Dinamiche di evoluzione del pensiero scientifico di Francesco Maria ...

Dinamiche di evoluzione del pensiero scientifico
di Francesco Maria Scarpa

Il cattedratico di
Cambridge…
Ritratto olio su tela
eseguito da
Godfrey Kneller
(1702)
National Gallery di
Londra
…in realtà sarebbe una frase di
Bernardo di Chartres (filosofo francese del XII Secolo)…

Storia e filosofia della
scienza
Devo dire che quella che ho appena
delineato è una “storia della fisica vista
da un fisico”, una storia, cioè, che non
è mai del tutto veridica, una specie di
storia mito-convenzionale che i fisici
raccontano ai loro studenti, i quali la
raccontano ai loro studenti, e che non
è necessariamente collegata
all’effettivo sviluppo storico (a me
peraltro sconosciuto!).
Richard P. Feynman (1918-1988)
da QED la strana teoria della luce e della materia 1985

Storia e filosofia della
scienza
Quindi…di quale storia
e di quale filosofia
vogliamo parlare?

Una storia della scienza
intesa come…
Pura storiografia?
(Date di eventi, memorie, cronologie, biografie)
Successione di aneddoti?
Storia delle scoperte e delle invenzioni?
Genealogia delle teorie scientifiche?
Non solo…
“La storia della scienza senza filosofia della scienza è
vuota, ma la filosofia della scienza senza storia della
scienza è cieca”.
Imre Lakatos

Piuttosto intendiamo una
storia della scienza
connessa alla filosofia
della scienza
Storia dei fondamenti delle teorie scientifiche
(principi metodologici, struttura logica, teoremi,
formalismo matematico ecc.)
Storia del progresso del pensiero scientifico
Modelli di evoluzione delle teorie scientifiche

Gli scopi del seminario
Decostruire gli stereotipi legati all’immagini della scienza
Tentare di rispondere a domande del tipo:
Come nasce la scienza? Da quale esigenza?
Cosa è una teoria scientifica?
Cosa è una verità scientifica?
Esistono criteri assoluti per stabilire “ciò che è vero”?
Cosa caratterizza la scienza rispetto ad altre discipline?
Le teorie scientifiche evolvono nel tempo? Esistono modelli che
descrivono queste dinamiche?
Raccontare alcuni casi storici esemplari

Stereotipi sulla scienza
La scienza come un sapere unico, granitico e inconfutabile
La scienza come un corpus di discipline che hanno uno sviluppo lineare nel
tempo
La scienza e il progresso scientifico isolato dai processi storici, culturali e
sociali
La scienza come fonte di catastrofi (il mito del Golem, Frankenstein, gli OGM
ecc)
La scienza come panacea di tutti i mali (energia nucleare ecc)
Stereotipi sulla figura
dello scienziato
Lo scienziato come un genio che vive in una torre
d’avorio
Un creativo slegato dalla realtà
Un uomo al di sopra delle parti

Cosa caratterizza le
teorie scientifiche?
Il metodo (metodo sperimentale e nascita della scienza moderna
con Galileo nel Rinascimento)
Le verifiche sperimentali (riproducibilità) e le capacità predittive
La struttura logico matematica (neopositivismo logico)
L’espressione di un modello teorico

Esistono criteri per
definire quando una
legge o un modello
scientifico è vero?
Quando è espressione di deduzioni logiche a partire da
assiomi
(es. la geometria euclidea)
Quando è verificata sperimentalmente
Se verifica il principio di relatività (criterio di veridicità
intenso come universalità delle leggi fisiche all’intero di
una classe di sistemi di riferimento)
Ma non basta…

Limiti dei criteri di
verità precedenti
Teorema di incompletezza di Kurt Gödel (1931)
Ogni sistema assiomatico consistente in grado di descrivere
l’aritmetica dei numeri interi è dotato di proposizioni che non possono
essere né dimostrate né confutate in base agli assiomi di partenza
Esperimento come linea di demarcazione tra
teorie in competizione e per stabilire la veridicità di
una legge fisica piuttosto che di un’altra.
(contro esempi: un tramonto visto da un aristotelico e un
copernicano, chi ha ragione? Oppure l’Esperimento di Michelson e
Morley alla fine dell’Ottocento)
L’interpretazione dei dati sperimentali, l’ideazione
di un esperimento e dell’apparato strumentale
dipendono dalla realtà fisica che si vuole indagare
all’interno di un paradigma scientifico preesistente.

Il Principio di
relatività
(da Galileo a Einstein)
L’invarianza delle leggi fisiche rispetto a una classe di
sistemi di riferimento assegnati da una legge di
trasformazione
Richiedere che le leggi fisiche di una teoria rispettino
un principio di relatività è un criterio minimo di veridicità
ma sempre all’interno di una certa classe di sistemi di
riferimento

Cosa caratterizza la scienza
moderna?
Il
Il
pensiero
concetto di infinito
degli
(Koyré)
storici e dei
filosofi della scienza
L’economia del pensiero (Mach)
Il principio di relatività (da Galileo a Einstein)
Il deduttivismo logico (Circolo di Vienna)
La falsificabilità (Popper)
L’alternarsi di paradigmi incommensurabili (Kuhn)
L’anarchia metodologica (Feyerabend)
Il susseguirsi di programmi di ricerca alternativi
(Lakatos)

Ernst Mach (1838-1916)
e l’economia del
pensiero
La meccanica nel suo sviluppo storico
critico (1908)
Concetti:
Critica alla meccanica newtoniana (spazio e tempo
assoluti)
La scienza come espressione di un principio di economia
del pensiero

Alexandre Koyrè (1892-
1964)
e la geometrizzazione
dello spazio
Studi Galileiani (1939)
Dal mondo chiuso all’Universo Infinito (1957)
Concetti:
Introduzione di uno spazio astratto e
geometrico nella fisica
La matematizzazione della fisica
Il concetto di infinito
Note: dal film di John Huston “Frued, passioni
segrete” del 1962….

Karl Popper (1902-
1994) e il
falsificazionismo
Fallimento del verificazionismo
Il filosofo Karl Popper (prima metà del Novecento) si pone
il problema contrario e cioè: quando è che una teoria è
falsificabile?
Per quanto numerose possono essere le osservazioni
sperimentali a favore di una teoria non possono mai provarla
definitivamente e basta anche una sola smentita sperimentale
per confutarla. La falsificabilità è anche il criterio di
demarcazione tra scienza e non scienza: una teoria è
scientifica se e solo se essa è falsificabile

Modelli di evoluzione di
teorie scientifiche
I Paradigmi di Thomas S. Kuhn (1922-1996)
(Struttura delle Rivoluzioni Scientifiche, 1962)
Il concetto di paradigma

Il concetto di paradigma
Nel linguaggio comune un paradigma è un modello di
riferimento, un termine di paragone.
La parola deriva dal greco antico paràdeigma che
significa esemplare, esempio.
In filosofia della scienza un paradigma è la matrice
culturale di una comunità scientifica. In questa matrice
si cristallizza una visione globale (e globalmente
condivisa) del mondo e più specificatamente, del
mondo in cui opera e del mondo su cui indaga la
comunità di scienziati di una determinata disciplina in
un certo periodo storico.

Il modello di Kuhn
Periodo di normalità
Anomalie
Rivoluzione scientifica
Cambiamento di paradigma
Incommensurabilità tra il nuovo
paradigma e il precedente
Periodo di normalità

Salto gestaltico della
percezione
Psicologia della Gestalt
Passaggio da un paradigma al successivo
Note: dal film “2001 Odissea nello spazio” di Stanley Kubrick (1968)…

Cosa caratterizza la
scienza contemporanea?
Science
La Big

Nascita della Big Sience
Progetto Manhattan (Seconda Guerra
Mondiale)
Manhattan Engineer District (MED) è il nome in
codice del progetto che portò gli Stati Uniti
alla costruzione della bomba atomica. Un
programma scientifico e organizzativo di
impressionante complessità che partì
ufficialmente nel 1942 e che vide coinvolti più
di un migliaio di grandi scienziati provenienti
da tutto il mondo. Si raccolsero a Los Alamos con
le proprie famiglie. Qui fu creata una vera e
propria cittadina segreta (le persone coinvolte
crebbero nel giro di pochi anni fino a circa
seimila unità). La gestione militare fu affidata
al generale Leslie Groves, mentre la direzione
della parte scientifica del progetto fu gestita

Effetti del Progetto
Manhattan
Il dibattito etico coinvolgerà esplicitamente il mondo
della scienza
Per la prima volta la scienza “conosce il peccato”; la comunità di
fisici partecipa in maniera esplicita, massiccia e mirata alla
costruzione di un’arma nucleare.
Anche durante la prima guerra mondiale lo sviluppo della chimica
aveva portato alla creazione di armi chimiche (gas tossici)
Ha effetti sulla ricerca e lo sviluppo della scienza in generale:
nasce la Big Science (cioè la scienza che conosciamo oggi)
Nasce un nuovo modo globalizzato di fare scienza: grandi
investimenti finanziari (acceleratori di particelle, gruppi di ricerca
numerosi in tutto il mondo che scambiano informazioni sui risultati
scientifici)

Old Physics vs new
Physics
(Pickering in Constructing Quarks, 1984)
Cambiamento radicale tra la fine
degli anni Sessanta e gli anni
Settanta
Fino agli anni Sessanta si cercavano modelli e teorie
per interpretare i dati sperimentali
Dopo avviene perfettamente il contrario, cioè si
testano sperimentalmente modelli teorici sviluppati a
priori (modello a quark)

Un caso storico
esemplare
Il problema delle Interazioni forti
negli Anni Sessanta
Modello a Quark vs
Teoria Esempio di teorie della e approcci in competizione matrice S
Approccio riduzionista/particelle elementari/dinamica
nello spazio tempo
Approccio olistico/relazioni/simmetrie e leggi di
conservazione

Cosa sono le interazioni forti?
Rappresentano una delle quattro forze
fondamentali esistenti in natura: sono le forze
che tengono insieme il nucleo atomico e si
sviluppano tra protoni e neutroni, e in generale
tra tutti gli adroni
Che caratteristiche hanno?
Aumentano al crescere della distanza tra le
particelle (come una forza elastica) al contrario
dell’interazione gravitazionale e di quella
elettromagnetica che decrescono all’aumentare
delle distanze
Quale era il problema fino agli anni
Sessanta?
Non vi era un modello coerente per descriverle

Teoria dei campi e
metodi perturbativi
La teoria dei campi nata nella prima metà del Novecento è una
evoluzione della meccanica quantistica. Consentiva di estendere il
concetto di quantizzazione non solo alla materia ma anche ai campi
di forze (interazioni) studiandone la dinamica
La teoria dei campi si serviva per descrivere le interazioni del metodo
perturbativo, cioè si immaginava di scomporre l’interazioni in contributi
via via più complessi, e quindi di descrivere l’interazione per successive
approssimazioni (somma di potenze), nella speranza che la somma di
tutti questi contributi fosse finita (es. matematico: la somma di una
serie)
Ciò era fattibile solo se i contributi sommati via via diventavano
quantitativamente di valore sempre minore. Per le interazioni forti ciò
era inizialmente inconcepibile (perché la costante di accoppiamento era
maggiore di 1).

Nascono approcci
alternativi
Teoria della matrice S
(Concetto di bootstrap, Democrazia nucleare)
L’idea forse più intuitiva è immaginare questa matrice come una grossa
scatola nera che abbia più ingressi (canali di ingresso) e più uscite (canali
di uscita). Ciò che questa scatola contiene, ovvero la natura
dell’interazione nel suo dettaglio, è oscuro. Quello che è invece possibile
conoscere e misurare è solo ciò che esiste prima di un definito processo e
dopo (stati asintotici).

Il nuovo approccio
A differenza della teoria dei campi, in questo nuovo approccio
non si descrivono i fenomeni a partire dalla particolare “forma”
delle interazioni (i potenziali), ma si cerca fenomenologicamente
di ottenere informazioni sui processi facendo uso di un numero
minimo di principi fondamentali.
Principio di relatività
Principio di causalità
Conservazione della probabilità
Esempio nel caso della meccanica classica: descrizione della
dinamica attraverso il principio di conservazione dell’energia oppure
attraverso le leggi orarie, sono due approcci alternativi e
complementari.

Il nuovo approccio
“Il mondo della fisica moderna è stato ora diviso non in diversi gruppi di
oggetti ma in diversi gruppi di connessioni. Ciò che può essere distinto è il
tipo di connessione. Il mondo appare così come un complicato tessuto di
eventi, in cui rapporti di diversi tipi si alternano, si sovrappongono o si
combinano, determinando in tal modo la struttura del tutto”.
Sono le parole con cui Heisenberg, in Physics and Philosophy del 1958,
sintetizza lo status epistemologico della fisica moderna. I concetti
emergenti del programma di Chew, quelli di bootstrap e di democrazia
nucleare, si collocano all’interno di questo nuovo schema metodologico.
Nel mondo adronico modellizzato dal fisico di Berkeley non esistono entità
più elementari di altre (democrazia nucleare). In realtà tutte le particelle
sono interpretate come strutture dinamiche; non intese più come una
sistemazione definita di parti costituenti, ma piuttosto costruite grazie a tutti
gli insiemi di particelle che possono interagire in una rete autoconsistente
di reazioni (bootstrap). Dunque un adrone è un processo (evento) e non un
oggetto.

Fallimento del nuovo
approccio
Difficoltà matematiche
Nascita del modello a quark e della cromodinamica quantistica
(rinascita della teoria dei campi)
In realtà la Teoria della matrice S genererà i concetti alla base
di moderne teorie come la teoria delle stringhe (oggetti ancora
più elementari dei quark).
Inoltre il suo abbandono non fu dettato da puri risultati sperimentali.
Il suo approccio resterebbe ancora valido se si volessero indagare
fenomeni nucleari alle scale di energia degli adroni.
Il modello a quark pur risolvendo una serie di problematiche teoriche rimane
comunque una teoria utile soprattutto a descrivere il mondo microscopico
all’interno di certi intervalli di energia.

Non esistono ancora
teorie del tutto
Il caso raccontato mostra che non esistono teorie che funzionano bene
in assoluto e sempre
Dipende che livello di realtà andiamo a indagare
Il modello a quark ci informa che esiste un livello di realtà più elementare,
rispetto a quello dei neutroni e dei protoni, ma non esclude la validità di teorie
che indagano direttamente la fisica a scale di grandezza superiore
Ciò è vero in generale, per esempio altre discipline come la psicologia o la
biologia o la chimica, con i loro strumenti di indagine indagano livelli di realtà che
in ogni caso non sarebbero recuperabili da un approccio riduzionista, che riduce
tutto a particelle elementari.
Capire per esempio come funziona un neurone non significa avere una teoria del
comportamento. Il passo da fare è grande!

Conclusioni
Spesso la scelta tra teorie in competizione, tra programmi di ricerca
alternativi, tra paradigmi incommensurabili è determinata da fattori
(storici, culturali e anche politici) che indirizzano la ricerca in certe
direzioni piuttosto che in altre.
Rimane essenziale avere una visione critica e non piatta del progresso
scientifico. Una corretta storia della scienza e una efficace filosofia della
scienza probabilmente forniscono degli strumenti per acquisire una tale
dimensione intellettuale.
Dovremmo essere nani
sulle spalle dei
giganti…