Concetto di campo

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La legge di gravitazione universale segnò una svolta nella storia della fisica, ma pose anche nuovi problemi.   Un primo problema riguardava, come abbiamo visto, il concetto di massa; un altro problema riguardava il modo in cui si manifestava la forza di attrazione reciproca tra due masse, di cui parlava Newton.
Questo non era solo un problema tecnico, ma anche un problema filosofico: la forza di gravitazione universale era una forza che agiva a distanza, senza che i corpi si toccassero e questa era una cosa del tutto nuova.  L'idea di forza era, infatti, legata alla spinta che un corpo riceveva direttamente dalle mani dell'uomo o da un altro corpo in moto che andava a sbattere contro il primo; l'interazione tra i corpi avveniva sempre per contatto. Tutti sapevano che qualsiasi oggetto vicino alla superficie terrestre cade a terra se non è trattenuto o appoggiato, ma si attribuiva questa proprietà alla Terra, in quanto corpo celeste. L'idea che i corpi celesti fossero attratti dal Sole e potessero attirarsi a vicenda poteva essere accettata, perché la meccanica celeste aveva ancora per molti un pizzico di magia. Molto diverso era accettare che la legge avesse carattere di universalità e riguardasse anche gli oggetti inanimati presenti sulla Terra; che questi potessero esercitare un'azione diretta gli uni sugli altri sembrava piuttosto strano e soprattutto non era chiaro come si potesse spostare un corpo senza neppure toccarlo.

 

Il problema dell'azione a distanza

La legge di gravitazione implica la presenza di almeno due masse che si attirano vicendevolmente, senza toccarsi anche se si trovano a notevole distanza.
Una massa m, avvicinandosi a un'altra massa M, sembra sentire in qualche modo la sua presenza e interagisce con essa; ma come, se l'interazione avviene quando le due masse sono ancora molto lontane e non si toccano? Già Newton si era posto questi interrogativi e poiché la forza gravitazionale agiva anche tra pianeti lontanissimi, non riuscendo a capire come ciò avvenisse ( Hypotheses non fingo) aveva ugualmente ipotizzato "una interazione a distanza istantanea"tra i due corpi.Una simile interazione era piuttosto strana e per spiegarla gli scienziati in un primo tempo pensarono che un mezzo elastico, detto etere, riempisse tutto l'universo. L’etere era invisibile e impalpabile in quanto nessuno lo aveva mai visto e aveva la funzione di intermediario tra i due corpi: la massa m, agiva sull'etere; questo a sua volta trasmetteva l'azione alla massa M2 e viceversa. Nacque cosi la teoria dell'etere, che durò oltre duecento anni, fino all'inizio del XX secolo.
Tuttavia, nel 1800, Faraday cominciò a pensare all'idea di un campo, cioè di una regione dello spazio perturbata dalla presenza di qualcosa come la massa, la carica elettrica o altro e la sua idea fu poi definitivamente confermata da Maxwell alla fine del secolo e da Einstein all'inizio del 1900.  Si dimostrò, infatti, che un effetto fisico, ad esempio la luce, può propagarsi nel vuoto, senza la presenza dell'etere, ma con velocità finita e questa affermazione sta alla base della teoria della relatività ristretta che Einstein formulò nel 1905.

Nasce così, per spiegare l'azione a distanza delle forze, il concetto di campo.

Il caso più comune è quello del campo gravitazionale, ma il concetto di campo ha carattere generale e lo troveremo ogni volta che parleremo di forze che agiscono a distanza, per esempio nel caso delle forze elettriche o delle forze magnetiche. Per definire un campo, possiamo dire che un campo è ciò che influisce in ogni zona di una porzione di spazio in cui sia presente una perturbazione generata da una massa, da una carica elettrica o da qualsiasi altra cosa la cui azione si possa rilevare nello spazio circostante.
Provoca nei vari casi o forze gravitazionali su eventuali altre masse o forze elettriche su altre cariche elettriche o altri tipi di forza negli altri casi; in quella regione di spazio.

 

Ne è un esempio il campo gravitazionale terrestre, di cui noi stessi sentiamo gli effetti, cioè l'accelerazione di gravità che ci spinge verso la Terra.campo terrestreOra il concetto di campo è ancora più generalizzato:e si parla di campo quando è possibile associare a ogni punto dello spazio una grandezza fisica il cui valore è funzione della posizione e del tempo.

Non esistono quindi solo campi di forze, ma anche campi scalari, quando la grandezza di cui si studia la distribuzione nello spazio è una grandezza scalare, come la temperatura (che varia nel tempo e a seconda del luogo) o la pressione.

Un esempio di campo scalare è il campo di pressione rappresentato dalle isobare che uniscono tutti i punti aventi la stessa pressione atmosferica.

  La maggior parte delle forze che s'incontrano nell'esperienza quotidiana sono forze di contatto: si esercita una spinta o una trazione su qualcosa, o un oggetto colpisce un altro oggetto.  Per gli antichi, le forze di contatto erano le uniche forze reali. Che il Sole esercitasse una forza reale sulla Terra sembrava impossibile, perché i due corpi non erano a contatto. Questa opinione persistette fino a tempi relativamente recenti.

MA

Un concetto affatto nuovo sorse quando Newton fondò la teoria della gravitazione universale. Secondo questa teoria, la Terra, la Luna, il Sole e i pianeti esercitano tutti forze gli uni sugli altri senza essere a contatto, o senza essere immersi in un mezzo materiale in cui quelle forze possano propagarsi. Per descrivere l'interazione gravitazionale (e, in seguito, anche le forze elettriche) è stata usata l'espressione «azione a distanza» perché era inconcepibile la propagazione della forza gravitazionale attraverso lo spazio vuoto.

Newton non tentò di spiegare perché la forza gravitazionale agisce attraverso il vuoto. Nel discutere questa notevole proprietà della gravità nei suoi Principia, Newton scrisse: « Hypotheses non fingo » (Non avanzo ipotesi '). Newton cercò solo di interpretare i dati d'osservazione nell'ambito di un contesto matematico coerente e utile. Egli riuscì in questo intento senza dovere oltrepassare il confine fra la fisica e la matematica, cioè senza chiedersi «perché?».

La soluzione più popolare dei dilemma posto dalle forze agenti a distanza fu l'invenzione dell'etere, una delle più famose ipotesi ad hoc della fisica. L'ipotesi dell'etere spiegava solo ciò per la cui spiegazione era stata inventata, e non serviva ad altro. L'etere possedeva una sola proprietà, quella di trasmettere le forze agenti a distanza. Si riteneva che fosse una sorta di gelatina invisibile e senza massa. Se la gelatina viene colpita in un punto, la pressione prodotta induce una deformazione che si trasmette ad altri punti; le particelle materiali presenti nella gelatina sono a contatto e quindi propagano la deformazione. L'etere che fu inventato per spiegare le forze agenti a distanza non era materiale e non erano coinvolte forze di contatto (almeno, nel senso ordinario del termine). Ma ciò non sembrava preoccupare coloro che avevano avanzata questa ipotesi; essi procedettero alla costruzione di elaborate teorie delle tensioni, delle deformazioni e dei vortici all'interno dell'etere. Si riteneva anche che questo stesso etere fosse il mezzo in cui si propagava la luce; perciò, esso era chiamato talvolta etere luminifero.

Il concetto di etere restò in voga fino agli albori del ventesimo secolo, quando fu finalmente tolto di mezzo da Einstein nella sua teoria della relatività. La teoria dell'etere era stata costretta a includere tante ipotesi ad hoc per spiegare tanti fatti che finì per crollare, principalmente sotto il proprio peso. Fu sostituita con il tentativo di interpretazione di tutte le forze agenti a distanza basato sulla teoria dei campi.

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