• Sezione 1: Premessa
• Sezione 2: Scienza e tecnica nella Grecia e Roma Antiche e Medioevo
• Sezione 3: La Rivoluzione del ‘600 e la nascita del pensiero scientifico moderno
• Sezione 4: Scienza Vs Tecnica e Tecnologia: uno straordinario, eccezionale e continuo feedback.

Scienza e tecnica nella Grecia e Roma Antiche e Medioevo

Prima di iniziare questa sezione, riprendo il discorso della precedente Premessa – per il suo completamento. Riprendendo quindi dal sofista Protagora, il quale per primo affermò che su tutte le cose ci sono due ragionamenti l’uno opposto all’altro (peri pantòn tòn Krématon dùo lògous einai antikeiménous allelous). Al posto di ragionamenti si possono usare le accezioni punti di vista, concezioni, teorie o anche ipotesi; anche se il dantesco maestro di color che sanno considera la sofistica una sapienza apparente, che in realtà non è, mostrerò come questa precedente affermazione ha trovato riscontro nello sviluppo della scienza fisica. Già nei presocratici c’è un bell’esempio: Eraclito di Samo (circa 520 ÷ 460 a.C. ) già soprannominato dalla tradizione l’oscuro afferma che tutto cambia (il famoso panta réi), che in sostanza esprime il perpetuo divenire di tutte le cose; mentre Parmenide di Elea ( vissuto fra il 530 e il 440 a.C.) afferma che nulla cambia (qualche storico o filosofo della scienza ci vede una anticipazione dei concetti scientifici moderni di conservazione della materia e dell’energia). Peccato che delle loro opere (Sulla natura – solito titolo! – e Intorno alla natura) ci siano rimasti solo frammenti (140 per Eraclito; un lungo frammento della prima parte e altri scarsi frammenti per Parmenide). Si possono ritenere entrambe vere anche se opposte? Si può rispondere con un si: come ci dice la fisica moderna, rilevano due aspetti, contraddittori – o meglio complementari, come vedremo subito – ma reali, della realtà del mondo fisico. Si pensi alla teoria corpuscolare della luce, da parte di Newton; ed alla teoria ondulatoria della luce, da parte di Christiaan Huygens ( l’Aia, 1629 ÷ 1695). In tempi più recenti quella di Einstein sui quanti di luce o fotoni (ognuno di energia E= h•ν , dove h è la costante di Planck uguale a 6,6626 • 10 ^-34 joule secondo e ν la frequenza), e la luce come onda elettromagnetica di James Clerk Maxwell (Edinburgo 1831 – Cambridge – dove nel 1871 divenne primo titolare della cattedra Cavendish di fisica sperimentale e dal 1874 anche direttore del laboratorio Cavendish; 1879).

La teoria di Einstein spiega bene l’effetto fotoelettrico (emissioni di elettroni da parte di alcuni metalli, se colpiti da luce di una certa frequenza o lunghezza d’onda
λ = c / ν dove c è la velocità della luce, il cui valore moderno è di 299.792 km/s); ma non può spiegare i fenomeni di interferenza e di diffrazione, spiegati invece bene dalla teoria ondulatoria. Tanto che il grande fisico Niels Bohr (uno dei formulatori della meccanica quantistica (Copenaghen 1885 ÷ 1962) dovette concettualizzare il principio di complementarità: gli aspetti ondulatori o corpuscolari della luce – e in accordo con Louis de Broglie, della materia a livello quantistico – sono complementari ma reciprocamente esclusivi; per esempio un esperimento può essere progettato per rilevare o le proprietà ondulatorie della luce o la sua natura corpuscolare, ma non entrambe le cose allo stesso tempo.

Continuando con gli aspetti contraddittori, lo spazio e il tempo assoluti di Newton contro lo spazio-tempo relativo di Einstein. La visione della realtà fisica- anche di quella quantistica – indipendente da osservatore o esperimento, secondo la concezione di Einstein contro l’interpretazione di Copenaghen secondo cui nella meccanica quantistica, non esiste una realtà quantistica al di là di ciò che viene rilevato da un atto di misurazione o di osservazione.

Istruttivo a tale scopo l’esperimento mentale (il così detto gatto di Schrodinger) escogitato dal fisico, anch’egli fra coloro che parteciparono attivamente agli sviluppi della fisica atomica e quantistica (Vienna 1887÷1961): secondo le leggi della meccanica quantistica, un gatto, finché non viene osservato, esiste in una sovrapposizione di stati di gatto vivo e gatto morto!

Solo l’osservatore può decidere : o vivo, o morto!

Questo esperimento è in risposta ad analogo escogitato da parte del realista Einstein, contro l’interpretazione di Copenaghen a proposito della meccanica quantistica (corrispondenza di Einstein-Schrödinger dell’agosto 1935). Per Schrödinger la situazione che il gatto si trovi in uno stato paradossale – né vivo né morto, al contempo vivo e morto – è impossibile. Che sia possibile per la fisica quantistica prova se non la sua falsità, l’incoerenza con la realtà fisica ( per cui il gatto non può essere allo stesso tempo vivo e morto): ne consegue che l’interpretazione di Copenaghen è errata. Questo assillerà i fisici quantistici per molto tempo: le equazioni della quantistica implicano una presenza universale di stati sovrapposti; mentre queste sovrapposizioni non si vedono a livello macroscopico. La questione è stata risolta nel 1990 con la così detta teoria della decoerenza. Tale teoria spiega come, per via della loro interazione con l’ambiente, gli oggetti macroscopici ci sembrino avere un comportamento conforme alle leggi della fisica classica; mentre i loro costituenti microfisici, atomi e altre particelle, avrebbero un comportamento quantistico! La teoria risolve il paradosso: il gatto è un sistema di taglia macroscopica! Per Schrödinger una particella è il risultato di un pacchetto d’onde e non esistono salti quantici, ma solo transizioni continue; vale inoltre il principio di casualità e il determinismo.

Davo per scontata la conoscenza dell’esperimento mentale, ma penso sia più corretto esporre il marchingegno mentale. Il gatto è chiuso in una scatola ed è presente un dispositivo in grado di individuare l’emissione di una particella che un atomo radioattivo emette quando si disgrega. Insieme al gatto, all’interno della scatola chiusa c’è l’altro dispositivo progettato in modo che, se si produce l’emissione della particella proveniente dalla disgregazione, un martello rompe una fiala che contiene un gas mortale, e immediatamente il gatto muore. Il vettore di stato del sistema completo [scatola + gatto + martello + fiala] è la sovrapposizione dello stato atomo disgregato – martello abbassato – fiala rotta – gatto morto e dello stato atomo non disintegrato – martello alzato – fiala intatta – gatto vivo. Il gatto si troverebbe dunque in uno stato incerto, paradossale: né vivo né morto, al contempo vivo e morto! (da Etienne Klein sette volte la rivoluzione – sottotitolo I grandi della fisica contemporanea)

Vorrei terminare con un altro esempio, esulante però complementare dal campo della scienza; rientrando invece in quello della filosofia e teologia e della letteratura (E quindi non può obbedire al principio di complementarità: le due enunciazioni non sono entrambe vere; solo una può esserlo – chiedo venia al lettore, ma una cosa che riguarda la concezione del mondo – quella che i tedeschi chiamano weltanshauunng – può essere citata.

Mettendo a confronto San Paolo (decapitato a Roma probabilmente nel 64 sotto l’imperatore Nerone) e il poeta latino Catullo (vissuto, secondo San Gerolamo, dall’87 al 58 a.C.). Tralasciando la traslitterazione dal greco: Se infatti crediamo che Gesù è morto e resuscitato, allo stesso modo Iddio adunerà presso di sé coloro che si sono addormentati in Gesù.

Soles occidere et redire possunt; nobis, cum semel occidit brevius lux, nox est perpetua una dormienda. A proposito di San Paolo, alcuni storici e filosofi alla page, rovesciando con noncuranza i termini, sostengono che senza San Paolo non ci sarebbe stato Cristianesimo!

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 di Piliero Massimiliano

La termografia permette, sfruttando le proprietà di alcuni dispositivi, di rivelare l’intensità della radiazione nella zona termica dello spettro elettromagnetico, definita come “la regione dell’infrarosso”.

Spettro della luce visibile

I nostri occhi si sono evoluti in modo da individuare la radiazione elettromagnetica che costituisce lo spettro della luce visibile compresa tra 380 nm e 760 nm; tutte le altre forme di radiazioni elettromagnetiche, come ad esempio gli infrarossi, sono invisibili alla nostra visione.

Sir Frederick William Herschel

 L’esistenza degli infrarossi è stata scoperta nel 1880 da Sir Frederick William Herschel che è stato un astronomo, fisico e compositore britannico di origine tedesca. Nacque il 15 novembre 1738 ad Hannover e morì il 25 agosto 1822 a Slough nel Regno Unito; tra le sue scoperte: Mimas, Urano, Encelado, Titania, Oberon; scrisse: “General Catalogue of Nebulae and Clusters”. Incuriosito dalla differenza termica tra i vari colori della luce visibile, costruì un rudimentale monocromatore (strumento in grado di scomporre un singolo fascio di luce policromatica in più fasci di luce monocromatica ovvero che contiene onde di una sola frequenza) ed utilizzò un termometro a mercurio [realizzato nel 1794 da Daniel Gabriel Fahrenheit, fisico di origine tedesca, Danzica 1686 – L’Aia 1736; termometro graduato da 212° a 32° che nella scala di Fahrenheit corrisponde allo 0° della scala Celsius, I grafici in funzione della temperatura °F e °C si incontrano alle temperatura di – 40°]  come rivelatore per misurare la distribuzione dell’energia termica associata alla luce solare.

Herschel continuò dirigendo un fascio di luce nello strumento scomponendolo nello spettro (quello che comunemente chiamiamo arcobaleno), ne misurò poi la temperatura di ogni singolo colore.

Scoprì, così facendo, che le temperature dei colori aumentavano nelle porzioni dello spettro dal violetto al rosso.

Notò, durante lo studio – posizionando il termometro appena subito dopo la banda rossa dello spettro, dove non c’era luce solare visibile – che la temperatura misurata era superiore alle altre già viste nello spettro.

Scrisse:

Thermometer No. 1 rose 7 degrees in 10 minutes by an exposure to the full red coloured rays. I drew back the stand. …thermometer No. 1 rose, in 16 minutes, 8 3/8 degrees when its centre was 1=2 inch out of the visible rays …

Spettro della radiazione

Proprio questa ultima temperatura misurata evidenziò la presenza di una radiazione non visibile, appartenente all’infrarosso, localizzata tra lo spettro elettromagnetico della luce visibile e le microonde.

Calore e radiazione termica vengono così associati e poiché ogni oggetto con temperatura maggiore dello zero assoluto, emette spontaneamente una radiazione nella banda dell’infrarosso, possiamo notare che, aumentando la temperatura, l’emissione di radiazione si sposta sempre più verso il visibile finché l’oggetto non diviene incandescente. Questo è espresso dalla legge di Wien.

T  λ_max = b

b = costante di spostamento di Wien

T = temperatura assoluta, in kelvin, della sorgente (corpo nero);

λ_max= lunghezza d’onda espressa in metri per la quale è massima la radiazione emessa dal corpo

Intensità di emissione del corpo nero in funzione della lunghezza d’onda per varie temperature

Il crescente degrado e dissesto manifestatosi negli anni sui manufatti in calcestruzzo armato e in muratura ha richiesto e richiede tuttora competenze specifiche in materia di controlli dei materiali e delle strutture; i controlli non distruttivi hanno assunto recentemente una sempre maggiore rilevanza per la diagnosi delle costruzioni, anche in virtù delle disposizioni dettate dalle vigenti normative (nello specifico per quelle strutture di interesse storico-architettonico presenti sul territorio italiano).

Una termocamera registra l’intensità della radiazione nella parte infrarossa dello spettro elettromagnetico e la converte in un’immagine visibile per effettuare molti controlli necessari a studiare la struttura oggetto di analisi senza procedere con alcune delle vecchie indagini di tipo invasivo o distruttivo utilizzate in passato. Tali immagini consistono in una mappa di colori che segnalano le temperature di superficie di un oggetto.

Negli strumenti moderni è pratica comune convertire la scala dei livelli di grigio in una scala convenzionale di colori. Nelle immagini riportate, è stata utilizzata una scala di colori che va dal blu scuro al rosso chiaro per ottenere un’indicazione qualitativa immediata della temperatura: dalla più fredda alla più calda.

Una termocamera è inoltre un’eccezionale strumento di diagnostica utilizzabile in molti settori, poiché riesce ad individuare componenti o aree soggette a punti caldi/freddi.

Visione termica di solaio composto da travi in spessore di CLS armato e travetti pignatte

L’attuale impegno consente il miglioramento delle condizioni costruttive, di gestire l’energia ed aumentare la sicurezza sul lavoro. A tutt’oggi emergono continuamente nuove applicazioni che le termocamere sono in grado di soddisfare.

Articolo scritto da Massimiliano Piliero. Il quale ringrazia sentitamente Umberto Lorenzini per il contributo nella revisione dell’articolo.

L’articolo è aggiornabile e l’autore è disponibile per eventuali suggerimenti e/o modifiche al testo da parte dei colleghi.

Lo scienziato fisico americano William Shockley, nato a Londra nel 1910 ma vissuto sin da bambino in California, era coordinatore di un gruppo di ricercatori dei laboratori Bell: nel gennaio del 1948 inventò e realizzò il primo transistor a giunzione.

In pratica questo nuovo componente elettronico nacque da un’evoluzione del transistor “a punte metalliche” (contatti puntiformi) realizzato il mese precedente da Walter Brattain e John Bardeen, collaboratori di Shockley. A tutti e tre fu attribuito il premio Nobel per la fisica, nel 1956.

Shockley con Walter Brattain e John Bardeen

William Shockley

Storicamente, dunque, il primo transistor fu quello a punte, ma risultò fin da subito che i suoi non trascurabili difetti, in termini di “rumore” e stabilità, ne avrebbero limitato fortemente le possibilità di utilizzo commerciale. Tali limiti furono superati, appunto, dal transistor “a giunzione” ideato da Shockley.

Evitando di addentrarsi negli aspetti più tecnici, riservati agli specialisti, si può descrivere questo componente, in maniera volutamente elementare, come un insieme di tre strati adiacenti di cristalli di elementi semiconduttori, trattati alternativamente con elementi del 3° e 5° gruppo della tabella degli elementi. In origine, come semiconduttori, si usavano germanio e silicio : adesso, solo il silicio.

Vari tipi di transistor a giunzione

Tubo a vuoto

I due strati esterni del “sandwich” così ottenuto vengono trattati alla stessa maniera, a differenza dello strato centrale. Per esempio, si possono trattare (in gergo : “drogare”) i due strati esterni con atomi di elementi del 3° gruppo (alluminio, tallio, boro, gallio) e lo strato interno con elementi del 5° gruppo (fosforo, arsenico), oppure viceversa.

Il silicio appartiene al 4° gruppo. Il drogaggio appena descritto genera nei cristalli di silicio delle impurità, per la presenza (rispetto ai 4 elettroni dell’orbita più esterna, del silicio) di atomi con elettroni in eccesso (elementi del 5° gruppo, quindi con 5 elettroni) oppure in difetto (elementi del 3° gruppo, con 3 elettroni: si parla, in questo caso, di “lacune” o “buchi”). Questa situazione altera però l’equilibrio (elettrochimico, in questo caso) a cui tutto tende in natura, come noto.
Il cristallo di silicio sarebbe in equilibrio se tutti gli atomi avessero 4 elettroni nello strato più esterno, ma il drogaggio significa che, invece, vengono aggiunti anche atomi con 3 oppure 5 elettroni.
Si ottiene così che attraverso le due giunzioni del “sandwich”, opportunamente polarizzate, scorrono elettroni che, senza riuscirci, cercano, per così dire, di ristabilire l’equilibrio perduto, e si genera quindi una corrente.
Questo componente elettronico può funzionare, principalmente, da amplificatore e da interruttore. Tali funzioni venivano svolte, fino ad allora, dai tubi a vuoto (dispositivi volgarmente detti : “valvole”), che sono ingombranti (circa 10 volte più grandi dei transistor), pesanti (costituite da vetro e metallo), fragili, e richiedono alimentatori elettrici tradizionali, con notevole sviluppo di calore e spreco di energia.
E’ quindi facile intuire la portata epocale dell’invenzione del transistor a giunzione, il cui nome deriva dai vocaboli “TRANSconductance” e “varISTOR”.

Tubo a vuoto (valvola)

Mobile radio, a valvole (anni ’40 – ’50)

Per far funzionare le valvole è necessario alimentarle collegandole alla rete elettrica tradizionale, in tensione alternata. Se ricordo bene, a Pistoia, a cavallo fra gli anni ’50 e ’60, l’illuminazione domestica funzionava a 160 volt (si parlava, comunemente, di “corrente (!!!) normale”); le prese, invece, a 260 volt (cosiddetta “corrente industriale”).

Un alimentatore pesava anche qualche chilo: era costruito con lamelle di ferro e si utilizzavano cavi elettrici anche di 2 o 3 millimetri di diametro.
Al confronto delle valvole i transistor apparivano minuscoli, con le loro dimensioni di pochi millimetri. Erano alimentati da comuni batterie a 1,5 volt e si usavano fili elettrici piccoli quasi come capelli.
Si passò così dai mobili-radio casalinghi in radica di noce, oggi diventati pezzi da collezionismo (Ducati, Marelli, Geloso, Telefunken, Grundig ecc. le marche più diffuse), alle “radioline” tascabili. Il peso scese di colpo a circa 150 – 200 grammi in media, e di questi la quasi totalità era costituita dalle batterie e dall’altoparlante.
Insomma : una rivoluzione tecnologica. Il mondo moderno ha vissuto altre di queste rivoluzioni. Per esempio, l’utilizzo della corrente elettrica ci permette di illuminare premendo semplicemente un interruttore invece di accendere candele e lanterne; ci consente di usare motori elettrici per salire ai piani con comodi ascensori e montacarichi, vincendo così dislivelli impossibili solo un secolo fa.
Il telefono, la radio e la televisione hanno rivoluzionato il modo di comunicare: siamo passati da quantità irrisorie di dati, che circolavano in tempi biblici, a data-base enormi a cui si può accedere in tempo reale. Quante guerre si sarebbero potute evitare…?
La famosa auto FORD modello T, costruita in catena di montaggio e venduta a prezzi popolari, ha generato per prima gli spostamenti di massa delle famiglie.

E del transistor cosa possiamo dire, al riguardo?
Con questo dispositivo si è potuta diffondere l’informazione e la musica ovunque e con facilità. Non è stato più necessario riunire la famiglia attorno al mobile-radio o al televisore (ancora poco diffuso) per ascoltare le canzoni preferite, o il gran varietà, o il giornale radio.
Allo stadio ci siamo trovati di fronte a nuovi scenari: i tifosi con le radioline all’orecchio; il boato del pubblico, lì per lì inspiegabile nel bel mezzo di un’azione magari insignificante, quando Ameri o Ciotti comunicavano la notizia di un gol importante in serie A.

Radio tascabile a transistor

Radio a transistor

Ma questo è niente di fronte all’importanza della miniaturizzazione e della diffusione dei cosiddetti “circuiti integrati”, figli naturali del transistor. Chi non ricorda il mitico 555, integrato tuttofare con cui, saldatore e stagno alla mano, per anni interi ci siamo divertiti a progettare, montare e costruire i primi apparecchi digitali? Amplificatori, contatori, display a led a 7 segmenti, contagiri, frequenzimetri e via dicendo.
I primi computer a prezzi popolari e dimensioni “umane” sono nati così, negli anni ’80: Sinclair ZX Spectrum, Commodore 64, fino ad arrivare al KYBER, addirittura made in Pistoia!

Potrete trovare informazioni più dettagliate al seguente link:

www.computerhistory.it/index.php?option=com_content&view=article&id=299&Itemid=170

E poi televisori sempre più performanti, elettrodomestici sempre più funzionali, giochi sempre più complessi e appassionanti, servomeccanismi sempre più utili, potenti ed evoluti.
In auto e in moto adesso abbiamo ABS, ESP, controllo di trazione, anti-impennamento, centraline di controllo (veri e propri microcomputer), accensioni ed iniezioni elettroniche, computer di bordo; per la sicurezza, l’efficienza, l’affidabilità, per il risparmio energetico, per limitare l’inquinamento.

Nell’ambito delle comunicazioni mi limito a citare i telefoni cellulari, gli smartphone, i tablet…
Mi fermo qui, sottolineando che tutto questo ha avuto origine dal transistor di Shockley.
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Il nostro inventore morì nel 1989. Di questo fatto ho un ricordo preciso: lessi il giornale, ne parlai con amici e ci meravigliammo della mancanza di attenzione riservata dai media televisivi alla notizia. Io feci una riflessione triste e amara. Le nostre tivù, private o di stato, ci sommergono continuamente anche di notizie insignificanti, frivole, che servono solo, al massimo, a stimolare la curiosità di pochi: nei vari TG abbiamo assistito, per esempio, a servizi su corsi per produrre il gelato artigianale, oppure su gruppi di giapponesi che vengono in Italia (dal tono del servizio, sembrerebbe, appositamente !) per imparare come si fa la piadina romagnola, oppure sull’ultimo CD del cantautore di successo, e via dicendo. Quando muore il truccatore delle dive, il costumista famoso, il parrucchiere degli attori di grido, oppure lo sceneggiatore, il coreografo, lo stilista, possiamo star certi che ci verrà trasmesso il relativo servizio.
Tanto di cappello a tutti questi personaggi, per carità, ma allora, dico io, in occasione della scomparsa di William Shockley, che ci ha cambiato, davvero, la vita?
Niente di niente, non ho visto né sentito spendere nemmeno una sillaba: il nulla eterno.
Che vergogna…

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