TEORIE FISICHE. - Per t. f. s'intende nel senso più generale una spiegazione razionale di un fenomeno o di un insieme di fenomeni fisici, dove spiegazione significa ricondurre lo sconosciuto al conoscituto, il complesso al semplice, ciò che desta sorpresa ad uno schema di ragionamento che ci è abituale; insomma « ridurre una situazione nuova ad elementi talmente familiari, che possano essere accettati come cosa ovvia e spegnere la nostra curiosità» (P. W. Bridgman, *La logica della fisica moderna*, p. 50).
In questo senso l'uomo primitivo costruisce una teoria spiegando il temporale come l'atto capriccioso di un Dio irato. Il fisico però chiede di più, vuole che gli elementi familiari, cui riconduciamo la situazione, siano tali da permettere la previsione del loro comportamento nel futuro e siano per quanto è possibile interni al fenomeno stesso. Già l'antica Grecia offre esempi di teorie di genere, come quella dei luoghi propri dei corpi gravi e leggeri, la teoria atomistica di Democrito, le varie teorie sulla natura della luce, ma soprattutto quelle dei cicli ed i cicli per spiegare il movimento apparente degli astri. Queste ultime teorie fanno vedere come fin dall'antichità si sia tentato di ridurre la spiegazione dei fenomeni ad elementi geometrici e meccanici. Tuttavia, quando si parla di t. f., s'intende riferirsi alle teorie moderne sotto da Galileo e Newton in poi. Nella costruzione della scienza moderna le t. f. hanno un posto ed uno scopo ben determinato. La scienza moderna comincia dall'osservazione e dalla misura dei fatti e degli elementi del fenomeno fisico; queste osservazioni e misure vengono collegate a loro con relazioni logiche e causali, le leggi, che nel caso più favorevole assumono la forma matematica di equazione che collega fra loro mediante funzioni le variabili dell'esperienza. A loro volta, numerose leggi empiriche vengono insieme collegate in un sistema razionale che permette di dedurre da poche proposizioni iniziali le leggi e i fatti dell'esperienza concreta; si tratta cioè di raggiungere nei riguardi delle leggi lo stesso scopo di sintesi e di spiegazione, che la legge ha nei riguardi delle osservazioni e misure dirette.
Si può pertanto definire una t. f. o, in generale, scientifica come un sistema di proposizioni, possibilmente espresse in forma matematica, che ha per scopo di sintetizzare e spiegare nel modo più semplice, completo ed esatto un insieme di leggi sperimentali.
Occorre subito distinguere due categorie di t. f.:
1) teorie che sono deduzione logica da fatti sperimentali, mentre stabiliti. Così, per es., la teoria degli strumenti ottici, in particolare la teoria di Gauss dei sistemi centrali, la teoria elementare delle lenti, sono una deduzione logica delle leggi sperimentali dell'ottica geometrica (propagazione rettilinea, leggi della riflessione, rifrazione, indipendenza dei raggi luminosi, ecc.). La meccanica razionale, pura deduzione logica delle leggi della dinamica di Galileo-Newton, ne è un altro esempio. 2) Teorie che sono deduzioni logiche da ipotesi non controllate sperimentalmente. La teoria della gravitazione universale di Newton, p. es., capace di dar ragione delle leggi sperimentali di Kepler, è fondata sull'ipotesi, non controllata sperimentalmente, che tutti i corpi si attirano in ragione diretta della loro massa ed in ragione inversa del quadrato della loro distanza (E. Perucca, *Fisica sperimentale*, I, Torino 1949, p. 3).
I. Valore delle t. f. - Uno dei problemi centrali dell'epistemologia (v.) moderna è il problema sulla natura e il valore delle t. f.: nei riguardi delle t. f. della prima categoria ci si domanda se esse espressamente relazioni oggettive, universali e costanti, fra i fenomeni e le cose reali, ovvero siano unicamente espressioni di valore pratico e soggettivo; nei riguardi delle t. f. della seconda categoria, inoltre, ci si domanda quale valore abbiano rispetto alla realtà gli elementi ipotetici, non controllabili sperimentalmente.
La concezione classica, che ha perduro quasi incontrastata fino alla seconda metà del secolo scorso con qualche dubbia eccezione, attribuisce alle t. f., il valore di *spiegazione reale*, ontologica, dei fenomeni fisici; esse cioè costituirebbero una ricerca delle essenze delle cose e delle cause dei fenomeni.
Secondo la tendenza che si presenta fin dall'antichità greca, ma che è divenuta prevalente dopo Descartes, si è cercato di ridurre ogni spiegazione reale alla *spiegazione meccanistica*, mediante soli elementi di quantità e di moto; e questa riduzione ha formato negli ultimi secoli la spiegazione ideale, anzi l'unica spiegazione veramente soddisfacente, secondo l'espressione di William Thomson (Lord Kelvin): «Io non sono soddisfatto finché non ho potuto costruire un modello meccanico dell'oggetto che studio; se posso fare un modello meccanico, comprendo; finché non posso costruire un tale modello, non comprendo affatto» (*Notes of Lectures on molecular Dinamics*, Baltimore 1884, p. 270). L'intenzione meccanistica ha portato, come notano spesso i recenti epistemologi (Duhem, Whitehead), ad una duplicazione della realtà materiale, distinguendo nettamente fra apparente sensibili, quali sono direttamente percepite dai nostri sensi con tutte le qualità e variazioni qualitative, e realtà nascosta, dotata di sola estensione e di movimento. Come esempi di t. f. a cui nella concezione classica veniva attribuito valore reale, sono da citare le teorie dei fluidi del sec. XVIII, le teorie ondulatoria e corpuscolare della luce, la teoria atomica di Dalton, la teoria cinetica dei gas, la teoria elettronica dell'atomo di Bohr, ecc.
La spiegazione meccanistica degenerò facilmente, specialmente presso i fisici inglesi del sec. XIX (Lord Kelvin, Lodge, Maxwell), nella *spiegazione immaginativa dei modelli meccanici*: a differenza del meccanismo propriamente detto, la costruzione dei modelli non pretende di scoprire la vera struttura della realtà, ma solo consiste nell'immaginare un insieme di congegni meccanici, palline, molle, ingranaggi, leve, carrucole ecc., disposte in maniera che i cambiamenti della macchina così costruita siano analoghi ai fenomeni naturali. I modelli meccanici hanno quindi un senso puramente metaforico e sono suggeriti più dalla fantasia e da uno spirito poetico, che dallo spirito scientifico. È perciò naturale che gli scienziati più rigorosi abbiano sentito la necessità di purgare la scienza di questo bagaglio spuro e si è giunti così alla concezione che considera le t. f. come spiegazione puramente logica e formale. Così, per il Poincaré, «le teorie matematiche della fisica non hanno per oggetto di rivelarsi la vera natura delle cose; questa sarebbe una pretesa irraggionevole. Loro unico scopo è di coordinare le leggi fisiche che l'esperienza ci fa conoscere, ma che, senza il soccorso delle matematiche, non potremmo neppure enunciare» (*Science et hypothèse*, p. 245). Per Duhem, «una t. f. non è affatto una spiegazione, ma solamente un sistema di proposizioni matematiche, dedotte da un piccolo numero di principi... che possono essere formulati in maniera arbitraria»; e, come «le grandezze cui si riferiscono i calcoli non pretendono affatto di essere realtà fisiche» così pure i «principi della deduzione non si presentano affatto come enunciati di relazioni vere fra queste realtà» (*La théorie physique*, pp. 26 e 27). Lo scopo delle t. f., secondo questa concezione, è unicamente la ricerca di una economia (Mach) o comodità (Poincaré) e, tutt'al più, tende a darci una classificazione naturale delle leggi fisiche (Duhem). Questa concezione, che deve il suo sorgere all'empirismo di Mach e alla costituzione della termodinamica in forma puramente energetica, ha preso maggiore vigore presso i fisici e gli epistemologici contemporanei per le difficoltà sempre crescenti incontrate da molte teorie meccanistiche; sicché le più moderne t. f., come quella relativistica e quantistica, vengono oggi generalmente presentate sotto questo aspetto di pura sintesi logica dei dati sperimentali. Per citare un solo esempio di un fisico contemporaneo, per il Dallaporta le t. f. «non possiedono realtà intrinseca. E questo, occorre bene precisarlo, non in quanto si considerano come risultati di prima approssimazione, per il fatto che la scienza è ancora relativamente poco progredita; risultati che verrebbero poi
completati ed integrati da teorie più perfezionate alle quali, un giorno molto lontano, potremmo infine attribuire la sicurezza. No. Esse non possiedono realtà per i criteri stessi secondo i quali sono costruite, per lo scopo stesso a cui tendono, per il fatto stesso che chi le edifica non si propone affatto di giungere, tramite loro, alla realtà (Valore e finalità della ricerca scientifica, in F. Selvaggi, Valore e metodo della scienza, Roma 1952, p. 128).
Queste concezioni vengono spesso definite la teoria del «come se», giacché per essa le t. f. non solo non ci dicono il perché delle cose, ma neppure come esse sono in realtà; è possibile tuttavia comportarsi come se le cose fossero così come sono descritte dalla teoria.
Le formulazioni più estreme di questo modo di vedere si hanno nel programmatismo scientifico (James, Dewey) e nel nominalismo assoluto (Wienerkreis, neopositivismo), secondo cui l'unica conoscenza è quella empirica concreta espressa in proposizioni singolari, mentre le leggi e le t. f. non sono affatto conoscenze del mondo fisico, ma solo permettono di agire su esso, ed in sé considerate nella loro forma astratta si riducono ad un puro enunciato verbale, una formula indeterminata, un importante non-senso.
L'accordo sul valore delle t. f. è tutt'altro che raggiunto presso i fisici e gli epistemologi contemporanei; tuttavia una chiarificazione del problema ed una via di soluzione può esser raggiunta con un'accurate analisi degli elementi della t. f. e dell'evoluzione da esse subite nello sviluppo continuo della scienza.
Il Elementi delle T. F. - In ogni t. f. si trovano elementi di natura differente che un'analisi critica deve accuratamente distinguere per giungere ad un giudizio oggettivo sul valore delle t. f. Infatti nel primo costituirsi di queste sono quasi inevitabilmente inglobati elementi di valore e di utilità diversa; il momento costruttivo non può essere sottoposto a regole rigorose, che attarderebbero e forse annegherebbero completamente la feconda spontaneità del genio inventivo. Ma in un secondo momento la critica deve ritornare sulle t. f. costruite, non con intento distruttivo, ma per analizzare e vagliare i singoli elementi. Dall'esposizione precedente risulta che in ogni t. f. si sono elementi matematici ed elementi meccanici, elementi tratti direttamente dall'esperienza ed elementi ipotetici che dall'esperienza possono essere solo confermati a posteriori.
Quanto agli elementi matematici si deve notare che essi non esauriscono mai il significato della t. f., giacché ogni t. f. contiene, oltre l'espressione matematica formale, elementi intrinseci che hanno riferimento essenziale ineliminabile a dati empirici e a concetti elementari e che danno diverso significato ad espressioni matematiche formalmente identiche o simili.
Anche nella fisica matematica l'espressione matematica non costituisce che l'aspetto formale sotto cui viene considerato l'elemento materiale che resta propriamente fisico potrebbe dirsi, cioè, nel linguaggio tomista, che fisica matematica è una scienza mista, materialmente fisica e formalmente matematica. Inoltre la matematica, anche se costituisce l'ideale di una t. f. perché permette di raggiungere un grado di intelligibilità superiore, non può essere perseguita in maniera esclusiva e, specialmente se si prende il termine più esteso di t. scientifica, è innegabile l'esistenza di t. che non sono e forse non saranno mai riducibili ad espressioni matematiche, soprattutto nel campo della biologia, della psicologia e delle scienze umane in generale; basta ricordare, per tutte, la teoria dell'evoluzione biologica.
Quanto agli elementi meccanici, anche essi offrono particolari vantaggi di spiegazione, giacché maggiormente si avvicinano all'intelligibilità della matematica e maggiormente si prestano alla misura e al calcolo. Si comprende quindi facilmente lo sforzo del meccanismo, giacché una t. f. che riduce i fenomeni a soli elementi di quantità e di moto raggiunge l'ideale della spiegazione. Tuttavia anche essi non possono essere considerati come elementi esclusivi di una t. f. Già fin dalla fine del secolo scorso lo sviluppo della termodinamica e dell'elettro-magnetismo avevano costretto i fisici a ridurre di molto le loro pretese di spiegazione meccanica e a contentarsi spesso della sola descrizione astratta matematica, mettendo da parte la scoperta di meccanismi occulti come spiegazione ultima dei fenomeni fisici; gli ulteriori sviluppi della meccanica relativistica e quantistica hanno costretto, forse in maniera definitiva, a rinunciare a farsi di ogni fenomeno un modello meccanico. Oggi è ben chiaro nel pensiero scientifico che farsi un modello meccanico non è sempre possibile, è anzi, in certi casi, pericoloso. Molte delle critiche mosse dagli epistemologi moderni contro il valore reale delle t. f. sono valide proprio, ma anche solo, contro la concezione dominante fino alla metà del secolo scorso, che voleva arbitrariamente ridurre ogni spiegazione reale ad una spiegazione meccanistica. Fare una teoria oggi significa ricavare un gruppo di formule coerenti con i principi essenziali della fisica, come quello della conservazione dell'energia e della quantità del moto, dell'invarianza rispetto alle formule di trasformazione di Lorentz, ecc., in base alle quali, conosciuti i dati iniziali del problema, cioè eseguito un gruppo di misure, siano prevedibili i risultati in un altro esperimento, cioè di altre misure. Questo però non esclude che alcuni elementi meccanici possano essere considerati come reali ed effettivi, come, p. es., il movimento delle molecole di un gas secondo la teoria cinetica; anzi non bisogna neppure di-sconoscere completamente il valore di molti modelli meccanici, che pur non fornendo una descrizione effettiva della realtà in termini univoci, non sono però semplici artifici suggestivi ed utili per l'intuizione, ma danno anche una vera conoscenza analogica della realtà ed hanno quindi un certo grado di verità.
Grande importanza per il giudizio sul valore di una t. f. ha anche la seconda distinzione fra gli elementi desunti direttamente dall'esperienza od ottenuti per logica generalizzazione dell'esperienza stessa e gli elementi puramente ipotetici. Il valore dei primi, quali espressioni oggettive di relazioni reali fra i fenomeni e le cose, non può essere disconosciuto se non in base a pregiudizi filosofici empiristici o idealistici. Tale, p. es., è la posizione del Poincaré, che considera tutti i principi più universali, sia della matematica che della fisica, come semplici ipotesi convenzionali o definizioni nominali mascherate. In molti casi invece i principi, come quelli della meccanica classica e della termodinamica, sono generalizzazioni, in parte idealizzate o anche approssimate, ma sempre fondate sull'osservazione empirica e sull'induzione scientifica, che nella costanza osservata permettono logicamente di scorgerle relazioni reali esistenti fra i fenomeni, ossia vere leggi della natura. Così anche le formule matematiche, pur essendo astratte, danno la giusta risposta a problemi concreti ed hanno un valore non solo pratico, ma anche conoscitivo nei riguardi della realtà e della sua essenza.
Quando invece si tratta di elementi ipotetici, il giudizio sul loro valore è più complicato e difficile. Sarebbe ingiustificato escludere a priori la possibilità di attribuire loro valore reale; tale esclusione è stata soprattutto occasione della differenziazione, già accennata, di spiegazione meccanistica e spiegazione reale. D'altra parte la conferma a posteriori dell'esperienza non è logicamente sufficiente a dare la certezza della loro verità per il principio logico, secondo cui dalla verità delle conseguenze non è lecito arguire la verità dell'ipotesi. Infatti è generalmente possibile costruire un'infinità di ipotesi dalle quali si possono trarre le medesime conseguenze. La conferma indiretta dell'esperienza quindi non può rendere certa un'ipotesi, eccetto che in casi particolari non sia possibile stabilire un experimentum crucis; essa tuttavia dona una maggiore probabilità all'ipotesi considerata. Anzi in alcuni casi la convergenza delle conferme sperimentali più disparate può essere tale da costituire un motivo ragionevole per la certezza dell'ipotesi considerata. Sempre però quando si tratta del giudizio sul valore di un'ipotesi, s'impono un lavoro di critica, intesa a distinguere nell'interno dell'ipotesi stessa elementi indipendenti, alcuni dei quali possono risultare superflui nei riguardi delle conseguenze confermate dall'esperienza, tali cioè che anche eliminati permettono di compiere le medesime deduzioni. Questi elementi superflui, evidentemente, non ricevono nessuna convalida dall'esperienza favorevole.
III. EVOLUZIONE DELLE T. F. - Un altro argomento, che viene addotto da molti epistemologi contro il valore reale delle t. f. è la continua e rapida evoluzione a cui sono soggette anche quelle che un tempo sembravano le meglio accertate.
Alcuni autori presentano la fisica teorica come un campo di rovine, in cui le teorie si succedono come effimere costruzioni, presto abbattute per dar luogo a nuove teorie che non tardano a subire la stessa sorte. Contro una tale presentazione della storia della fisica, si sono pronunciati tutti i fisici più autorevoli, che hanno messo in luce la continuità della scienza anche nella costruzione delle t. f. Certamente, non mancano casi in cui il progresso della scienza ha portato al rigetto assoluto di teorie un tempo in gran favore; si pensi alle teorie del flogisto e del calorico, alla teoria corpuscolare della luce, tanto in voga nei secc. XVII e XVIII, e poi completamente abbandonate con i progressi della chimica, della termodinamica e dell'ottica. Però, generalmente i progressi scientifici non portano al rigetto completo delle teorie precedenti, ma piuttosto ad una correzione e integrazione delle medesime.
Ciò può in primo luogo avvenire mediante l'eliminazione di elementi contenuti nella teoria primitiva, che alla riflessione critica risultano superflui nei riguardi delle conseguenze confermate dall'esperienza, e con la sostituzione di nuovi elementi suggeriti dalle nuove esperienze, che non si accordano con la teoria primitiva. Un esempio particolarmente significativo è offerto dalla teoria ondulatoria della luce: nella concezione primitiva di Huygens la luce era costituita da oscillazioni longitudinali di un mezzo fluido, come le onde sonore. In seguito il fenomeno della polarizzazione induceva i fisici (Fresnel) ad eliminare le oscillazioni longitudinali e a sostituire con oscillazioni trasversali rispetto alla direzione del raggio luminoso e a concepire quindi l'etere come un mezzo rigido capace di trasmettere oscillazioni meccaniche rapidissime. Anche tale concezione incontrava gravissimi ostacoli, finché i progressi dell'elettromagnetismo inducevano a rigettare l'ipotesi di vibrazioni meccaniche, per sostituire con oscillazioni elettromagnetiche (Maxwell). L'ipotesi fondamentale di Huygens sulla natura ondulatoria della luce era rimasta attraverso le successive trasformazioni, ma purificata dagli elementi superflui e nocivi ed integrata da nuovi elementi, che permettono una spiegazione più adeguata dei fenomeni reali.
La teoria della luce offre l'esempio di un altro genere di evoluzione a cui le t. f. possono essere soggette. Per oltre due secoli, due teorie si erano combattute come opposte ed inconciliabili fra loro, la teoria corpuscolare, prevalente al principio per l'autorità di Newton, e la teoria ondulatoria, che aveva finito per sopraffare la precedente. Ma proprio quando il valore reale di quest'ultima sembrava posto fuori discussione, nuovi fenomeni (il fenomeno fotoelettrico e poi l'effetto Compton ed altri) costringevano i fisici a rivedere nuovamente le loro teorie e li ponevano nella necessità di conciliare insieme le due teorie opposte in un'unica t. f., che rendesse conto di tutti i fenomeni osservati. La possibilità logica di tale conciliazione e quindi il nuovo genere di evoluzione delle t. f. sono stati messi in luce dal Bohr mediante il principio di complementarietà. Un altro tipo di evoluzione delle t. f. consiste in un progressivo affinamento delle teorie verso una sempre maggiore approssimazione alla realtà, la cui meta ideale consiste in un adeguamento perfetto e totale, forse mai raggiungibile mediante la conoscenza umana. I principi della teoria precedente vengono allora considerati come una prima approssimazione, una astrazione schematizzante valida per esperienze più grosse, ma insufficiente per un'esperienza più fine, per la quale è necessario tener conto di funzioni di variabili trascurate nella prima teoria. Un esempio di evoluzione in questo senso ci è dato dalla meccanica classica trasformata nelle meccaniche relativistiche e quantistica, che considerano la variazione delle misure di lunghezze, tempo e massa in funzione della velocità dell'energia, che in servatore e la struttura discontinua dell'energia, che in una prima approssimazione si erano potute trascurare senza danno. L'evoluzione storica della t. f. è ingiustificabile o almeno difficilmente comprensibile in un'epistemiologia razionalistica e aprioristica di tipo cartesiano, newtoniano e kantiano, che considera tutti i principi come espressione della pura razionalità indipendente da qualunque esperienza. Essa invece mostra la necessità di una continua azione e reazione fra esperienza e ragione, in una forma di progresso dialettico, non di tipo hegeliano, che è stato recentemente messo in luce da valenti epistemologi, quali il Bachelard e il Gonseth. Questo progresso dialettico, per nulla relativistico o scettico, è pienamente giustificabile nella epistemologia empirico-razionalistica di Aristotele e s. Tommaso. Mediante essa possono essere salvati i valori necessari assoluti, pur facendosi posto ad una continua evoluzione delle t. f.
IV. LE T. F. E LA REALTÀ. - In conclusione il problema del valore delle t. f. nei confronti della realtà non può essere risolto in maniera uniforme per tutte. Infatti, se molte t. f. moderne hanno un valore puramente formale e sono formulazioni matematiche astratte che non spiegano la causa del fenomeno e la natura della realtà, ma solo permettono di prevedere l'esito delle esperienze future, tuttavia altre forniscono reali analogie con la struttura interna della realtà, alcune anzi costituiscono una vera spiegazione ontologica dei fenomeni, la quale, pur presentandosi all'inizio come una semplice ipotesi probabile, acquista con le successive conferme sperimentali una probabilità sempre maggiore, che può anche trasformarsi in vera certezza. Come esempi di teorie, alle quali sarebbe irragionevole negare un tale valore, si citano le t. astronomiche della struttura, dimensioni e forme del sistema solare e galattico e la teoria molecolare cinetica dei gas, che costringe lo stesso Poincaré a considerare l'atomo chimico non più come una pura comoda finzione, ma come una realtà (Derrière pensées, Parigi 1913, pp. 196 e 199). Del resto le stesse formule più astratte della fisica matematica non sono semplici ricette pratiche, né espressioni puramente formali prive di contenuto e di significato fisico, ma costituiscono sempre una conoscenza, benché incompleta ed analogica, delle relazioni reali vigenti fra i fenomeni e fra le cose e dell'essenza stessa della realtà fisica. Esse non danno certamente l'ultimo perché delle cose, giacché questo perché non può trovarsi che in qualche cosa che trascende completamente la materia e la conoscenza fisica per rientrare nel dominio della pura metafisica; consentono però sempre meglio di conoscere il mondo esterno reale» (M. Planck, La conoscenza del mondo fisico, p. 226) e convalidano sempre più la convinzione che con le nostre costruzioni teoriche è possibile raggiungere la realtà» (A. Einstein-L. Infeld, op. cit. in bibl., p. 303).