È solo una teoria...

Parlando tra noi usiamo la parola “teoria” per indicare un’idea, un punto di vista riguardo qualcosa, una congettura, un’opinione: «Ho una mia teoria su questa faccenda»... Spesso la usiamo per specificare qualcosa di cervellotico, quasi inutile, che si contrappone alla pratica: «In teoria dovrebbe funzionare, ma in pratica...»

Quando si sente parlare di questioni scientifiche ostiche o contro-intuitive come la Teoria della Relatività o magari quando la teoria evoluzionistica di Darwin fa a pugni con le convinzioni religiose più radicate, qualcuno si sente autorizzato a dire che, in fondo “è solo una teoria”...

Quest’affermazione, riferita a una teoria scientifica, è una delle cose più stupide che si possano dire. Vediamo di capire perché.
Prendiamo come esempio la gravità. È un concetto talmente basilare, un fenomeno così evidente da essere scritto nella nostra carne prima ancora che nella nostra mente. Il nostro corpo, le ossa, i muscoli, vene e arterie sono stati plasmati dall’evoluzione per contrastare (o sfruttare) la gravità.

Aristotele, nel IV secolo a.C, aveva ipotizzato che tutto fosse composto da quattro elementi: acqua, fuoco, terra e aria. Secondo la sua concezione, un oggetto tende naturalmente a muoversi verso l’elemento più affine alla propria composizione. La terra sta in basso, sopra c'è l'acqua, sopra ancora l'aria e infine il fuoco. Una pietra, composta prevalentemente dell'elemento terra, cade verso il suolo; il fumo, una miscela di acqua e fuoco, sale viceversa verso il cielo. Un pezzo di legno - mistura di terra, acqua e aria - sale in acqua e cade in aria. L'oggetto pesante cade più velocemente di quello leggero. Inoltre, secondo Aristotele, i corpi si muovono solo se sottoposti a una spinta, altrimenti si fermano. Un oggetto cade a velocità costante perché costante è la forza con cui è spinto verso l'elemento simile.

Questa visione molto suggestiva e di fatto realistica - a causa della resistenza dell'aria effettivamente le cose cadono a velocità costante (almeno dopo un po') e quelle pesanti cadono più velocemente di quelle leggere - che cerca di spiegare perché gli oggetti cadono, ci dice però ben poco di come effettivamente lo facciano. Non permette cioè di fare previsioni tranne quella tanto ovvia quanto inutile che un sasso, lasciato andare, cade verso il basso più velocemente di una piuma.

Dopo 2000 anni arriva Galileo. Con un esperimento - così racconta la leggenda - dimostra che Aristotele aveva torto: corpi di peso differente lasciati cadere dalla stessa altezza cadono alla stessa velocità e toccano il suolo nello stesso istante, a meno che non intervenga la resistenza dell’aria.

In realtà l'esperimento dei pesi lasciati cadere dalla Torre di Pisa probabilmente non è mai avvenuto. Galileo ebbe però un'intuizione ancor più straordinaria (anzi, rivoluzionaria!). Studiò la gravità facendo rotolare delle sfere lungo un piano inclinato, capendo che ciò equivale a rallentare la caduta. In realtà l'esperimento dei pesi lasciati cadere dalla Torre di Pisa probabilmente non è mai avvenuto. Così facendo notò che la velocità di un corpo che cade non è costante, ma aumenta secondo una legge precisa. La posizione y dopo un tempo t è determinata dall’equazione y = g t², dove g una costante che dipende dalle unità di misura scelte. Finché è possibile trascurare la velocità dell'aria si vede che un oggetto lasciato libero di cadere aumenta costantemente la propria velocità di poco meno di 10 metri al secondo ogni secondo (se si ragiona in metri e secondi). Scopre inoltre quel fatto fondamentale che è il principio di inerzia: un corpo permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che non intervengano forze esterne a modificare questo stato (anche qui, smentendo Aristotele).

Il piano inclinato di Galileo

Galileo non spiega perché un corpo cade ma descrive come ciò avviene. Lo fa usando una formula matematica che può essere verificata e applicata da chiunque. Offre cioè un modello di come un corpo cade. Con questo modello possiamo stimare la gittata massima di un cannone, la traiettoria di un oggetto lanciato con una certa velocità e in una certa direzione (quella che si dice una traiettoria balistica), il tempo che impiega per toccare terra o magari quanto è alta una rupe (lasciando cadere un peso e misurando il tempo che impiega prima di arrivare al suolo), ecc. La teoria di Galileo consente di fare calcoli, previsioni, ricostruzioni, analisi, progetti: è cioè scientifica e costituisce un passo avanti enorme rispetto Aristotele.

Come mettere in orbita una palla di cannone

Poco dopo Galileo arriva Newton. La sua legge della gravitazione universale e i tre principi della dinamica determinano in modo completo la meccanica così come la conosciamo oggi: con le leggi di Newton possiamo determinare come avviene qualunque moto, mandare uomini sulla Luna e sonde a zonzo per il sistema solare e anche oltre. Tra le altre cose, si scopre che l’accelerazione che Galileo supponeva costante in realtà dipende dalla distanza del corpo dal centro della Terra.

Possiamo dire con questo che Newton spazza via la legge scoperta da Galileo? No, nel modo più assoluto. Il modello proposto da Newton è molto più completo e permette di spiegare un'infinità di fenomeni, ma i calcoli fatti con la formula di Galileo restano evidentemente validi sulla superficie terrestre, una volta fissato il valore di g per una certa località. Se eravamo in grado di calcolare una traiettoria balistica prima di Newton lo siamo anche dopo Newton. È un’approssimazione, ma comunque valida e utile in tutti i casi in cui è stata sempre utilizzata.

La Teoria della Gravitazione Universale di Newton sembra definitiva. È un modello talmente preciso e completo che ha consentito addirittura la scoperta di nuovi pianeti (Nettuno). Tuttavia, studiando l’orbita di Mercurio, ci si accorge che c’è qualcosa che non va. Le discrepanze vengono attribuite a un pianeta non ancora scoperto che però non ne vuol sapere di farsi trovare.

Uno smile cosmico… Le tracce luminose che
formano il viso e la bocca sono delle galassie
lontane la cui luce è deformata da una lente
gravitazionale, una grande massa di materia
presente tra noi e loro. Questo effetto è previsto
dalla Relatività Generale di Einstein ma non
dalla teoria di Newton.

Nel 1919 Albert Einstein spiega l'anomalia dell’orbita di Mercurio (e un sacco di altre cose) con la Teoria della Relatività Generale, che descrive gli effetti della gravità anche nelle condizioni estreme dove la Gravitazione Universale di Newton sbaglia.

Possiamo dire che Einstein spazza via la legge scoperta da Newton? La risposta è ancora un deciso no. Siamo arrivati sulla Luna con quella legge che continua a funzionare perfettamente in condizioni non estreme di densità o di velocità. Si tratta di nuovo di un’approssimazione che resta comunque valida e utile in tutti i casi in cui è stata sempre utilizzata.

Una teoria scientifica fornisce un modello di uno o più fenomeni naturali e ne rappresenta la miglior spiegazione disponibile in un determinato momento. Può venir superata da una teoria più precisa che propone un modello migliore o più generale, ma continua a essere perfettamente utilizzabile nell’ambito in cui è stata concepita.

Ecco perché una teoria scientifica... non è “solo una teoria”!

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Vedi anche:

• Teoria ed evidenza sperimentale (su questo blog)
• What is a Scientific Theory? (LiveScience)