La pila di Volta in L’evoluzione della fisica di Einstein e Infeld

Nel loro famoso volume L’evoluzione della fisica, uscito nel 1938, Albert Einstein e Leopold Infeld assegnano un ruolo decisivo alla pila di Volta nel percorso concettuale della fisica. Al nuovo strumento di Volta, annunciato nel 1800, si attribuisce la funzione di aver sollevato niente meno che “la prima grave difficoltà” contro quella che i nostri due autori chiamano “l’interpretazione meccanicista” della natura. Con questa espressione, essi intendono il punto di vista filosofico secondo cui la totalità dei fenomeni è spiegabile sulla base delle seguenti due assunzioni principali: 1) la materia è un aggregato di particelle immutabili che interagiscono mediante forze mutue, 2) per ogni coppia di tali particelle, la forza che agisce su una delle due giace lungo la congiungente con l’altra ed è funzione unicamente della loro distanza mutua.
Ma in che modo la pila di Volta avrebbe messo così profondamente in crisi il forte e affermato paradigma meccanicista? Einstein e Infeld affermano che ciò derivò soprattutto dalla scoperta, compiuta da Hans Christian Ørsted nel 1820, che la corrente della pila produce effetti magnetici. La prima figura mostra la loro presentazione del caso.
La pila di Volta in L’evoluzione della fisica di Einstein e Infeld - Storia della Scienza
Un filo piegato a forma di spira circolare giace su un piano verticale. L’oggetto al centro è un ago magnetico, libero di ruotare intorno a un asse perpendicolare al piano orizzontale che intercetta la spira a metà. Inizialmente, la spira non è attraversata da corrente e l’ago giace sullo stesso piano verticale della spira. Se si fa passare corrente, l’ago ruota e si orienta perpendicolarmente al piano verticale della spira, come mostrato nella figura. Einstein e Infeld affermano che l’azione che fa ruotare l’ago deriva da forze che sono anch’esse perpendicolari al piano della spira e che forze così orientate non sono ottenibili nella rappresentazione meccanicista, in cui infatti si ammettono solo forze dirette lungo le congiungenti tra le particelle interagenti.
La pila di Volta entra quindi nella storia in maniera un po’ indiretta, ma è interessante che essa viene descritta in dettaglio e che vi sono analogie e differenze rispetto alle apparecchiature originali di Volta. A un certo punto viene anche riportata una citazione tratta dai suoi scritti. Tutto ciò presenta ovvi motivi di interesse ed è naturale tentare un approfondimento.
La seguente, dicono i nostri autori, è “ciò che è noto come la pila voltaica”: “Ci sono vari bicchieri di vetro, contenenti ciascuno acqua con un po’ di acido solforico. In ogni bicchiere ci sono due piastre, una di rame e l’altra di zinco, immerse nella soluzione. La piastra di rame di un bicchiere è collegata alla piastra di zinco di quello successivo, in modo tale che solo la piastra di zinco del primo e la piastra di rame dell’ultimo rimangono scollegate”.
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Questa descrizione richiama la versione della pila voltiana “a corona di tazze”, riprodotta nella seconda figura, in cui Z, A indicano rispettivamente le piastre di zinco e di rame.
Un confronto più attento con la descrizione riportata sopra rivela tuttavia due importanti differenze. Einstein e Infeld affermano infatti che ogni tazza ha una coppia di piastre di zinco e di rame, ma la figura mostra che Volta omise la piastra di zinco Z nella prima tazza e la lamina di rame A nell’ultima. L’altra differenza sta negli archi di collegamento tra la piastra di rame A di una tazza e la piastra di zinco Z della tazza successiva. Einstein e Infeld considerano questi archi come semplici conduttori elettrici di cui non specificano la natura. Al contrario, Volta prescrisse archi composti di due metà eterogenee, rame a sinistra e zinco a destra, “saldate insieme in qualsiasi luogo al di sopra della parte che pesca nel liquido”.
Entrambe le differenze si capiscono confrontando la moderna interpretazione chimica della pila, da cui Einstein e Infeld furono evidentemente influenzati, con l’interpretazione di Volta, basata sulla sua ipotesi dell’elettricità di contatto.
Nella teoria chimica, ogni tazza con la sua coppia di piastre Z, A forma un “elemento”. Le reazioni chimiche che si producono in questo elemento tra le piastre Z, A e la soluzione sono, per così dire, il motore che mette in movimento l’elettricità. Gli archi conduttori tra le piastre servono semplicemente a collegare i vari elementi in serie ed è quindi irrilevante di quale metallo sono composti. L’aggiunta della piastra di zinco Z nella prima tazza e della piastra di rame A nell’ultima è conveniente perché così si includono nella pila due elementi in più.
Per Volta, le cose erano molto differenti. La soluzione, egli affermava, è un semplice conduttore e il motore che spinge il fluido elettrico è localizzato nel punto in cui le metà eterogenee degli archi conduttori sono saldati insieme. Questa era un’applicazione della sua teoria dell’elettricità di contatto, secondo cui il semplice contatto tra conduttori eterogenei è sufficiente per creare uno sbilancio tra di essi. Non essendo in contatto con un metallo differente, la piastra Z della prima tazza e la piastra A dell’ultima non aggiungono alcuna spinta al fluido elettrico e possono essere omesse. Volta notò che le piastre immerse subivano reazioni chimiche, ma interpretò questo come un effetto secondario dovuto alla corrente generata dal contatto.
La teoria voltiana dell’elettricità di contatto attraversò varie fasi complesse. Tutto iniziò con le ricerche di Luigi Galvani sulle rane. Nel 1791 Galvani annunciò che si ottenevano contrazioni muscolari nella coscia spellata di una rana nel momento in cui, come mostrato nella terza figura, si stabiliva un collegamento elettrico tra il nervo spinale e il muscolo denudato mediante un arco metallico. Galvani sosteneva che questo fenomeno era causato dalla scarica di un tipo particolare di “elettricità animale” tra le parti interne ed esterne dei muscoli. Il nervo spinale si dirama nelle parti interne dei muscoli delle cosce e stabilisce un collegamento elettrico tra queste parti e le parti esterne dei muscoli attraverso l’arco metallico. Galvani notò e riferì che le contrazioni muscolari erano di solito più forti quando l’arco metallico era composto di due metà eterogenee anziché di un solo metallo, ma non ricavò implicazioni particolari da questo fatto.
Volta aderì inizialmente alla teoria galvaniana dell’elettricità animale, ma rimase presto insoddisfatto. Egli fu colpito soprattutto dall’efficacia molto maggiore dell’arco bimetallico rispetto all’arco monometallico. Con un complesso percorso intellettuale e sperimentale, egli tracciò un quadro molto differente ed è interessante che ciò risultò in buona misura dai suoi ragionamenti sul ruolo della causalità nella spiegazione della contrazione muscolare.
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Nell’interpretazione di Volta, Galvani considerava la sua postulata scarica di elettricità animale tra le parti interne ed esterne della coscia della rana come la causa totale della contrazione osservata. Volta si convinse che questa relazione causale non poteva essere corretta perché l’intensità di quella che si assumeva come causa totale era molto più piccola dell’intensità dell’effetto che si supponeva prodotto da essa. Egli aveva infatti concluso dai suoi studi che, anche se fosse esistita, l’elettricità animale doveva essere molto debole, in contrasto con l’usuale vigore delle contrazioni muscolari. Ricorrendo al termine moderno “energia”, certamente un anacronismo che aiuta però a capire meglio i termini della questione, si potrebbe dire che Volta si era convinto che l’elettricità animale di Galvani aveva troppo poca “energia” per essere davvero la causa totale della contrazione muscolare.
Per risolvere questa difficoltà, Volta introdusse una catena causale a due stadi. L’ “energia” della contrazione muscolare proviene in realtà da una facoltà propria dei muscoli, che, con un termine della fisiologia dell’epoca, egli denominò “irritabilità”. Se stimolati da un qualche agente, i nervi trasmettono un segnale che causa la contrazione muscolare indirettamente mediante attivazione dell’irritabilità muscolare. Nel caso delle contrazioni osservate da Galvani, l’agente stimolante dei nervi è una corrente molto debole, messa in moto nei punti di contatto tra i conduttori eterogenei che formano il circuito nervo-arco-muscoli. Questa stimolazione dei nervi risveglia l’irritabilità muscolare ed è questa che causa direttamente la contrazione osservata.
Secondo Volta, la sua nozione dell’elettricità messa in moto dal semplice contatto tra conduttori eterogenei non ebbe il riconoscimento che meritava e questo gli fece imboccare un percorso di ricerca che lo condusse all’invenzione della pila.
Nel 1796 Volta riuscì finalmente a dimostrare sperimentalmente che due metalli eterogenei posti a contatto assumono cariche opposte. Ma presto arrivò una mossa inaspettata dai sostenitori dell’elettricità animale. Le forti scariche elettriche fornite da varie specie di pesci elettrici, tra cui la torpedine presente anche nel Mediterraneo, furono tirate in ballo come prova diretta dell’esistenza dell’elettricità animale. Volta prese questa come un’ulteriore mossa contro la sua elettricità di contatto e decise che ci voleva una prova definitiva. Questa fu a suo giudizio raggiunta in modo spettacolare quando finalmente riuscì a realizzare la pila.
Il nuovo strumento voltiano fu il risultato di tentativi di riprodurre il funzionamento dell’organo elettrico della torpedine dal punto di vista della teoria dell’elettricità di contatto. Volta sapeva che l’organo della torpedine era composto da tante piccole colonne affiancate, costituite a loro volta da numerosi strati di tessuti eterogenei impilati uno sull’altro. Ispirato da questa struttura, egli sovrappose numerose coppie bimetalliche Z-A, con un disco di cartone inumidito tra una coppia e l’altra, come si vede nella quarta figura.
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La scossa fornita dal nuovo strumento assomigliava a quella della torpedine e Volta poteva ora dichiarare che l’organo della torpedine era azionato dall’elettricità di contatto spinta nei luoghi dove i vari strati eterogenei sovrapposti si toccano reciprocamente. Il nome “organo elettrico artificiale” che egli scelse per la pila rivela chiaramente questa linea di pensiero. Per la sua forma, egli la chiamo anche “apparato a colonna”. Vale la pena notare i doppi elettrodi Z-A all’inizio e alla fine dell’apparecchio. Questi hanno ovviamente senso nella teoria di Volta, poiché aggiungono due volte la spinta elettromotrice del contatto bimetallico, mentre sono privi di senso nella teoria elettrochimica, secondo cui non contribuiscono alla spinta. La situazione è in un certo senso opposta a quella che abbiamo visto nella descrizione della pila “a corona di tazze” da parte di Einstein e Infeld. Se in quel caso la mente moderna è portata ad aggiungere i due elettrodi Z, A ai due estremi, in questo caso essa è naturalmente indotta a toglierli.
La corrente fornita dalla pila era un fenomeno completamente nuovo e viene spontaneo chiedersi come Volta lo concepisse. Egli espresse varie veduta e una di queste risulta proprio dalla citazione voltiana che Einstein e Infeld scelsero per il loro libro. In questo passaggio, tratto dalla memoria in cui annunciava la sua nuova invenzione, Volta assimila la corrente della pila a una serie di scariche successive fornite da un insieme di “bottiglie di Leida” collegate insieme.
La bottiglia di Leida era uno dei più comuni apparecchi elettrici del diciottesimo secolo, costituito sostanzialmente da una bottiglia di vetro con le superfici interna ed esterna ricoperte da sottili fogli metallici. La principale proprietà di questa struttura era quella di accumulare elevate quantità di cariche opposte sulle due superfici. Collegando con un filo conduttore i due fogli metallici sulle superfici, si ottiene una forte scarica delle due cariche opposte accumulate.
Come Einstein e Infeld ci ricordano, Volta riteneva che la scarica della pila fosse simile a quella di un gruppo di bottiglie di Leida “debolmente cariche, che agissero tuttavia incessantemente, o in modo tale che la loro carica si ristabilisse da sé dopo ogni scarica”.
Con questa idea delle bottiglie di Leida che si ricaricano da sole, Volta riconduceva la nuova situazione sconosciuta a nozioni familiari. Insieme a quello precedentemente visto sul ruolo della causalità nella contrazione muscolare, questo caso costituisce un buon esempio del complesso gioco tra conservazione e innovazione nella scienza. Nell’analogia con le bottiglie di Leida egli assunse un atteggiamento conservatore. Più lungimirante fu il suo precedente schieramento a favore di una catena causale senza disparità tra l’“energia” dell’effetto osservato e l’“energia” di quella che si assume come sua causa diretta. Comunque, egli non riuscì a innalzare questa assunzione al livello di un principio generale e in altre occasioni non vi si attenne. Tipico fu ad esempio il caso della perpetuità inesauribile che egli attribuì al potere elettromotore dei conduttori eterogenei nel mantenere la corrente della pila. Biasimarlo per questo sarebbe tuttavia ingiusto perché in quel momento egli stava affrontando complessità difficilissime della natura.
Grazie agli stimoli di Einstein e Infeld, abbiamo avuto occasione di toccare almeno tre questioni importanti. Abbiamo richiamato in primo luogo il notevole contributo della pila di Volta al mutamento dei presupposti teorici fondamentali adottati nell’interpretazione del mondo fisico. Siamo poi stati indotti a meditare sulla costante attenzione che lo storico della scienza deve avere per le linee di continuità, ma anche di discontinuità, tra la scienza di ieri e quella di oggi. Su questa base, abbiamo poi fornito alcuni elementi utili per capire come, tra spinte conservatrici e innovatrici, Volta affrontò concretamente le grandi sfide che la natura gli pose di fronte.


Lucio Fregonese

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