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Ruolo degli esperimenti mentali nelle scienze

La nozione di esperimento mentale è relativamente recente, essendo stata coniata poco più di un secolo fa.  Il concetto di esperimento concettuale è stato introdotto da Albert Einstein, che se ne servì per illustrare la sua teoria della relatività; ma anche alcuni paradossi classici, come quello di Achille e la tartaruga, si possono considerare esperimenti mentali.

Anche alcuni ragionamenti di Galileo Galilei rientrano sotto questa categoria. Altri esperimenti mentali famosi sono quelli del Gatto di Schrodinger e il Paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen.

esperimento mentale

Il carattere puramente mentale dell’esperimento permette di considerare situazioni non realizzabili nella pratica (ad esempio, oggetti macroscopici che si muovono a velocità relativistiche) e consente di esaminare l’esperimento in forma molto semplificata, tralasciando gli aspetti non pertinenti.

Lo scopo di questo esercizio è mettere sotto esame una teoria fisica esaminandone le previsioni, e in particolare mettendone in luce le conseguenze sorprendenti o paradossali.

Tuttavia, gli esperimenti mentali o “ideali” hanno rivestito un ruolo cruciale fin dal Seicento, epoca in cui si afferma un nuova concezione di scienza rispetto ai secoli precedenti. Certo è che a partire da Galileo, Newton, Leibniz, Locke e altri pensatori si afferma una nuova metodologia scientifica che non rinuncia alle idealizzazioni e che fa degli esperimenti mentali uno dei veicoli per rifondare su basi solide e realistiche la concezione del mondo e il metodo per arrivare a una conoscenza oggettiva della realtà naturale, applicandosi al mondo fisico e a quello mentale.

Famosi esperimenti mentali appaiono oggi meno bizzarri di quando sono stati formulati, alcuni sono diventati giochi di logica, altri ancora sono diventati veri e propri punti di rottura nel pensiero scientifico e qualche volta hanno costretto a ripensare le leggi che descrivono la natura.

Tra questi, un esempio tipico è il Diavoletto di Maxwell, che ha finito per suggerire la natura fondamentale (anziché statistica) del secondo principio della termodinamica, che riguarda il carattere di irreversibilità di molti eventi termodinamici, come il passaggio di calore da un corpo caldo a uno freddo.

Qual è un esperimento mentale interessante?

Il Principio di equivalenza: Immaginiamo che Einstein si trovi sulla terra in un ascensore (senza possibilità di vedere all’esterno e capire dove si trovi). Fintanto che questo ascensore sta fermo la gravità terrestre farà rimanere Einstein attaccato al terreno.

Se improvvisamente l’ascensore cadesse, tutto ciò che è al suo interno cadrebbe con lui alla stessa velocità e con la stessa accelerazione; Albert comincerebbe quindi a fluttuare nell’ascensore in caduta, non percependo più la forza di gravità.

Al contrario se l’ascensore si ritrovasse nello spazio in assenza di gravità ed incominciasse ad accelerare verso l’alto con un accelerazione pari, in modulo, a quella gravitazionale terrestre, allora Albert percepirebbe come una forza che lo schiaccia verso il basso (l’equivalente della sua forza peso), ovvero lo stesso effetto della gravità.

ascensore di Einstein
L’ascensore di Einstein: nel primo caso l’ascensore è in quiete sulla Terra; nel secondo subisce un’accelerazione verso l’alto.

Grazie a questo esperimento mentale Einstein capì che la forza di gravità e l’accelerazione sono equivalenti, ponendo le basi per quella che diventerà la sua più bella teoria.

Gravi in caduta libera dalla torre di Pisa: Lo scienziato pisano (1564-1642) non ha mai davvero fatto l’esperimento di gettare i due pesi (i gravi) dalla Torre di Pisa, come invece narra la leggenda. Ha però elaborato un semplice, sorprendente esperimento mentale che ci ha svelato qualcosa di molto significativo sulla gravità.

Il sintesi, la questione è la seguente: prendete due pesi, uno leggero e uno più pesante. Se gli oggetti più pesanti – si è detto Galileo – cadono più velocemente di quelli leggeri, come affermava Aristotele, il peso più leggero rimarrà indietro. Ciò implica che quando i due sono legati insieme, cadranno più lentamente rispetto al solo grave di peso maggiore. Tuttavia insieme pesano più di quello pesante, per cui dovrebbero cadere più velocemente.

Allora… l’insieme è più veloce o più lento?

Come Galileo capirà, l’accelerazione di gravità non dipende dalla massa di un oggetto e questo è stato un risultato fondamentale per la fisica e per le idee di moto e di gravitazione universale di Isaac Newton.

esperimento mentale
Oggi sappiamo che l’attrito dell’aria modifica la velocità di caduta dei corpi, a seconda della loro forma e del loro peso. In effetti Galileo non ha modo di verificare direttamente la sua ipotesi perché non può realizzare una situazione in cui l’attrito dell’aria sia trascurabile.

In quel pensiero c’è persino il germoglio della teoria della gravità di Einstein: la teoria generale della relatività è radicata nel principio di equivalenza, ossia nell’idea che la gravità e l’accelerazione sono essenzialmente la stessa cosa. Come Galileo aveva intuito in quel lontano e oscuro XVII Secolo.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Marco Buzzoni, Esperimento ed esperimento mentale, Franco Angeli, 2004 ISBN 978-88-464-5868-1
  2. Karl Popper, Logica della scoperta scientifica [1934], Einaudi, Torino, 1970.
  3. Albrecht Behmel Was sind Gedankenexperimente? Stuttgart 2001, ISBN 3-89821-109-6

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