Fisica per tutti

6 minuti di letturaL’esperimento più bello di sempre: la piuma e il martello di Galileo

Immaginate di inventarvi una teoria secondo cui dentro le zucche ci sono delle reazioni chimiche in grado di produrre banconote da cento euro. Per quanto bizzarra, un’ipotesi teorica del genere può essere verificata scientificamente? Sì, prendiamo una zucca qualsiasi, la spacchiamo in quattro e ci guardiamo dentro.

Nella zucca c’è la banconota da cento euro? Purtroppo no, allora la nostra teoria è sbagliata. Magari abbiamo preso una zucca sbagliata? Magari dobbiamo cambiare terreno?

Alt, fermi tutti. Stiamo facendo un errore molto grosso.

Non stiamo davvero facendo scienza. Infatti, nell’esempio della zucca siamo partiti prima da una nostra teoria e poi abbiamo verificato con un esperimento; e dopo aver scoperto che la nostra teoria era sbagliata, ci è venuta la tentazione di cambiare teoria, vero?

Con la zucca, siamo partiti dalla teoria per arrivare all’osservazione. Ecco, la scienza, quella fatta bene, funziona al contrario: il metodo scientifico parte dall’osservazione e poi arriva alla verifica di una teoria.

Il metodo scientifico funziona così:
(1) osserviamo un fenomeno;
(2) formuliamo una teoria in grado di spiegare ciò che abbiamo osservato;
(3) verifichiamo con degli esperimenti se la teoria è sbagliata.

Tre semplici passaggi logici. Il terzo passaggio è quello fondamentale: tutte le idee che abbiamo in testa devono, a un certo punto, essere verificate. Altrimenti restano solo idee, speculazioni non dimostrate.
Attenzione però: possiamo solo verificare se la teoria è sbagliata. Voglio dire, se facciamo un esperimento è ciò che otteniamo non torna con la nostra teoria, allora sicuramente la teoria è sbagliata e dovremo tornare di nuovo al punto (2) del metodo scientifico e formulare una nuova teoria.

Se invece il nostro esperimento è in accordo con la teoria (entro gli errori di misura che facciamo, sempre presenti), allora possiamo solo dire che la teoria potrebbe essere giusta. Per esserne sicuri dovremmo fare un numero infinito di esperimenti simili e controllare che ogni volta la teoria ci dia il risultato aspettato. Siccome non è possibile fare un numero infinito di esperimenti, allora dobbiamo accettare il fatto che il metodo scientifico possiamo solo dire che una teoria non si può scartare o, se volete, che è provvisoriamente accettabile.

Questo status provvisorio vale per tutte le teorie, anche per la teoria della relatività: se un giorno (più di) un esperimento dovesse contraddire palesemente la relatività, allora toccherà cercare una nuova teoria o comunque toccherà modificare la teoria di Einstein. Non c’è nulla di certo nella scienza.
L’unica certezza che abbiamo è il dubbio perenne.

Torniamo ora al nostro esempio delle zucche e usiamo il metodo scientifico stavolta come si deve: quindi prima apriamo una zucca e vediamo che cosa c’è dentro. Niente, purtroppo neanche una banconota.

Il metodo scientifico è una procedura con cui possiamo fare scienza: si parte dall’osservazione e si arriva alla teoria. Se volete, questo è il modo più chiaro possibile per distinguere l’attività scientifica vera da quella pseudo-scientifica, la quale invece parte dalla teoria e poi osserva.
L’idea che sta dietro al metodo scientifico è tanto semplice quanto rivoluzionaria.

Ma andiamo avanti.

Supponiamo di aver osservato un fenomeno, per esempio il fatto che se ho una penna in mano a una certa altezza dal pavimento, quando apro la mano la penna cade. Osservo dunque una penna che cade: perché cade?

Usiamo il metodo scientifico: dopo l’osservazione devo formulare una teoria.

Intorno al 350 a.C. filosofo greco Aristotele provò a spiegare la caduta dei corpi. La teoria di Aristotele fu questa: tutti i corpi sono fatti di uno degli elementi principali (terra, acqua, aria, fuoco). Quelli fatti di materiale di terra tendono ad andare dove c’è tanta terra. Cioè, appunto, per terra. Ecco perché, secondo Aristotele, se scocco una freccia verso l’alto essa poi torna giù: torna verso la terra, verso la zona dove c’è gran parte della sostanza di cui è fatta. Il fumo invece, fatto di aria, tende a salire in alto, dove c’è tanta aria. Semplice e lineare.
Ma non solo: secondo Aristotele, poi, se abbiamo due corpi fatti di terra, quello più grosso e massiccio cade più velocemente per terra rispetto all’altro, cioè arriva prima a terra.

Queste teorie di Aristotele hanno resistito anni prima di essere scalfite, sono rimaste in piedi per più di 1800 anni.

La cosa bizzarra non è che siano rimaste in piedi così a lungo, facile per noi dirlo ora che sappiamo come stanno le cose. Il fatto curioso è che per 1800 tutti si siano fermati ai passi (1) e (2) del metodo scientifico, senza mai azzardarsi a fare il passo (3), cioè verificare le teorie con un esperimento. Per questo motivo Aristotele non può essere definito uno scienziato, perché non applicava il metodo scientifico odierno in modo completo.

Fino al 1638, quando qualcuno capì che era giunto il momento di verificare che le teorie di Aristotele fossero giuste.

Quel qualcuno fu Galileo Galilei.

Galileo Galilei è stato un grande scienziato, forse il primo personaggio storico che possiamo davvero definire scienziato. Questo perché Galileo ha prima osservato e poi formulato teorie (come Aristotele, certo), ma poi non si è fermato e ha verificato le teorie con degli esperimenti.

Aristotele dice da 1800 anni che i corpi più massicci arrivano prima a terra? Beh, verifichiamolo seriamente allora. Prima di tutto, facciamo un esperimento mentale, cioè logico, dice Galilei.

Prendiamo un martello e una piuma e lasciamoli cadere. Il martello è più massiccio della piuma, quindi dovrebbe arrivare prima a terra secondo Aristotele. Però, fa notare Galilei, la caduta avviene nell’aria. Se fossimo invece nel vuoto?

Ora, se Aristotele avesse potuto ascoltare Galileo avrebbe avuto una sincope: secondo il filosofo greco il vuoto non esiste – il celebre horro vacui – secondo Aristotele la natura fa di tutto per non avere situazioni in cui esiste il vuoto.

Galileo non la pensava allo stesso modo e ritiene invece che si debba far cadere due corpi di massa diversa nel vuoto. Secondo Galileo è la presenza dell’aria che rallenta la piuma e fa arrivare il martello per primo a terra. Secondo Galileo, se ripetessimo l’esperimento nel vuoto, piuma e martello arriverebbero insieme.

Del resto, non ci vuole molto a capire che Aristotele avesse torto marcio: se mi lancio da un aereo con il paracadute ci metto più tempo rispetto al caso in cui mi lanciassi senza paracadute. Oltre a non morire, con il paracadute sono evidentemente più massiccio (perché ho un peso in più addosso). Ecco che capiamo subito che la teoria di Aristotele è falsa, non è vero che i corpi con massa maggiore cadono più velocemente. Piuttosto, come dice bene Galileo, è l’aria che determina queste differenze: nel vuoto invece tutti i corpi cadrebbero alla stessa velocità.

L’apertura mentale e l’onestà scientifica di Galileo sono incredibili. Galilei non pensa di avere ragione, piuttosto Galilei pensa che sia il caso di controllare l’effetto dell’aria per quanto riguarda la caduta dei corpi. Ma c’è di più.

Il ragionamento di Aristotele è puramente qualitativo: il filosofo osserva la caduta dei corpi e prova a spiegare ciò che vede.
L’atteggiamento di Galileo è invece quantitativo: lo scienziato pisano osserva, spiega e verifica la teoria con un esperimento, cioè misurando qualcosa (in questo caso i tempi di caduta dei corpi). Questa è la svolta, qui nasce la scienza moderna.

Galileo ha mai fatto cadere due corpi per verificare la sua teoria? La leggenda narra che Galileo abbia fatto cadere delle palle dalla torre di Pisa, ma appunto sembrerebbe essere solo una leggenda. Galileo voleva fare le cose per bene e secondo la sua teoria l’esperimento andava fatto in assenza di aria, ma nel 1638 era un po’ difficile realizzare un simile apparato sperimentale. Però Galileo ebbe un’idea: i corpi che cadono diritti da una certa altezza acquistano una velocità elevata; se però li facciamo rotolare lungo un piano sufficientemente inclinato, i corpi comunque cadano ma si può studiare la caduta in modo più calmo. Genio.

In questo modo Galileo non eliminò l’aria dai suoi esperimenti, ma ne ridusse l’impatto. Così, alla fine dei suoi esperimenti, Galileo formulò la legge di caduta dei gravi, secondo cui tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione. Aristotele si sbagliava e il filosofo lo avrebbe magari pure capito alla sua epoca, se solo avesse usato il metodo scientifico e verificato le sue teorie.

Tuttavia, anche dopo il 1638 e gli studi sperimentali di Galileo, il suo esperimento mentale della piuma e del martello è rimasto impresso nella testa di tutte le generazioni successive di scienziate e scienziati.

Come diceva Carl Sagan, “affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie” e questo è senz’altro vero per la teoria di caduta dei gravi nel vuoto di Galileo.

L’occasione veramente buona per svolgere l’esperimento ci fu il 2 agosto 1971. David Scott, astronauta dell’Apollo 15, durante l’ultimo giorno di missione sulla Luna decide che è giunto il momento di mostrare al mondo intero che Galileo aveva ragione a contraddire Aristotele. In realtà, Scott e i suoi compagni Worden e Irving erano già arrivati dalle parti della Luna grazie ai precedenti tre secoli di metodo scientifico galileiano. Tuttavia quello di Scott fu un omaggio bellissimo allo scienziato pisano.

Beh, com’è andò? Lo potete guardare voi stessi, con i vostri occhi, in questo video qui sotto.

“Mr Galileo was correct in his findings”, ovvero “Galileo aveva ragione” dice felice Scott, che ha appena verificato una teoria del 1638 con l’esperimento più bello di sempre.

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