La scoperta del vuoto

La scoperta del vuoto

Le riflessioni sul vuoto si svilupparono già nell’antica Grecia. L’esistenza del vuoto fu sostenuta da Democrito (V sec. a.C), mentre Aristotele (384-322 a.C.), pur concependo l’universo come finito, negò risolutamente che oltre i confini del mondo vi fosse il vuoto. Inoltre l’aria, per lo Stagirita e per i suoi discepoli, non pesava, né esercitava pressione.

Nel Medioevo molti peripatetici incontrarono difficoltà nel conciliare la tesi dell’impossibilità logica del vuoto con i dogmi della Chiesa. Nel secolo XIII i filosofi e i teologi della Scolastica contestarono questa concezione, nella quale videro la negazione dell’onnipotenza divina: se Dio infatti avesse voluto, avrebbe potuto produrre il vuoto. Essi ribadirono tuttavia che era impossibile produrre il vuoto in natura con forze “naturali”. Sviluppando le concezioni della Fisica aristotelica, alcuni autori medievali elaborarono la teoria dell’orrore del vuoto da parte della natura: una ripugnanza costitutiva per il vuoto induceva la natura ad adoperarsi in ogni modo per impedire che esso potesse prodursi.

Una piuma e una moneta d’oro

Galileo affermò per primo che i corpi, di qualunque materia, peso e volume, cadono tutti dalla quiete con la medesima velocità. Le prove sperimentali mostravano, tuttavia, come i corpi più pesanti giungessero al suolo con un buon anticipo rispetto ai più leggeri.
Grazie alla messa a punto di strumenti per produrre agevolmente il vuoto, alla fine del Seicento venne costruito un ingegnoso apparato sperimentale che consentì finalmente di dimostrare che Galileo aveva ragione. In un tubo di vetro, evacuato mediante una pompa, venivano fatte cadere simultaneamente una piuma e una moneta d’oro (una ghinea inglese): i due corpi, nonostante il loro peso così diverso, giungevano insieme alla base del tubo.

Horror vacui

Tra i primi a proporre idee innovative sul vuoto e sulla pressione dell’aria fu l’olandese Isaac Beeckman (1588-1637). Egli ammise, infatti, l’esistenza del vuoto e riconobbe che l’aria preme in ogni direzione. Beeckman comunicò queste sue idee a Cartesio (1596-1650), che negava risolutamente il vuoto, sviluppando col filosofo francese una vivace e interessante discussione.

Descartes riteneva, infatti, che l’attributo fondamentale della materia fosse l’estensione. Nessun ente fisico può esistere se non in quanto occupa uno spazio; dunque, tutto ciò che esiste in termini di materia ha una dimensione spaziale, è, cioè, “sostanza estesa”. In tal senso, il vuoto, cioè uno “spazio vuoto”, è assolutamente impossibile: stante l’identificazione tra estensione e materia non si danno in natura porzioni dello spazio prive di materia. Quelle parti dello spazio che possono apparire come “vuote”, sono, in realtà, anch’esse “piene”, seppure di una materia diversa da quella ordinaria, più rarefatta e impercettibile, che Descartes chiama “materia sottile”. Proprio tale “materia sottile” è, secondo Descartes, ciò che noi, equivocando, scambiamo con il “vuoto”.

I vortici cartesiani. R.Descartes, Principia Philosopiae, 1644

I vortici cartesiani.
R.Descartes, Principia Philosopiae, 1644

La definitiva messa in crisi della teoria dell’horror vacui costituisce uno dei grandi meriti di Evangelista Torricelli (1608-1647). In un celeberrimo esperimento, compiuto a Firenze nel 1644, Torricelli mostrò non solo che la natura non aborriva il vuoto, ma che era semplicissimo realizzarlo. L’esperimento torricelliano produsse conseguenze epocali e la scoperta del vuoto costituì un trauma profondo, sul piano scientifico, filosofico e cosmologico.

L’esperimento di Torricelli

Il celeberrimo esperimento dell’argento vivo fu realizzato da Torricelli nella primavera del 1644 a Firenze. Torricelli riempì di mercurio un tubo di vetro aperto ad una delle estremità. Poi, tenendo serrata con un dito l’estremità aperta, rovesciò il tubo in una bacinella contenente mercurio. Osservò allora che la colonna di mercurio scendeva solo parzialmente, fermandosi ad un’altezza di circa 76 cm. Torricelli si convinse che lo spazio lasciato libero dalla discesa del mercurio nel tubo fosse vuoto e che il sostentamento della colonna di mercurio dipendesse dalla pressione che l’aria esercitava sul mercurio nella bacinella. In una lettera a Michelangelo Ricci del 11 giugno 1644, Torricelli sostenne che il suo esperimento provava due concetti fondamentali: che la natura non aborre il vuoto e che l’aria pesa. I risultati dell’esperimento dell’argento vivo aprivano un’epoca di trasformazioni rivoluzionarie e obbligavano a rivedere dottrine consolidate da secoli.

Esperimento di tipo torricelliano.

Esperimento di tipo torricelliano.

Negli anni centrali del Seicento, nel cuore della Rivoluzione Scientifica, il dibattito sul vuoto e sulla pressione atmosferica rappresentò uno dei punti nodali delle discussioni sulla costituzione della materia e sulla natura dell’universo. Con quei delicati concetti si misurarono Galileo (1564-1642) e Cartesio (1596-1650), Gassendi (1592-1655) e Hobbes (1588-1679), Pascal (1623-1662) e Newton (1642-1727).

L’esperimento del vuoto nel vuoto

Una delle conferme decisive dell’influenza della pressione atmosferica venne offerta dal cosiddetto esperimento del “vuoto nel vuoto”, realizzato nel 1648 con diverse modalità da Roberval, da Adrien Auzout, dallo stesso Pascal e, successivamente, dagli Accademici del Cimento e da Robert Boyle.
Si scoprì, infatti, che, se l’esperimento torricelliano veniva realizzato in un ambiente vuoto, il mercurio non restava in sospensione ma discendeva completamente nella bacinella. Si osserva inoltre che, reimmettendo aria, il mercurio tornava a salire nel tubo.
Per confermare l’esperimento di Torricelli, Blaise Pascal concepì nel 1648 una prova risolutiva. Fece portare un barometro sulla sommità del Puy de Dôme, nel Massiccio Centrale della Francia, dove il livello della colonna di mercurio risultò più basso di alcuni pollici rispetto alla pianura. Pascal interpretò correttamente questa variazione come conseguenza della diminuzione della pressione per l’altitudine.

Variazione del tubo torricelliano ordinario per l'esperienza del vuoto nel vuoto. Pascal, Traitez de l'equilibre des liqueurs, et de la pesanteur de la masse de l'air, Parigi 1663

Variazione del tubo torricelliano ordinario per l’esperienza del vuoto nel vuoto.
Pascal, Traitez de l’equilibre des liqueurs, et de la pesanteur de la masse de l’air, Parigi 1663

L’esperimento torricelliano del 1644 produsse conseguenze epocali e la scoperta del vuoto costituì un trauma profondo, sul piano scientifico, filosofico e cosmologico. I maggiori filosofi, scienziati e teologi dell’Europa intera si impegnarono in un’intensa attività di riflessione e di sperimentazione per confermare o contestare l’esistenza del vuoto e la pressione atmosferica.

Il perfezionamento della pompa pneumatica favorì una migliore comprensione della natura fisica dell’aria, mentre la sua natura chimica sarebbe stata concepita solo più tardi. In pneumatica il termine vuoto indica l’assenza di gas (ad esempio in una campana di vetro evacuata da una pompa apposita). Oggi sappiamo che il vuoto assoluto, e cioè la totale assenza di molecole di gas in un recipiente, è irraggiungibile anche con le pompe moderne più perfezionate e uno spazio “vuoto” contiene sempre molti milioni di molecole. Il cosiddetto vuoto dunque corrisponde a pressioni più ridotte rispetto alla normale pressione atmosferica.

A.DeL.



Categorie:K03- I concetti della Fisica - The Concepts of Physics

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