Fisica Teorica

Il progresso della Scienza dipende, in generale, dall’interazione tra teoria ed esperimenti. La fisica teorica è quella branca della fisica che utilizza modelli matematici e, più recentemente, anche strumenti numerici, nel tentativo di razionalizzare, spiegare e predire i fenomeni naturali.

Le radici della fisica teorica possono farsi risalire alla filosofia greca, dove i concetti di materia, energia, spazio, tempo e causalità cominciarono lentamente ad acquisire la forma che conosciamo oggi, assieme al convincimento che la natura possa essere descritta attraverso il simbolismo matematico. Ma l’era della moderna fisica teorica comincia diversi secoli dopo, all’inizio del 1600, con il cambiamento di paradigma Copernicano in astronomia, seguito a ruota dalla scoperta dell’espressione matematica delle orbite planetarie ad opera di Keplero, il quale mise a frutto le meticolose osservazioni di Tycho Brahe.

Simultaneamente, le grandi intuizioni fisiche di Galileo e la geometria analitica di Descartes vennero incorporate nella meccanica classica di Isaac Newton, estesa nel diciottesimo secolo daJoseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler e William Rowan Hamilton, con i quali il fecondo dialogo tra matematica e fisica inaugurato due millenni prima da Pitagora ebbe il suo definitivo trionfo.

Il diciannovesimo secolo vide il consolidarsi dell’idea di energia per mezzo dell’inclusione del calore, e poi dell’elettricità, del magnetismo, della luce e infine della massa. In questo contesto le leggi della termodinamica, e in particolare l’introduzione del concetto di entropia, cominciarono a offrire una spiegazione macroscopica per le proprietà della materia, il cui quadro teorico fu invece fornito dalla meccanica statistica di Boltzmann e Gibbs, che mette in relazione le proprietà microscopiche dei singoli atomi e molecole con quelle macroscopiche dei materiali che osserviamo nella vita di tutti i giorni, giustificando così la termodinamica come il risultato naturale delle leggi statistiche e meccaniche del livello microscopico.

Ma i pilastri della moderna fisica teorica, e forse le più rivoluzionarie teorie nella storia della fisica, furono edificati all’inizio del ventesimo secolo: da un lato la meccanica Newtoniana fu generalizzata dalla relatività speciale di Einstein, il quale con la relatività generale fornì anche una spiegazione cinematica della gravità di Newton; dall’altro lato, la meccanica quantistica condusse ad una spiegazione della radiazione di corpo nero e delle anomalie nel calore specifico dei solidi, consentendo di raggiungere una maggiore comprensione della struttura interna di atomi e molecole.

Oggigiorno i fisici teorici lavorano ad una unificazione delle principali teorie nel tentativo di comprendere definitivamente il funzionamento dell’Universo, dalla scala cosmologica a quella delle particelle elementari (vedi ad esempio la cosmologia inflazionaria, il Modello Standard, la teoria quantistica dei campi, la QCD, la superfluidità, la quantum information, e via dicendo), passando attraverso il livello mesoscopico rappresentato dalla fisica dello stato solido (vedi meccanica dei solidi, dinamica dei fluidi, struttura elettronica dei materiali, teorie del caos e della complessità, teoria delle reti complesse, etc.), fino alle più recenti applicazioni dei modelli fisici a campi apparentemente distanti quali la biologia, l’economia, la sociologia e via dicendo (vedi biofisica, econofisica, socio fisica, etc.).