particolari tecniche sperimentali; acquistava quindi esistenza realmente scientifica quella che, fino a questo momento, era stata l’ipotesi atomica.

Le prime tre tesi portarono Dalton completamente al di fuori della tradizione atomistica precedente.  Questa ultima aveva sempre enfatizzato che alla base della diversità qualitativa della materia esisteva una sostanza unica.  È questo un momento fondamentale per la nascita della chimica come noi la intendiamo.  Lavoisier aveva riconosciuto l’intrinseca differenza qualitativa della materia macroscopica, ricavandone l’indicazione dell’esistenza di molti elementi, cioè sostanze non ulteriormente decomponibili a patto di staccare questa diversità macroscopica, accertabile empiricamente, dalla sua base teorica microscopica.  È con Dalton, e con le sue prime tre assunzioni, che si completa il processo d’inclusione dell’aspetto qualitativo, sia macroscopico che microscopico, nella chimica.  Diceva Dalton: “Alcuni filosofi hanno immaginato che tutta la materia, per quanto dissimile, è probabilmente la stessa cosa, e che la grande varietà delle sue sembianze si origina da certe proprietà che le vengono conferite e dalla varietà di combinazioni e arrangiamenti di cui è suscettibile […].  Secondo me esiste un considerevole numero di quelle che possono essere chiamate particelle elementari, che non possono andare incontro a metamorfosi l’una nell’altra” [14].  Con la quarta ed ultima assunzione si trovava la via sperimentale per misurare gli atomi che da questo momento diventavano oggetti non dissimili dagli oggetti macroscopici.

 

4b. L’ipotesi di Prout

Sebbene basata su semplici assunzioni la teoria di Dalton non era semplice da accettare.  In particolare l’ipotesi d’esistenza di tanti tipi diversi d’atomi, quanti erano gli elementi chimici, creava l’esistenza di circa cinquanta atomi diversi.  Molti chimici ritenevano impossibile che Dio si fosse servito di cinquanta differenti tipi di blocchi per la sua costruzione del mondo.  Ancora nel 1864 Lothar Meyer [1830-1895] diceva che: “L’esistenza di sessanta e più forme di materia primordiale interamente differenti è improbabile; la conoscenza di certe proprietà degli atomi, specialmente le relazioni esibite dai pesi atomici di elementi differenti, renderebbe tutto ciò altamente improbabile” [15].  Vi era scetticismo che Lavoisier avesse realmente identificato delle sostanze elementari, e che, quindi, gli atomi sovrapposti a tali sostanze da Dalton fossero realmente diversi.  Tale scetticismo si rinforzò con i lavori sperimentali di Davy che mostrò che alcuni elementi di Lavoisier non erano tali.  Come conseguenza di ciò molti chimici del XIX secolo si rifiutavano di chiamare tali sostanze “elementi” e preferivano usare la circonlocuzione “corpi non decomposti”, intendendo con ciò “corpi non ancora decomposti”.  In molte occasioni Davy diede per implicito che i “corpi non decomposti” contenevano elementi più semplici, per esempio idrogeno.

 

Questo atteggiamento fu di stimolo a William Prout [1785-1850].  Egli notò che i pesi atomici di molti elementi erano quasi esattamente multipli di quello dell’idrogeno e, quindi, suppose che gli atomi pesanti fossero formati dall’aggregazione di più atomi di idrogeno.  In altre parole, se il peso atomico del cloro era 36 (assumendo per l’idrogeno peso atomico 1), questo indicava che 36 atomi di idrogeno si erano condensati per formare questo atomo.  Prout aveva così trovato la sostanza unica e uniforme che componeva tutta la materia: l’idrogeno.  Le due assunzioni: i pesi atomici (rispetto all’idrogeno assunto come unità di misura) sono interi e l’idrogeno è l’unica sostanza elementare costituiscono la cosiddetta “ipotesi di Prout”.  In realtà [16], a partire dalla metà dell’Ottocento, la battaglia per affermare l’esistenza di una “materia prima”, dalla condensazione della quale avevano preso origine tutti gli atomi degli elementi, sarà combattuta nel nome di Prout, ma lo stratega principale e teorico sarà in effetti Dumas [17]: “Così ci troviamo di fronte di due opinioni.  Una, che sembra esser stata seguita da Berzelius, conduce a considerare i corpi semplici della chimica minerale come esseri distinti, indipendenti gli uni dagli altri, le molecole dei quali non hanno niente di comune, se non la loro fissità, la loro immutabilità, la loro eternità.  Si avrebbero tante materie distinte per quanti sono gli elementi chimici.  L’altra, al contrario, consente di supporre che le molecole dei diversi corpi semplici attuali potrebbero essere costituiti proprio dalla condensazione di una materia unica, come per esempio l’idrogeno, accettando tuttavia, ben inteso, come vera la relazione osservata dal Dr. Prout e anche come fondata la scelta della sua unità.  Questa condurrebbe all’ammissione che quantità simili di questa materia unica potrebbero, mediante arrangiamenti differenti, costituire elementi o radicali dello stesso peso, ma dotati di proprietà distinte […].  Infine, grazie alla loro presunta composizione, essa assimilerebbe i radicali supposti semplici della chimica minerale ai radicali composti della chimica organica la cui costituzione è conosciuta; i primi, tuttavia, differiscono dai secondi per una stabilità infinitamente più grande e tale che le forze di cui la chimica dispone oggi sarebbero insufficienti ad operarne lo sdoppiamento”.  L’adesione di Dumas alla ipotesi di Prout, quindi, e l’analogia fra radicali organici e corpi semplici, nasceva dalla constatazione che i radicali organici (per esempio radicale cianidrico –CN) si comportavano come se fossero degli enti dotati di una propria individualità chimica, relativamente irriducibile.  Essi, quindi, pur essendo composti, erano assimilabili agli elementi, nell’ambito della reattività chimica più comune.  Da qui l’idea che anche i corpi semplici ed elementari (all’epoca in numero di 60) non fossero altro che radicali composti di una sostanza ancora più elementare che al momento non era stato possibile ricavare per via analitica.

 

L’ipotesi di Prout che riguardava il peso atomico poteva essere soggetta a sperimentazione.  Quando si trovò che era falsa non per questo si abbandonò l’idea di Prout.  Diceva infatti Dumas [18]: “Siccome la legge di Prout non è confermata nella sua espressione assoluta, e siccome gli equivalenti dei corpi semplici non sono tutti multipli di quello dell'idrogeno secondo un numero intero, bisogna concluderne che Prout ha scritto nella storia della scienza una illusione e non una verità?  Questa non è la mia opinione.  Prout aveva riconosciuto: 1° che gli equivalenti dei corpi semplici comparati a una certa unità si rappresentavano per mezzo di numeri interi; 2° che questa unità sembrava essere l’idrogeno, vale a dire il corpo il cui peso equivalente finora è il più leggero.  A mio avviso la prima parte della legge di Prout rimane sempre vera.  Gli equivalenti dei corpi semplici sono tutti multipli secondo un numero intero di una certa unità; solo che [...] questa unità per il cloro, il bario, il manganese, il cobalto, il nickel, sarà rappresentata da un corpo sconosciuto il cui equivalente avrebbe un peso eguale alla metà di quello dell'idrogeno.  Raddoppiando gli equivalenti dell’alluminio, dello zinco e dello stronzio, si sarebbe anche dispensati di porre l’unità più in basso, se nient’altro ci obbligasse a mantenerli.  Ora, poiché si vede che la maggior parte degli elementi meglio studiati hanno equivalenti rappresentati da numeri interi, sembra naturale porre l’unità più in basso per far rientrare i corpi eccezionali nella regola, e non di negare l'esistenza di una regola che tanti esempi confermano”.

 

Dal nostro punto di vista epistemologico l’ipotesi di Prout rappresenta l’ennesimo tentativo di negare, in campo chimico, la pluralità delle sostanze elementari annullando il lavoro fatto da Lavoisier e da Dalton.  Dietro questo tentativo vi è la visione riduzionista della realtà, che, come abbiamo cercato di mostrare, è stata sempre presente in molti atomisti, a partire da Democrito.  L’ipotesi di Prout influenzò a lungo la chimica ed in molti chimici sopravvisse fino ai lavori sugli isotopi di Francis Aston, negli anni venti del XX secolo e, forse, anche oltre.  Essa si riconnette anche al concetto di atomo che verrà fuori dopo la scoperta della radioattività e del quale parleremo in un prossimo paragrafo.  Inoltre, l’annuncio nel 1859 di Darwin della teoria dell’evoluzione degli esseri viventi portò in chimica un’equivalente ipotesi: gli elementi più pesanti si erano evoluti dal più leggero di tutti, l’idrogeno.  Vi erano inoltre autori, come Lothar Meyer, che non ritenevano in contrasto l’ipotesi daltoniana e quella del protilo (nome dell’unica sostanza ritenuta elementare): bastava ritenere la materia strutturata gerarchicamente secondo ordini crescenti di complessità e composizione.  Le molecole dovevano essere considerate sostanze composte del primo ordine, cioè composte da atomi più piccoli (o particelle del secondo ordine); questi, a loro volta, erano composti di particelle di materia di un terzo ordine, e ancora più semplici e più piccole.  Questa ipotesi era in grado di dare una soluzione a un problema molto sentito dai chimici: quello di dare unità e/o coerenza alla molteplicità degli oggetti che loro stessi ricavavano dalla loro pratica sperimentale, specialmente di quelli semplici o elementari.  Ancora oggi, vi è senz’altro molto di condivisibile in questo modo di ragionare se si assume che ad ogni ordine di complessità si generano proprietà nuove, irriducibili a quelle di altri livelli di complessità.

 

4c. L’atomo e l’elettricità: Berzelius

Il concetto di atomo presso i chimici del XIX secolo oscillò tra i due estremi mostrati nei paragrafi precedenti e che possiamo identificare con i nomi di Dalton e Prout.  Da un lato vi furono chimici dell’importanza di J. J. Berzelius [1779-1848] e D. Mendeleev [1834-1907] che, partendo dall’ipotesi di Dalton, portarono a due conquiste importanti come la fusione del concetto di atomo e di elettricità e la possibilità di raggruppare gli atomi e gli elementi, tenendo conto del loro peso atomico.  Dall’altro H. Davy [1778-1829], J. B. Dumas [1800-1884] ed altri che erano di fatto scettici sull’ipotesi atomica e aprirono la strada alla visione alternativa degli “equivalenti” [19].  Qui svilupperemo l’idea di Berzelius di elettrificare l’atomo; l’altra grande conquista, quella del sistema periodico è stata sviluppata altrove [19].  Dalton aveva presentato la sua teoria atomica nel contesto dei problemi legati al calore.  Negli stessi anni Alessandro Volta [1774-1827] descriveva per la prima volta una semplice macchina in grado di generare corrente: la pila.  Questa scoperta indirizzò i chimici verso i fenomeni elettrici.  Quasi immediatamente si trovò che la pila poteva decomporre l’acqua nei suoi due elementi.  Di per sé questo non faceva altro che confermare quanto già ottenuto da Lavoisier, e da altri prima di lui; la scoperta addizionale fu che l’idrogeno e l’ossigeno erano eliminati dall’acqua ai due poli elettrici opposti: quello dove si eliminava l’ossigeno divenne, per definizione, il polo positivo e l’altro il negativo.  I chimici che più si lanciarono in questo nuovo campo furono Davy, Faraday e Berzelius, mostrando ancora una volta che, sebbene partendo da punti di vista generali diversi se non opposti (in questo caso la visione atomica contro lo scetticismo sul concetto di atomo), nella pratica scientifica molti scienziati poi sono più vicini di quanto le loro idee generali lascerebbero pensare.

 

L’interpretazione della teoria di Dalton da parte di Berzelius fu pubblicata nel 1813 negli Annals of Philosophy e Dalton la criticò a più riprese.  Infatti, mentre Dalton non aveva mai parlato di atomi sferici o atomi della stessa grandezza, questi divennero i cardini della visione atomica di Berzelius che usò queste considerazioni per spiegare l’isomorfismo dei cristalli scoperto da Mitscherlich (il fatto che sali contenenti differenti metalli possono dare la stessa forma di cristalli e solidificare in composti misti senza una proporzione definita).  Dalton criticò anche l’idea di introdurre l’elettricità negli atomi; tuttavia, fu la versione elettrificata dell’atomo che fu accolta dai chimici e non quella esclusivamente corpuscolare di Dalton.  C’erano, infatti, un certo numero di problemi connessi con la visione atomica di Dalton che, sebbene non completamente risolti da Berzelius, divenivano più comprensibili nello schema del chimico svedese.  In particolare, Dalton non aveva sviluppato nessuna teoria dell’interazione tra gli atomi, in perfetta sintonia con Democrito e la tradizione storica dell’atomismo, mentre Berzelius esplorò l’idea che le polarità elettriche potessero spiegare il legame tra gli atomi e la reattività.

 

Nello stesso periodo delle ricerche di Dalton, Gay-Lussac ricavava l’omonima legge che stabiliva che “i gas si combinano tra di loro in proporzioni volumetriche semplici”.  Dalton non accettò la validità di questa legge.  Non è difficile capire perché tale legge non poteva essere accettata da Dalton.  La legge di Gay-Lussac diceva che in eguali volumi di gas, sotto le stesse condizioni di temperatura e di pressione, vi erano lo stesso numero, o un semplice multiplo, di particelle.  Questo implicava che le particelle dei gas potevano rompersi.  Per esempio, nel caso della sintesi dell’acqua:

2 volumi di H + 1 volume di O = 2 volumi di acqua

le particelle dell’ossigeno si dovevano dividere per andare a confluire nelle due nascenti particelle d’acqua.  Riguardo all’apparente contraddizione tra Gay-Lussac e Dalton, Berzelius pensava che quello che in una teoria era chiamato atomo nell’altra era chiamato volume, ma questi ultimi avevano il vantaggio di essere sperimentali, mentre gli atomi erano solo un’ipotesi.  Per Berzelius il problema si risolveva abbandonando la regola della semplicità che aveva portato Dalton a HO per l’acqua e ponendo l’acqua uguale a H2O (per la simbologia vedere [20]).  Tuttavia non bisogna pensare che Berzelius ritenesse possibile che le particelle di idrogeno e ossigeno fossero biatomiche, che è la corretta risposta al problema della compatibilità tra la legge di Gay-Lussac e la teoria di Dalton.  Infatti, come Dalton riteneva ciò impossibile per la repulsione dovuta al calore, per Berzelius era la repulsione elettrica a rendere ciò impossibile.  Per salvare la legge di Gay-Lussac, Berzelius suppose che i composti gassosi al momento della combinazione diminuivano in volume, poiché diminuivano le forze repulsive tra gli elementi aggregando gli atomi.

 

A questo punto si può aggiungere, e gli storici della chimica generalmente lo fanno, che nel 1811 Amedeo Avogadro [1776-1856] aveva correttamente spiegato l’apparente disaccordo tra Dalton e Gay-Lussac asserendo che in eguale volume di gas vi erano eguale numero di molecole e queste potevano contenere più atomi.  In realtà l’ipotesi di Avogadro ebbe scarsissimo impatto sui chimici e solo in seguito fu riesumata da un altro chimico italiano: Stanislao Cannizzaro [1826-1910].  Quindi grande merito va all’intuizione di Avogadro, ma, purtroppo per lui e per la chimica, precorreva troppo i tempi.

 

5. Il concetto di atomo all’inizio del XX secolo

Agli inizi del XX secolo, la teoria atomica era praticamente universalmente accettata.  Se ha senso in scienza usare una data come spartiacque, la pubblicazione del libro Les Atoms di Jean Perrin [1870-1942] nel 1913 segnò la definitiva vittoria dell’atomismo.  Per esempio, Perrin usando tredici metodi sperimentali diversi, determinò il valore del numero di Avogadro e tutti erano consistenti, mostrando in maniera inequivocabile che gli atomi si potevano “contare”.  Il successo di Perrin convinse anche Wilhelm Ostwald e Henri Poincaré, che erano stati scettici sulla reale esistenza degli atomi, a ricredersi.  Poincaré disse [21]: “l’ipotesi atomica ha recentemente acquisito abbastanza evidenza da cessare di essere una mera ipotesi”.  A questo punto è giusto chiederci quale atomismo era venuto fuori da duemila cinquecento anni di dispute, prima di iniziare a trattare la nuova rivoluzione per l’atomismo costituita dalla meccanica quantistica.

 

Iniziamo con distinguere due atomismi: quello che va da Democrito alla fine del XVIII secolo (e che possiamo anche chiamare atomismo riduzionista) e quello del XIX secolo.  Sotto molti aspetti essi sono simili; l’unica differenza fondamentale è l’esistenza o meno di atomi qualitativamente differenziati.  L’atomismo riduzionista è quello dei puri corpuscoli.  Essi, intrasformabili ed omogenei, sono fatti tutti della stessa materia e si differenziano solamente per la loro forma.  Questo atomismo ha sempre avuto nella spiegazione degli aggregati il suo punto debole.  Non convinceva, infatti, che la giustapposizione di questi atomi potesse dare qualcosa di sostanzialmente diverso.  Dice Hegel [1770-1831], e prima di lui l’avevano detto Aristotele ed altri, “Ancora, e questo è il punto essenziale, fin a quando a questi atomi, a queste molecole, a queste minuscole particelle è concesso di mantenere la loro indipendenza, le loro unioni possono solo avvenire meccanicamente; una volta unite, questi elementi rimangono esterni uno all’altro, la loro vera unione è puramente esterna” [22].  Il significato di questa critica fondamentale è chiaro.  La critica di Hegel all’atomismo era centrata sull’incapacità di questa teoria a spiegare le proprietà “nuove” dei composti poiché formati per semplice contatto tra gli atomi.  In pratica il problema della reale natura del legame chimico è irresolubile nello schema atomico riduzionista perché solo degli atomi “realmente” interagenti possono di fatto legarsi.  All’epoca di tipi differenti di interazione fisica se ne conoscevano tre: quella gravitazionale, quella elettrica e quella magnetica.  Newton e tutti i suoi seguaci, avevano optato per quella gravitazionale, magari con l’aggiunta di un comportamento repulsivo (Boscovich) a corta distanza per evitare agli atomi di collassare.  Quella elettrica sarà sponsorizzata principalmente da Berzelius e quella magnetica sarà proposta da alcuni fisici nel XX secolo, ad esempio A. Parson.  L’atomismo di Dalton non risolveva il problema del nuovo che si generava nell’unione di due atomi.  Tuttavia, poiché essi erano differenti qualitativamente diveniva più “comprensibile” che la molecola che si otteneva avesse proprietà qualitativamente diverse.  Esso poneva il problema delle qualità allo stesso modo della Scolastica aristotelica medievale [23].

 

La scoperta dell’elettrone nel 1897 da parte di J. J. Thomson [1856-1940] cambiò la prospettiva nello studio del legame chimico ed introdusse il concetto di “struttura atomica”.  Della sua influenza sul concetto di legame chimico qui non ce ne occuperemo.  Ora ci occuperemo, invece, della nascita del concetto di “struttura atomica”.  Tale strutturazione dell’atomo ha notevoli conseguenze, sia in campo scientifico sia in quello epistemologico.  Ritornando a Thomson, egli trovò che i raggi catodici, prodotti da una scarica elettrica in un tubo contenente gas rarefatti, erano formati da particelle che trasportavano una carica elettrica negativa.  Questo provava la natura corpuscolare dell’elettricità.  Una volta determinata da Millikan la carica elettrica, dal rapporto noto tra la massa e la carica elettrica si ottenne per questa particella una massa 1836 volte più piccola di quella dello ione idrogeno e per tale particella fu utilizzato il nome di “elettrone” che G. J. Stoney aveva coniato in precedenza (1891) in riferimento alla quantizzazione della carica elettrica nel fenomeno dell’elettrolisi.  In seguito Thomson dimostrò che le proprietà degli elettroni erano le stesse indipendentemente dal tipo di gas che aveva generato i raggi catodici.  Da ciò egli dedusse che gli elettroni erano costituenti di tutti gli atomi, e si riallaccia esplicitamente all’ipotesi di Prout, “la maniera più semplice e diretta per spiegare questi fatti si trova nella visione della costituzione degli elementi chimici accettata da molti chimici, e cioè che gli atomi dei diversi elementi chimici sono aggregati differenti di atomi dello stesso genere” (e nell’articolo cita Prout)” e anche “poiché gli elettroni possono essere prodotti da tutti gli elementi chimici, noi dobbiamo concludere che essi entrano nella costituzione di tutti gli atomi.  Noi abbiamo quindi fatto il primo passo verso la comprensione della struttura dell’atomo” [24].

 

La presenza degli elettroni negli atomi portò a molte domande di cui le tre principali erano: quanti elettroni erano presenti in ogni atomo, dove risiedeva la carica positiva e come spiegare la massa degli atomi.  Queste problematiche costituirono gli ingredienti di un solo concetto: la struttura atomica.  Praticamente insieme, Lord Kelvin [1824-1907] e J. J. Thomson, proposero la prima struttura atomica.  Il modello di Kelvin del 1902 prevedeva una nuvola di carica positiva, uniformemente distribuita, nella quale gli elettroni erano inseriti per ottenere una situazione di equilibrio e di neutralità.  Nel 1903-1904 Thomson propose un modello atomico, detto “plum-pudding” (budino) modello nel quale l’elettrone veniva inglobato come “plums” (uva passa) in una matrice sferica di carica positiva.  Inoltre Thomson pensava che la massa fosse dovuta principalmente agli elettroni e, quindi, negli atomi vi erano migliaia di queste particelle.  Nel 1911 E. Rutherford [1871-1937] elaborò il modello planetario dell’atomo.  L’elemento centrale di questo atomo era il nucleo, molto più piccolo dell’atomo, di carica positiva e che portava la quasi totalità della massa.  Attorno vi ruotavano gli elettroni, in numero non così elevato come per Thomson.  Ogni tipo di atomo era caratterizzato dal suo numero di elettroni e quindi per la neutralità, da un’eguale carica nucleare.  L’atomo di Rutherford era un atomo dove predominava il vuoto. Nel 1920 Rutherford diede a questo nucleo atomico il nome di “protone”.

 

Due critiche possono essere mosse al modello planetario di Rutherford ed ambedue erano presenti nella mente degli scienziati dell’epoca e anche in quella di Rutherford.  Generalmente nei libri è trattata solamente una di queste due obiezioni che, stranamente, è anche la più difficile da spiegare agli studenti.  L’altra, a mia conoscenza, è sparita del tutto dal bagaglio didattico odierno.  Vediamole in dettaglio.  La prima critica, quella riproposta in tutti i libri scolastici e non solo, è che il modello di Rutherford non regge dal punto di vista dell’elettrodinamica classica.  Infatti, un elettrone in rotazione intorno ad una carica positiva dovrebbe perdere energia per emissione di radiazione elettromagnetica e, dopo un movimento a spirale, cadere sul nucleo.  Che ciò non avvenisse nell’atomo era dimostrato tanto dalla sua stabilità quanto dal suo spettro che dava una frequenza di emissione fissa e non variabile, come sarebbe dovuta essere per un elettrone che si avvicinasse sempre più al nucleo.  Questa obiezione, dal punto di vista didattico, va assunta e basta.  Non è infatti pensabile di dimostrare matematicamente il movimento a spirale dell’elettrone secondo l’elettrodinamica classica.

 

La seconda obiezione era che un sistema meccanico come quello planetario non era in grado di spiegare le caratteristiche specifiche di ogni tipo di atomo e la loro costanza, indipendentemente dalle condizioni di ottenimento.  Per capire questa obiezione bisogna partire dal sistema solare [25].  Ai fini di questo argomento, riveste particolare importanza il fatto che le leggi della gravitazione consentono a un pianeta di girare in più modi intorno al sole: il pianeta può percorrere una qualsiasi orbita di forma ellittica.  Le orbite specifiche, percorse di fatto dai pianeti, non possono essere determinate dalle leggi fondamentali del moto, ma solo dalle cosiddette “condizioni iniziali”, vale a dire dalle condizioni prevalenti nel momento in cui il sistema si è costituito.  Condizioni iniziali leggermente diverse avrebbero prodotto orbite diverse e perturbazioni, come l’urto tra pianeti, porterebbero sicuramente questi in orbite diverse.  Questo è un tratto caratteristico del pensiero fisico ottocentesco: le leggi fondamentali determinano solo il carattere generale del fenomeno; esse ammettono una molteplicità continua di realizzazioni.  I fenomeni che di fatto si realizzano dipendono da effetti la cui azione si è esercitata prima che il fenomeno possa svolgersi senza interferenze dall’esterno.  È possibile prevedere, in base alle leggi, il corso esatto degli eventi sole se è nota con esattezza la situazione relativa a un certo istante del passato.  Da un punto di vista della fisica matematica questa è una conseguenza del fatto che rappresentiamo le leggi di natura sotto forma di equazioni differenziali, ossia di algoritmi in cui l’uscita è determinata in maniera univoca, oltre che dalla forma dell’equazione, dal condizioni particolari.  Infatti un’equazione differenziale ha una soluzione generale e quella particolare si ottiene utilizzando le informazioni sulle condizioni iniziali.  L’atomo, tuttavia, manifesta molte proprietà che non ci si aspetterebbe in un sistema planetario.  In questo contesto la principale è che “tutti gli atomi di una stessa sostanza sono identici”.  Il fatto che, indipendentemente dalla loro provenienza e dalla loro storia precedente, una sostanza pura presenti sempre le stesse identiche proprietà, deve stupirci.  L’identità dei singoli atomi contrasta in modo netto con quanto ci possiamo aspettare da un sistema meccanico, in particolare da un sistema meccanico come quello planetario.  Se l’atomo fosse un sistema del tipo “sistema solare”, sarebbe estremamente improbabile trovare due atomi uguali.  La difficoltà aumenta se consideriamo che in un gas gli atomi si urtano l’un l’altro moltissime volte al secondo.  Secondo la meccanica classica, ognuno di questi urti dovrebbe modificare in maniera sostanziale le orbite degli elettroni, come l’urto dei pianeti modificherebbe quelle planetarie.  Di fatto, tuttavia, dopo ogni urto gli atomi riacquistano in pieno la loro “forma” originale.

 

Da quest’ultima obiezione parte Bohr per elaborare un nuovo modello atomico, il primo con caratteristiche “inusuali” se confrontato con gli oggetti macroscopici.  È lo stesso Bohr a dircelo [26, 1] “My starting point was not at all the idea that an atom is a small-scale planetary systems and as such governed by the laws of the astronomy. I never took things as literally as that.  My starting point was rather the stability of matter, a pure miracle when considered from the standpoint of classical physics.  By 'stability' I mean that the same substances always have the same properties ... This cannot be explained by the principles of the classical mechanics, certainly not if the atom resembles a planetary system”.

 

Il modello che Bohr introdusse è ben noto.  Andiamo, tuttavia, a fissarne le due caratteristiche principali.  Contrariamente alla meccanica classica, agli elettroni in un atomo sono permesse solo particolari orbite con energia costante o, in maniera equivalente, a una distanza fissa dal nucleo; tali orbite sono assunte circolari; questo non poteva che essere un’approssimazione perché, come ben sapeva Bohr, avendo assunto una forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza l’orbita risultante era ellittica.  L’emissione e l’assorbimento di radiazione da parte di un atomo sono messe in relazione con il cambiamento di orbita di un elettrone e la frequenza di emissione/assorbimento è hv = E1 – E2, con E1 e E2 le energie dell’elettrone nelle due orbite.  Nel modello di Bohr, essendo le orbite degli elettroni fissate, esse potevano essere etichettate da un numero “n”, crescente al crescere dell’energia e della distanza dal nucleo.  In particolare, il quadrato di “n” entrava nella formula dell’energia.  Per ogni fissata orbita elettronica esisteva un determinato momento angolare, anch’esso quantizzato, e che identificava un secondo numero “l”. Il passaggio da l’orbita circolare a quella ellittica fu operato da Sommerfeld e portò ad un altro numero quantico “m”. Infine, i lavori di Goudsmit, Uhlenbeck e Paoli portarono all’introduzione del quarto numero quantico, “s”.

 

Fu la seconda caratteristica, quella legata al “salto” tra le due orbite, che ricevette più critiche.  Questi salti spiegavano la variazione discontinua nell’assorbimento o emissione, ma aprivano subito un altro problema: era tale transizione istantanea? se no, dove era l’elettrone durante il salto?  Questa concetto di transizione tra stati fu criticato da molti fisici.  Per esempio, Louis de Broglie [1892-1987] si poneva il problema che questi salti non potevano essere descritti nello spazio e Schrödinger si chiedeva se il salto fosse da considerarsi graduale o improvviso.  Se fosse stato graduale si era in contraddizione con lo spettro discontinuo di un atomo; se fosse stato improvviso, quale legge governava il suo movimento durante il salto?  In altre parole2: “the whole idea of quantum jumps is sheer fantasy”.  La risposta di Bohr è interessante3: “What you say is absolutely correct.  But it does not prove there are no quantum jumps.  It only proves that we cannot imagine them”.  D’altra parte le ipotesi di Bohr permisero di calcolare il raggio dell’atomo d’idrogeno, il suo potenziale di ionizzazione e di riprodurre correttamente la serie spettrale di Balmer per questo atomo.  Nel caso dell’atomo d’idrogeno vi era un solo elettrone e questo occupava ovviamente l’orbita a più bassa energia; negli atomi più complessi quale era il numero massimo di elettroni che un’orbita poteva contenere?  Questo problema fu ben presente nella mente di Bohr, ma trovò una soluzione solo nel 1926 con W. Pauli [1900-1958] e con l’introduzione di un quarto numero quantico, quello di spin, e l’esplicitazione del principio di esclusione che asseriva che non vi erano mai due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici.  Quindi in un orbita potevano trovare posto al massimo due elettroni con numero quantico di spin opposto.

 

Intanto la struttura dell’atomo si arricchiva di un altro protagonista: il neutrone.  Nel 1932 James Chadwick trovò nel nucleo atomico una particella di massa quasi uguale a quella dei protoni, ma senza carica elettrica.  Questa particella spiegava la discrepanza tra la massa dell’atomo e quella che si otteneva dalla somma dei soli protoni ed elettroni.  Questa particella spiegava anche l’esistenza degli isotopi, che sono atomi di uno stesso elemento che esibiscono quasi le stesse proprietà chimiche, ma hanno massa diversa perché differiscono tra loro per il numero di neutroni.  Gli isotopi furono scoperti da Frederick Soddy nella serie degli elementi radioattivi e poi da Francis Aston in molti altri elementi.  Con la scoperta degli isotopi cadde uno dei principali presupposti di Dalton: per ogni elemento esiste un solo tipo di atomo.  La scoperta di acque di diverso peso era stata rigettata da Dalton proprio in base a questo principio: “Noi possiamo allora concludere che le particelle ultime di tutte le sostanze omogenee sono perfettamente identiche in peso, forma, ecc.” [27].  Ancora nel 1914 J. J. Thomson ripeteva quasi le stesse parole: “tutte le particelle di una data sostanza hanno esattamente la stessa massa […] tutti gli atomi di un dato elemento sono identici” [28].

 

6. Il concetto di atomo nella meccanica quantistica

Come detto, la visione atomica agli inizi del XX secolo sembrava aver raggiunto una certa coerenza quando cambiò di nuovo tutto.  Dopo che alla radiazione era stata attribuita la doppia natura di onda e particella, nel 1924 Louis De Broglie estese questa doppia natura, corpuscolare e ondulatoria, anche alla materia.  Lo stesso De Broglie nel 1963 disse che da lì nasceva la meccanica quantistica: “uno potrebbe legittimamente cercare se questa peculiare dualità onda-particella, […] non rifletta una profonda e nascosta natura del quanto di azione e se uno non dovrebbe aspettarsi una simile dualità dovunque la costante di Planck sia coinvolta […].  Il ruolo degli interi nel caratterizzare gli stati stabili degli elettroni negli atomi sembrano quasi sintomatici.  Gli interi sono frequentemente coinvolti, come si verifica, in tutte le branche della fisica che trattano delle onde […].  Era allora semplicemente naturale sospettare che le regole di quantizzazione dovrebbe riflettere qualche proprietà ondulatoria degli elettroni negli atomi” [29].  Una delle più interessanti conseguenze della relazione di De Broglie, che associava a ogni particella di momento p una lunghezza d’onda h/p con h costante di Planck, era che applicata agli elettroni in un atomo dava un’elegante interpretazione delle regole di quantizzazione “queste regole esprimono la proprietà che l’onda associata con l’elettrone è in risonanza lungo la sua traiettoria; in altri termini, esse mostrano che l’onda associata con uno stato stazionario di un elettrone in un atomo è essa stessa un’onda stazionaria nel senso della convenzionale teoria delle onde” [29].

 

La dualità onda-particella per la materia fu ispirata a Louis de Broglie dall’idea di assegnare una massa al fotone tenuto conto che per la legge di Planck E = hn e per quella di Einstein E = mc2.  Il fisico francese, lavorando all’inverso, partendo dalla massa della particella vi assegnò una frequenza.  L’idea di de Broglie altera in maniera sostanziale la visione del mondo microscopico. Da questo momento in poi l’immagine di atomo-pallina coglie solo una parte di “verità” della realtà microscopica e, tramite questa, dell’intera realtà. L’impatto della formula di De Broglie sulla nascente meccanica quantistica fu veloce.  Due anni dopo, nel 1926 Erwin Schrödinger [30, 31] diede vita a quella branca della fisica nota come “meccanica ondulatoria”.  La base di questa nuova meccanica era l’equazione d’onda o equazione di Schrödinger.  Nella meccanica ondulatoria le funzioni d’onda delle particelle erano chiamate “orbitali”; essi prendevano il posto delle orbite del modello di Bohr.  Schrödinger considerava queste funzioni d’onda “reali”, come erano reali per le onde acustiche.  Egli pensava che esse rappresentassero vibrazioni fisiche che avvenivano in tutte le direzioni dello spazio.  In particolare, spariva la natura duale della materia (onda-particella) e quest’ultima era un’onda che, tramite interferenze costruttive in una regione limitata di spazio, “somigliava” al movimento di una particella della meccanica classica.  La difficoltà maggiore era che la funzione d’onda era immaginaria, nel senso matematico del termine, e ciò rendeva difficile associarla ad una reale vibrazione.

 

Una interpretazione completamente diversa del significato della funzione d’onda fu proposto già nel 1926 da Max Born [32 - 34] [1882-1970] ed introdusse un punto di vista probabilistico nell’universo subatomico.  Leon Lederman [7], il fisico dell’alta energia già citato per gli atomi di Boscovich, considera questa interpretazione come “il cambiamento più drammatico e profondo nella nostra percezione del mondo da Newton”.  Tenendo conto della natura complessa della funzione d’onda, il principio di Born stabilisce che il quadrato del modulo della funzione d’onda ad un dato punto e ad un dato istante è una misura della probabilità che la corrispondente particella possa essere trovata in quel punto e in quell’istante.  Questa interpretazione probabilistica cambia notevolmente il nostro modo “normale” di intendere la localizzazione di una particella.  Non si può più dire che all’istante t la particella è nel punto P, ma solo che esiste una certa probabilità che ciò avvenga.  In pratica la particella può essere dovunque nello spazio e non esiste possibilità di localizzarla con “certezza”.  Questa fu una radicale rottura con l’interpretazione di Schrödinger che, in un modo classico possiamo dire, vedeva nella funzione d’onda una descrizione di una reale onda materiale.  I chimici per visualizzare ciò pensano all’elettrone come dissolto in una nuvola elettronica, la densità di questa nuvola elettronica in un dato punto corrisponde alla probabilità della presenza dell’elettrone in quel punto, cioè al quadrato della sua funzione d’onda.  Questa è ovviamente solo una rappresentazione grafica mentale per visualizzare l’aspetto probabilistico della funzione d’onda.

 

Va precisato che, nell’interpretazione di Born della funzione d’onda, l’aspetto probabilistico è molto diverso da quello della probabilità classica, applicata per esempio nell’ottocento alla teoria dei gas. In questo ultimo caso il sistema era considerato del tutto deterministico e solo la nostra impossibilità a padroneggiare l’enorme mole di traiettorie, dovute alla grande quantità di atomi presenti anche in piccole porzioni di gas, rendeva necessaria un’approssimazione statistica.  Nella meccanica quantistica la situazione è completamente diversa.  È nella “natura” delle particella la sua componente probabilistica e non nella nostra incapacità o ignoranza.  Su questo stesso punto un notevole effetto è stato svolto anche il lavoro di W. Heisenberg [1901-1976].  Nel 1925 Heisenberg propose un approccio alternativo alla meccanica ondulatoria di Schrödinger, noto come meccanica matriciale.  Qui non entreremo nel dettaglio, e neppure cercheremo di accennare, a cosa sia questa tipo di meccanica, ma ne sottolineeremo solo due aspetti.  Il primo punto da evidenziare è che questo formalismo matematico era presentato da Heisenberg come alternativa formale alle descrizioni “realistiche” degli atomi.  Il secondo punto fondamentale del lavoro di Heisenberg è l’elaborazione del principio di inderteminazione. Esso stabilisce che il prodotto dell’incertezza sulla posizione e sul momento non può essere più piccolo della costante di Planck divisa per 2p. Sebbene tale principio può essere visto come una conseguenza algebrica dell’approccio matematico di Heisenberg, esso può essere introdotto in un modo più empirico, come fece lo stesso autore, per mezzo di un esperimento mentale.  Supponiamo di voler determinare il più accuratamente possibile il movimento di un elettrone in un atomo, cioè la sua posizione ed il suo momento.  A questo fine, decidiamo di usare un microscopio.  Occorre un microscopio che usi una radiazione di piccola lunghezza d’onda, per esempio i fotoni dei raggi g.  Noi sappiamo che la posizione ed il momento dell’elettrone sono perturbati dall’impatto dei fotoni attraverso il fenomeno detto “effetto Compton”.  Quanto più precisamente cerchiamo di determinare la posizione dell’elettrone, per esempio aumentando la frequenza della radiazione, tanto più i fotoni diventano più energetici e variano di più il momento dell’elettrone.  E viceversa.  Questo problema non può essere superato cambiando strumento di misura ed impone un limite alla risposta del sistema alla nostra misura, intrinseco alle proprietà del mondo delle particelle elementari.  Nella fisica quantistica la misura di una variabile può ridurre la possibilità di conoscerne un’altra. Bachelard osserva che prima di Heisenberg l’errore su due variabili indipendenti erano essi stessi indipendenti mentre ora vi può essere una correlazione tra gli errori.

 

Il principio di indeterminazione ebbe notevoli conseguenze su quello che per millenni era stato considerato l’ipotesi fondante degli studi scientifici: il determinismo.  Celebre era stata la frase di Pierre Simon de Laplace [1749-1827] “Un intelligenza che conoscesse ad un dato istante tutte le forze in natura e la posizione di ciascuna entità in essa, se avesse il potere di sottoporre tutta questa conoscenza ad analisi, sarebbe capace di contenere in una singola formula i movimenti di tutte le cose, dal più grande corpo fisico nell’universo al più leggero atomo: niente sfuggirebbe alla sua comprensione, e il futuro, esattamente come il passato, sarebbe subito presente davanti ai suoi occhi” [35].  Heisenberg aveva, invece, introdotto una “nebbia quantistica”.  Se non possiamo determinare simultaneamente la posizione ed il momento di una particella ad un dato istante, come possiamo predire in maniera assoluta il futuro?  Esiste una determinata posizione ed un determinato momento di una particella?  Sono queste le domande alle quali la meccanica quantistica deve ancora dare una risposta chiara e che portano al problema della “realtà del mondo microscopico”, mondo così diverso da quello macroscopico con il quale abbiamo un costante contatto.

 

6a. Differenze ed affinità tra l’atomo classico e quello quantistico

Alla fine di questa panoramica che ha tracciato la storia del concetto di atomo dal Rinascimento ai giorni nostri, ci poniamo la domanda, trattata in letteratura [36], se la teoria atomica dei greci può essere considerata come il vero precursore dell’odierna teoria atomica.  A questa domanda hanno risposto in maniera diversa molti scienziati e filosofi.  La gamma delle risposte va dal netto “si”, al “no” deciso, passando per posizione più sfumate.  Io credo che a questa domanda si possa ragionevolmente dare una doppia risposta, a secondo che ci si ponga in una continuità storica dell’evoluzione del concetto o si faccia un confronto diretto tra il concetto di atomo di oggi e quello di venticinque secoli prima.  D’altra parte per qualunque concetto scientifico, e non, se si confronta l’accezione odierna ad un’altra storica si cade sempre in questa dicotomia.  Tale discorso lo si potrebbe applicare al concetto di massa, a quello concetto di forza, di legge fisica, ecc.  La teoria atomica di Leucippo e Democrito è effettivamente e storicamente configurabile come il vero precursore dell’odierna teoria atomica se si prende atto che, nel corso dei secoli, effettivamente gli scienziati che facevano capo alla visione atomica si richiamavano idealmente e concretamente a quei pensatori greci.  La teoria atomica di Leucippo e Democrito è invece a tal punto diversa da quella odierna, e per molti versi esiste un’opposizione di principio tra queste due visioni atomiche, al punto da non potere essere considerata la progenitrice dell’attuale teoria atomica.

 

Dato quindi atto della continuità storica della visione atomica, passiamo a vedere in dettaglio quali sono le caratteristiche dell’atomo dei greci che si sono conservate e quali sono state sostituite nella odierna visione atomica.  Schematizziamo in pochi punti l’atomo democriteo.

1.    L’atomo è la particella elementare della materia.

2.    Gli atomi hanno diverse grandezze e diverse forme; essi sono in numero e di tipi infiniti, differenti appunto per forma e dimensioni.

3.    L’atomo è impenetrabile ed indivisibile perché non contiene nessun vuoto.

4.    Gli atomi sono tutti qualitativamente identici, o meglio non hanno in sé qualità, se non quelle sopraddette, matematicamente identificabili.

5.    Secondo la teoria atomica, tutti i mutamenti sostanziali o qualitativi che osserviamo nei corpi fisici vengono ricondotti ai movimenti degli atomi.

6.    Nel processo di aggregazione, gli atomi non perdono la loro identità; essi restano in contatto, giustapposti.

7.    Secondo la teoria atomica tutte le differenze qualitative fra le varie sostanze composte vengono attribuite alle differenze di forma, di dimensione, di posizione, di distribuzione e di condizione di movimento degli atomi.

 

Nella odierna teoria atomica:

1.  L’atomo odierno non è più la particella elementare della materia.  Esso è costituito da un nucleo, che contiene protoni e neutroni, e dagli elettroni.  Gli elettroni sono particelle elementari e, insieme ai muoni, alla particella tau e a tre tipi di neutroni, formano la famiglia dei leptoni; i protoni ed i neutroni appartengono alla famiglia degli adroni e non sono particelle elementari e, come altre particelle, sono costituiti dai sei tipi di quark.  I sei leptoni e i sei quark formano il modello standard dell’universo.  Questi corpuscoli sono comunque solo una parte del quadro attuale delle particelle elementari perché bisogna ancora aggiungere le particelle corrispondenti alle forze di interazioni, il prototipo delle quali è il fotone per il campo elettromagnetico.  L’attuale visione fisica corpuscolare presenta dodici particelle elementari che formano la materia ordinaria e dodici particelle elementari che trasmettono la forza.  Includendo la differenziazione dei quark in “colori” e le antiparticelle si arriva a sessanta.

2.  Per gli atomi si può ancora parlare di differente grandezza se si intende con questo termine la posizione media degli elettroni più distanti dal nucleo.  Tutti gli elettroni hanno una distanza media dal nucleo, la vecchia orbita di Bohr, funzione del numero quantico principale.  In genere, tanto più alto è questo numero quantico tanto più questi elettroni sono “mediamente” più lontani dal nucleo.  Quindi, un atomo con molti elettroni, e che riempie quindi dei gusci di valenza ad alto numero quantico principale, ha, in questo senso, un raggio maggiore.  Naturalmente queste grandezze atomiche non sono in numero infinito.  Riferendosi alla grandezza classica si potrebbe dire che l’atomo di ogni elemento (e di ogni ione) ha una grandezza fissata.  Si vede che, sebbene in un certo senso si possa ancora parlare di “raggio atomico”, siamo a concetti diversi dalla dimensione dei corpuscoli pensata dai greci.  Riguardo alla forma essa ha perso la rilevanza che aveva in ambito greco.  Gli orbitali atomici hanno ancora una loro “forma”, ma non si parla di “forma atomica”.  Inoltre, come per le dimensioni, in ogni caso le forme possibili sono poche, non certo infinite.

3.  L’atomo odierno non è né impenetrabile né indivisibile ed è, in larga parte, costituito di vuoto.  La rimozione della proprietà d’impenetrabilità ha permesso di superare quello che per secoli è stato lo scoglio concettuale maggiore della visione atomica: la formazione degli aggregati.  Nel punto (6) tratteremo esplicitamente questo aspetto.  L’atomo odierno non è indivisibile.  Apparentemente questa è la più grossa novità dell’atomo moderno, rendendo addirittura contraddittorio il nome, che, come è noto, l’etimologia fa risalire al termine greco “indivisibile”.  In realtà questa differenza in ambito chimico non esiste e, forse, l’indivisibilità è proprio l’unica proprietà dell’atomo chimico moderno ad essere conservata intatta dall’atomo classico.  Heisenberg riteneva che il termine atomo fosse più adatto ai protoni, agli elettroni, ai neutroni, ai mesoni, ecc. in quanto queste erano le “particelle elementari” della sua epoca.  Oggi qualche fisico può ritenere adatto l’attribuzione del nome di atomo ai quark e alle altre attuali particelle elementari.  Per il chimico odierno la particella elementare è e resta l’atomo.  Questa idea era ben chiara a Kekulé nell’Ottocento [37]: “Anche se il progresso scientifico condurrà un giorno a una teoria della costituzione degli atomi chimici, per quanto importante tale conoscenza potrà essere per la generale filosofia della materia, essa porterà piccole differenze alla chimica.  Gli atomi chimici saranno sempre i blocchi della costruzione chimica”.

4.  Gli odierni atomi sono diversi qualitativamente.  Per ogni elemento (a parte il problema degli isotopi) esiste un solo tipo di atomo, e questo è un risultato non banale e non spiegabile nell’ambito della meccanica classica, e gli atomi di un elemento sono diversi qualitativamente da quelli di un altro.  Dalton li aveva differenziati per peso; noi li differenziamo per costituenti e per la relativa struttura.  L’importanza della “strutturazione” della materia e il suo rapporto con la differenziazione “qualitativa” sono stati da me trattati in dettaglio nel più volte citato La chiave del mondo.

5.  Come evidenziato nel punto precedente, gli atomi odierni hanno già una loro differenza qualitativa.  Quella che osserviamo nei corpi macroscopici dipende tanto dalla loro differente natura, quanto dai movimenti, ma soprattutto dalle loro aggregazioni.

6.  Come detto nel punto (2) gli atomi non sono “impenetrabili”.  Nel momento della loro associazione essi si “compenetrano”, nel senso che gli elettroni di valenza (o alcuni di essi) diventano patrimonio comune della molecola.  L’esistenza di sostanze composte, realmente “nuove”, è diventata quindi comprensibile.  L’appartenenza degli elettroni all’intera molecola e non più ai singoli atomi rende impossibile una visione molecolare nei termini di aggregato di atomi.

7.  Questo è un punto essenziale.  La necessità di trattare una teoria molecolare della materia, distinta da quella atomica, discende dalla negazione di questo punto.  Le differenze qualitative delle varie sostanze composte dipendono ovviamente dagli aspetti atomici, ma gli aggregati di atomi formano un insieme in sé unico, le molecole, talmente nuovo da avere un nome proprio e da essere nuovo soggetto di azione a cui riferire le proprietà macroscopiche.

 

Da questi sette punti si vede quello a cui si era già accennato e cioè che, sebbene l’atomo antico è effettivamente il precursore storico di quello moderno, esso è comunque molto diverso da quello attuale.  Quello che comunque è rimasto, e che ci consente di ricollegarci al passato di questo concetto, è l’idea fondamentale dell’esistenza di un mondo microscopico in stretta relazione con il modo macroscopico e la sua evoluzione.  Questa idea, azzardata nell’antichità, ha ricevuto conferme nei secoli successivi e da idea filosofica è diventata una teoria scientifica.  Abbiamo visto come è cambiato l’atomo nella fisica odierna.  Manca di vedere che fine ha fatto l’altro elemento essenziale dell’atomismo classico: il vuoto.  La meccanica quantistica ha cambiato sostanzialmente anche questo concetto per mezzo del principio di indeterminazione di Heisenberg e dell’equivalenza tra massa ed energia di Einstein.  Senza entrare nel benché minimo dettaglio, il vuoto in meccanica quantistica viene definito come lo stato di minima energia di tutti i campi e viene visto come “un oceano di particelle virtuali” che si formano e scompaiono; esso diviene una banca di energia e, per la possibilità di interconversione tra massa ed energia, diviene anche una banca di particelle.  Il vuoto diventa uno stato virtuale dell’universo e, quindi, vuoto e particelle elementari diventano due differenti manifestazioni della stessa “realtà”.  Inoltre esso partecipa anche delle proprietà della materia e si parla della polarizzazione del vuoto, ottenendo una fusione di due termini che sarebbero stati opposti nell’atomismo democriteo.

 

7. Conclusione

In questa conclusione voglio riprendere il punto accennato nell’introduzione: l’atomo da elemento essenziale della visione riduzionista della materia, oggi può essere anche visto come elemento cardine della visione anti-riduzionistica.  Questo aspetto fondamentale è stato poco evidenziato in letteratura e, con cautela, può essere anche introdotto dall’insegnante in classe.

 

L’approccio riduzionista alla realtà materiale può essere esemplificato dall’atomismo democriteo.  In questa teoria atomica tutti i mutamenti sostanziali o qualitativi che osserviamo nei corpi fisici erano ricondotti ai movimenti atomici, mentre tutte le differenze qualitative fra le varie sostanze erano attribuite alle differenze di forma, di dimensione, di posizione, di distribuzione e di condizione di movimento di tali particelle.  Nasceva con gli atomisti greci la tesi che qualsiasi cambiamento “non possa essere niente altro che moto di parti del corpo che è cambiato”.  Il mondo delle qualità (caldo e freddo, dolce e amaro, colorato, ecc.) era per gli atomisti greci soltanto soggettivo, derivando unicamente dalle reazioni dei nostri sensi alle impressioni esterne, reazioni cui si davano convenzionalmente nomi, come se fossero state qualità vere.  Risale, perciò, a Democrito la distinzione, che diverrà fondamentale nella scienza moderna, fra qualità “vere” (che poi saranno dette “primarie”) e qualità “convenzionali” (che poi saranno dette “secondarie”).  Un aspetto molto importante del programma degli atomisti era, infatti, la riduzione dei cambiamenti macroscopici qualitativi ai cambiamenti quantitativi atomici.  L’idea filosofica che ha presieduto e ancora presiede a tale spiegazione del mondo e dei suoi eventi è che, una volta conosciuti gli elementi ultimi della materia e le leggi che li governano, tutto il resto, dalla materia inanimata a quella animata, dal pensiero umano a Dio, può essere spiegato nei loro termini essendo una loro, vicina o lontana, conseguenza.  È con Galileo, e la “rivoluzione scientifica” moderna, che la visione riduzionista del mondo è diventata il substrato unico della fisica e poi, con l’uniformarsi a questa visione di fondo di altre discipline scientifiche fino alle scienze umane, l’unica ed accetta impostazione scientifica.

 

L’approccio anti-riduzionista, l’altra visione generale della realtà, parte dall’assunto che la complessità qualitativa del mondo macroscopico non è riducibile a uniformità microscopica e che le qualità che noi vediamo nel mondo si debbano conservare, almeno in parte, in ogni livello di complessità, anche nella realtà più profonda.  Naturalmente di questa visione del mondo ve ne sono molte differenti versioni, a seconda di quali e quante qualità macroscopiche sono conservate nel mondo microscopico.  Le accomuna comunque l’idea che delle qualità del mondo macroscopico se ne conservano nel mondo microscopico un numero tale da rendere impossibile una visione semplice della materia.  L’idea filosofica che presiede a tale spiegazione del mondo e dei suoi eventi è che, non è sufficiente conoscere gli elementi ultimi della materia e le leggi che li governano, perché il mondo (e non solo quello materiale) è sezionabile in livello di complessità [38] (atomi, molecole, cellule, uomini, ecc.) ed ogni livello ha sue leggi specifiche ed enti che sono “qualcosa in più” delle parti che lo compongono.  L’emergenza di proprietà specifiche, di cui la “vita” è l’esempio lampante ma non unico, impedisce la riduzione alla realtà ultima e lascia ampia autonomia agli enti e alle discipline scientifiche che li studiano.

 

L’atomo è nato in un’ottica tipicamente riduzionista, anzi abbiamo visto che l’atomismo democriteo è paradigmatico dell’idea riduzionista.  Boscovich con i suoi atomi tutti uguali ed una sola forza di interazione rappresenta il culmine di questa idea.  Nonostante ancora oggi importanti fisici si cimentino alla ricerca della Teoria del Tutto, si è fatta strada l’idea che se anche si arrivasse ad un unica forza di interazione e ad un’unica particella realmente elementare, ogni volta che metteremmo insieme queste particelle otterremmo enti strutturati, sistemi, con proprietà globali ed irriducibili ai loro costituenti.  Tale discorso si propagherebbe ai nuovi sistemi che ingloberebbero i primi come parti e di seguito.  In pratica, l’organizzazione, la strutturazione di aggregati di enti simili crea, sotto opportune condizione, qualcosa che va oltre gli aggregati: un nuovo sistema.  Questo vale per gli atomi, per le molecole, per le cellule persino per le società umane.

 

Questi due approcci possono essere proposti a livello didattico.  Essi implicano due ottiche diverse, due modi di guardare alle stesse cose, ma proprio perché sono due approcci generali possono essere esemplificati agli studenti.  Casi concreti possono venire in aiuto.  Per esempio, a causa della mancata differenziazione ed autonomia esplicativa dei vari piani di complessità, oggi si sente spesso parlare di scoperte genetiche, come il gene dell’amore o quello del coraggio, che, se intese in senso stretto, porterebbero all’annullamento di funzioni superiori dell’uomo, come il libero arbitrio.  L’atomo, allora, per motivi storici e per l’importanza scientifica che ha assunto e continuerà ad assumere in futuro, può essere considerato come paradigmatico sia dell’approccio riduzionista sia di quello anti-riduzionista e, come tale, aiutare gli studenti ad avere un loro approccio scientifico al mondo, rivestire cioè un fondamentale ruolo “formativo”.

 

Note

1 “Il mio punto di partenza era per niente l’idea che un atomo è un sistema planetario su scala ridotta e come tale governato dalle leggi dell'astronomia.  Non ho preso mai letteralmente le cose in quel modo.  Il mio punto di partenza era piuttosto la stabilità della materia, un puro miracolo quando considerato dal punto di vista della fisica classica.  Per 'stabilità' io intendo che le stesse sostanze hanno sempre le stesse proprietà ... Ciò non può essere spiegato dai principi della meccanica classica, certamente non se l’atomo assomiglia ad un sistema planetario”.

2 “l’intera idea dei salti quantici è fantasia pura”.

3 “Quello che tu dici è assolutamente corretto. Ma questo non prova che non ci sono salti quantistici. Questo prova solamente che non possiamo immaginarceli”.

 

Bibliografia

1. G. Villani, La chiave del mondo. Dalla filosofia alla scienza: l’onnipotenza delle molecole, CUEN, Napoli 2001.

2. G. Villani, Dal concetto di atomo alla struttura molecolare della materia, in Molecole. La chimica oggi: filosofia, storia e ricerca avanzata, a cura di G. Villani, Cap. 3, CUEN, Napoli 2001, pp. 99-124.

3. F. Abbri, Le origini della chimica moderna, in Storia della Scienza Moderna e Contemporanea, diretta da Paolo Rossi, Dalla rivoluzione scientifica all’età dei lumi, vol. 1, pp. 358-361.

4. P. Rossi, La nascita della scienza moderna in Europa, Laterza, Roma-Bari 1997, pp. 223-225.

5. R. Boyle, Il chimico scettico, trad. it. Boringhieri, Torino 1962, pp. 296-97.

6. R. Boyle, The sceptical Chymist, London 1772,  LV, 281.

7. L. Lederman e D. Teresi, The God Particle, Dell Publishing, New York 1993.

8.  G. Villani, La chiave del mondo, cit., Capitolo 2.

9. D. Diderot, Entretiens entre d’Alambert et Diderot, Flammarion, Paris 1965, in B. Pullman, The Atom in the history of human thought, Oxford University Press, New York Oxford 1998, pp. 148-149, (mia traduzione).

10. J. D. Barrow, Teorie del tutto. La ricerca della spiegazione ultima, Adelphi, Milano 1992.

11. J. J. Berzelius, in W. H. Brock, The Fontana History of Chemistry, Fontana Press, Glasgow 1992, p. 152 (mia traduzione).

12. A. L. Lavoisier, in C. J. Gillispie, Il criterio dell’oggettività. Un’interpretazione della storia del pensiero scientifico, Il Mulino, Bologna 1981, p. 242. * “se con il termine elementi vogliamo indicare gli atomi semplici e indivisibili di cui è costituita la materia, allora è molto probabile che non sappiamo praticamente nulla di essi; ma se usiamo il termine elementi, o principi dei corpi, per esprimere la nostra idea del limite cui possiamo arrivare con la nostra analisi, allora dobbiamo includere fra gli elementi tutte le sostanze in cui siamo capaci di scomporre, con qualsiasi mezzo, i corpi”.

13. J. Dalton, in C. J. Gillispie, Il criterio dell’oggettività, cit., p. 245.

14. J. Dalton, in C. J. Gillispie, Il criterio dell’oggettività…,cit., p. 250.

15. L. Meyer, Die moderne theorien der Chemie, 1864, in Atomi e molecole fra due secoli (XIX e XX), Atti della IIIa Scuola Estiva “Fodamenti Metodologici ed Epistemologici, Storia e Didattica della Chimica”, Pisa 2000, a cura di E. Niccoli, P. Riani e G. Villani, p. 116.

16. A. Di Meo, Atomi e molecole … , cit., p. 76.

17. J. Dumas, memorie presentate all’Académie des sciences di Parigi nel 1857 e nel 1858 e poi ripubblicate più estesamente nel 1859 nelle Annales de chimie et de physique, in A. Di Meo, Atomi e molecole …, cit., p. 76-77.

18. J. Dumas, memorie …, cit., in A. Di Meo, Atomi e molecole …, cit., p. 79-80.

19. G. Villani, La chiave del mondo, cit., Capitolo 4.

20. G. Villani, La chiave del mondo. Dalla filosofia alla scienza: l’onnipotenza delle molecole, CUEN, Napoli 2001, Capitolo 12.

21. H. Poincaré, in B. Pullman, The Atom …, cit., p. 256, (mia traduzione).

22. G. W. F. Hegel, La science de la logique. La théorie de la mesure, Presses Universitaires de France, Parigi 1970, in B. Pullman, The Atom …, cit., p. 211, (mia traduzione).

23. G. Villani, La chiave del mondo, cit., Capitolo 3.

24. J. J. Thomson, The Atomic Theory, Clarendon Press, Oxford 1914.

25. G. Villani, La chiave del mondo. Dalla filosofia alla scienza: l’onnipotenza delle molecole, Napoli: Cuen, 2001, Cap. 6.

26. Una conferenza tenuta a Göttingen nel 1922, in B. Pullman, The Atom in the history..., cit., pp. 262-263.

27. J. Dalton, A new system of chemical philosophy, in B. Pullman, The Atom …, cit., p. 270, (mia traduzione).

28. J. J. Thomson, in B. Pullman, The Atom …, cit., p. 270, (mia traduzione).

29. L. De Broglie, The revolution in physics: A non-mathematical survey of quanta, Greenwood Press, Oxford 1914.

30. E. Schrödinger, Quantisierug als Eigenwertproblem, Annalen der Physik 79, 1926, pp. 361-376; traduz. inglese Quantization as a problem of proper values, in E. Schrödinger, Collected Papers on Wave Mechanics, Blackie & Son, London 1928.

31. E. Schrödinger, Über das Verhältnis der Heisenberg-Born-Jordanschen Quantenmechanik zu der meinen, Annalen der Physik 79, 1926, pp. 734-756.

32. M. Born, Zur Quantenmechanik der Stossvorgänge, Zeitschrift für Physik 37, 1926, pp. 863-867.

33. M. Born, Quantenmechanik der Stossvorgänge, Zeitschrift für Physik 38, 1926, pp. 803-827.

34. M. Born, Zur Wellnmechanik der Stossvorgänge, Göttinger Nachrichten 1926, pp. 146-160.

35. P. S. Laplace, Essai philosophique sur le probabilités, Parigi 1814.

36. B. Pullman, The Atom …, cit., pp. 332-333.

37. A. Kekulé, in B. Pullman, The Atom …, cit., p. 232, (mia traduzione).

38. G. Villani, La chiave del mondo, cit., Introduzione.

 

 

Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola. Riprodotto con l'autorizzazione del Prof. Pierluigi Riani, direttore di CnS.