(Giorgio Piccardi nel suo studio)

Il tempo come coordinata
Gli studi di Giorgio Piccardi (1895-1972)

(Paolo Manzelli, Mariagrazia Costa)

Il concetto di tempo è un problema di grande rilievo per i fondamenti della chimica moderna, poiché questo si pone in relazione alla irreversibilità dei processi chimici ed anche ai processi "negentropici" di trasformazione molecolare nei sistemi aperti a scambi di energia e di materia.

Giorgio Piccardi, direttore dell'Istituto di Chimica fisica dal 1947 al 1965 e successivamente del Centro Universitario dei Fenomeni Fluttuanti, impostò le sue ricerche sulla base della considerazione che il tempo, trattato generalmente come una misura, fosse da considerare come una reale "coordinata", cioè come un parametro intrinseco alla dinamica dei processi naturali. Considerando il tempo come una coordinata, Piccardi portò avanti il suo lavoro scientifico al di fuori dei canoni tradizionali propri della chimica classica. Egli soleva dire durante le sue lezioni che la termodinamica mette in evidenza l'impotenza dell'uomo nel realizzare una macchina capace di moto perpetuo, proprio perché i processi spontanei sono sempre irreversibili; infatti in natura un processo che va in una certa direzione, non andrà mai spontaneamente nel verso opposto.

Per fissare in un contesto storico le ricerche innovative di Piccardi, che egli stesso definiva di tipo "sperimentale-galileiano", ricordiamo un passo di Galileo dal "Dialogo sui massimi sistemi": "...su una nave, muoventesi con quanta voglia velocità, purché il moto sia uniforme e non fluttuante in qua ed in là, voi non riconoscerete una minima mutazione in tutti li nominati effetti, né da alcuno di quelli potrete comprendere se la nave cammina oppure sta ferma".

I "sistemi fluttuanti" indicati da Piccardi nei suoi studi sulla dinamica dei processi evolutivi, sono sistemi non-inerziali perché non liberi da forze o influssi esterni ed essendo aperti a scambi di energia e/o materia, risentono delle variabili spaziali di tipo terrestre, solare e cosmico. Tra i sistemi sensibili ai parametri esterni fluttuanti, Piccardi considerò la dinamica di trasformazione di varie reazioni chimiche in soluzione acquosa e mise in evidenza alcuni interessanti fenomeni che riguardano l'<<attivazione>> dell'acqua sotto l'influenza di campi elettromagnetici ad onde lunghe. In relazione a tali esperimenti egli considerò che il tempo non poteva essere considerato isotropo in ogni direzione dello spazio, né omogeneo per ogni istante successivo, pertanto questo doveva considerarsi una reale coordinata.

Giorgio Piccardi, per rendere evidente che i suoi studi non potevano essere collocati nel quadro della logica scientifica tradizionale, sottolineò come la constatazione che il tempo è una coordinata, infirrni il dogma fondamentale della scienza tradizionale, secondo il quale gli esperimenti sono validi solo se riproducibili. Infatti egli osservò che se non è possibile, come nel caso dei fenomeni fluttuanti, controllare tutte le condizioni con cui un esperimento è condotto, è necessario tener conto della coordinata tempo proprio perché le variabili spaziali cambiano nel corso di esso. Piccardi sosteneva che anche nel caso di esperimenti che non siano ripetibili nei risultati in ogni momento scelto a piacere, questi meritano di essere oggetto di indagine scientifica; quanto sopra significa che il criterio di riproducibilità, come verifica di validità scientifica, ammette delle eccezioni. In altre parole la riproducibilità degli esperimenti non può essere quindi considerata in ogni caso una discriminante assoluta tra il vero ed il falso nella scienza.

Giorgio Piccardi comprese che nella logica scientifica tradizionale, applicata a fenomeni non-fluttuanti, ci si riferisce di norma a esperimenti rappresentabili in termini di equazioni lineari, mentre nel caso dei fenomeni fluttuanti la linearità si perde, in quanto, non essendo ipotizzabile una corrispondenza nella successione temporale dei rapporti tra causa ed effetto, i parametri che influenzano l'esperimento non seguono un ordine sequenziale; infatti un'azione trascurabile ad un determinato istante può diventare una causa determinante in un istante successivo e definire un risultato che in questo modo non può essere lo stesso in qualunque altro istante di tempo. Quanto sopra diviene più evidente quando si studiano fenomeni che implicano l'azione di basse frequenze e quindi energie molto piccole e che non rispondono ad effetti immediati di causa-effetto; queste azioni vengono generalmente considerate come insignificanti, perché arbitrariamente si suppone che determinino trascurabili perturbazioni del sistema. Ma osservava Piccardi, chi compie esperimenti, scevro da ogni pregiudizio, guarda alla spiegazione scientifica dei processi naturali e non si accontenta della misura delle quantità immediatamente misurabili, allora si rende conto che lavora in un mondo di fenomeni molto "imperfetti", riguardo al fatto di considerare una successione di immaginari istanti di tempo tutti perpetuamente uguali.

L'idea del tempo come successione di istanti equivalenti è invero il dogma di base della scienza meccanicistica e tale concetto è praticamente indiscusso fino ad oggi; ma la natura non si comporta secondo questi canoni. Tutti sanno, diceva a noi studenti, che un seme va piantato nel terreno in certe stagioni e con la luna, ad esempio, calante se si vuole far crescere bene la pianta, perché questa non germoglia e non cresce in un tempo qualsiasi scelto a caso.

Lo sviluppo creativo della scienza, asseriva Piccardi, dovrà essere il frutto di. esperimenti significativi e non semplicemente di quelli riproducibili nel tempo. La scienza tradizionale infatti, tentando di fissare le condizioni di riproducibilità degli esperimenti, fa riferimento solo a particolari variabili che sono controllabili in laboratorio. Così la termodinamica prende in considerazione pressione, volume e temperatura di un sistema e definisce delle funzioni che, allo stato di equilibrio, possono essere determinate tramite tali variabili; agendo in tal modo tuttavia, essa esclude il fattore tempo, proprio perché gli equilibri sono definibili in condizioni atemporali. A causa di ciò la termodinamica non può dare alcuna indicazione ad esempio sulla velocità di trasformazione dei sistemi. Fissando inoltre le classiche variabili di riferimento la termodinamica è costretta ad escludere le influenze "attive" interne ed esterne al sistema. Così ad esempio i fenomeni fluttuanti, che dipendono dalle condizioni fisiche dello spazio che ci circonda, ed i fenomeni catalitici interni al sistema escono dalla portata dei suoi studi; dice Giorgio Piccardi: "...Non possiamo però impedire le attività magnetiche delle macchie solari, che influenzano l'intensità della radiazione solare, che a sua volta influenza i fenomeni biologici ed anche molti fenomeni chimici, così come non possiamo fissare le variazioni del potenziale elettrico atmosferico che si accompagna ai temporali, né le variazioni del campo magnetico terrestre e tanti altri fenomeni naturali a carattere fluttuante, che in vari modi agiscono sulla natura e sulla vita del nostro pianeta".

Quale relazione hanno tali fenomeni, che genericamente indichiamo come "spaziali", con le attività di ricerca in laboratorio e più in generale con l'evoluzione della natura e della vita? Quali sono i fenomeni biologici particolarmente sensibili alle variabili spaziali? E quali sono le reazioni chimiche?

Piccardi in un suo scritto ricorda come il suo interesse fu rivolto a tali domande: "I chimici si lamentano sovente della non buona riproducibilità di alcune loro operazioni, pur avendo osservato tutte le modalità consuete, così accusano la giornata di essere cattiva o sfortunata" ed in un altro passo rammenta: "Fin dal 1939 mi ero accorto dell'esistenza di una relazione complessa tra eventi ambientali e fenomeni chimico fisici". Racconta inoltre di aver acquistato a Londra uno "Storm-Glass", detto anche impropriamente "Barometro Chimico" perché veniva usato come indicatore di buono o cattivo tempo; lo "Storm-Glass" è costituito da un tubo di vetro chiuso alla fiamma, lungo 20cm e con diametro di circa 2cm, contenente una soluzione idroalcolica di varie sostanze: cloruro ammonico, nitrato di potassio e canfora, con un eccesso di canfora che costituisce un corpo di fondo. Né la pressione, né l'umidità atmosferiche possono influenzare il sistema, soltanto la temperatura può far cristallizzare più o meno la canfora; tuttavia anche a temperatura quasi costante (entro due gradi) si notano lo stesso variazioni imponentissime, a volte crescono dal fondo bellissime arborescenze cristalline, a volte si formano delle stelline nella parte superiore del tubo, altre volte i cristalli si risciolgono.

Piccardi trovò diversi sistemi chimici sensibili alle condizioni ambientali e che rispondevano ad esempio alle variazioni stagionali; tra i più semplici individuò la precipitazione dell'ossicloruro di bismuto allo stato colloidale, ottenuta versando in acqua una soluzione acida di tricloruro di bismuto. Questa reazione fu impiegata per i suoi test chimici, atti a studiare i fenomeni ambientali fluttuanti.

La scienza generalmente si disinteressa delle correlazioni tra fenomeni ambientali ed esperimenti di laboratorio, in quanto il metodo scientifico tradizionale tende a definire un dominio cognitivo nel quale, tramite il controllo sperimentale di alcune variabili, sia possibile garantire la riproducibilità dei fenomeni posti nelle stesse condizioni, indipendentemente dal tempo nel quale vengono effettuati.

La termodinamica asserisce che solo lo stato di equilibrio può essere descritto tramite funzioni di stato. Altresì lontano dalle condizioni di equilibrio sappiamo che la funzione entropia varia sempre; questo è vero sia per un sistema isolato, dove l'entropia cresce fino al raggiungimento dell'equilibrio, sia per un sistema aperto a scambi di energia e/o materia, dove lontano dall'equilibrio, il valore dell'entropia può crescere o diminuire. La termodinamica classica considera solo sistemi isolati e processi reversibili rispetto al tempo, il che in pratica significa riferire i propri modelli ideali a processi infinitamente lenti; quindi questa è costretta a dimenticare ogni studio relativo alla storia evolutiva dei sistemi fisici che agiscono in condizioni lontane dall'equilibrio. In tal modo, sottolinea Piccardi, la storia evolutiva delle reazioni chimiche, durante il periodo di transizione tra vari stadi, non assume alcuna importanza scientifica.

Diversamente dai fenomeni presi in considerazione dalla termodinamica classica, i fenomeni fluttuanti sono naturalmente irreversibili a causa degli effetti "spaziali". Infatti è necessario considerare che la irreversibilità delle trasformazioni fisiche o chimiche può essere dovuta a fattori interni oppure esterni. Del primo tipo sono ad esempio l'attrito e la dispersione e degradazione dell'energia di un sistema, ma anche la reazione che si genera in opposizione agli spostamenti dell'equilibrio, quando si perturba un sistema in equilibrio stazionario (Principio di Le Chatelier).

I fenomeni fluttuanti implicano una irreversibilità del secondo tipo, poiché sono causati da fattori esterni ambientali e cosmici, che evidentemente non possono essere controllati in laboratorio e che non possono essere resi reversibili per mezzo del lavoro; ai fenomeni fluttuanti quindi non sono applicabili i criteri della termodinamica classica.

Piccardi pensò che per lo studio dei fenomeni fluttuanti era necessaria una metodologia di ricerca nuova ed anche differenti criteri di verificabilità scientifica. Egli dice: "Nel caso dei fenomeni fluttuanti, non potendo fissare le condizioni in cui si svolge un fenomeno, non possono considerarsi valide solo quelle esperienze che danno risultati costanti quando vengono effettuate nelle stesse condizioni. I fenomeni fluttuanti infatti non sono riproducibili a piacimento" e prosegue: "Il non poter riprodurre le condizioni in cui si svolge una esperienza ci pone il problema di registrare l'istante ed il periodo di tempo in cui l'esperimento si è svolto. Un'ora non è identica ad un'altra ora proprio perché i fenomeni sono fluttuanti. La data e l'ora caratterizzano una situazione fisica che cambia nel corso del tempo. Il tempo in chimica, biologia e fisica e forse in psicologia e sociologia non è soltanto una durata, ma una coordinata".

Secondo Piccardi il metodo capace di rendere indipendente l'osservazione dal particolare individuo a cui capita di farla, in modo da avere una verifica oggettiva, cioè non legata ad un certo osservatore, può essere ottenuto mediante un adatto sistema di indagine scientifica che egli iniziò ad applicare nei suoi studi, quello detto dei "test chimici". Nei test chimici si utilizza il metodo del confronto comparativo differenziale di sistemi in evoluzione che si trovino nelle stesse condizioni rispetto alle variabili classiche, temperatura, pressione ed umidità, ed indicando il tempo, data, ora e minuto, in modo che possano essere studiati statisticamente i fenomeni osservati, al fine di analizzare l'eventuale periodicità dell'andamento.

Certamente i test chimici corrispondono ad osservazioni di fenomeni non in equilibrio, cioè di eventi dinamici in atto, tipo la nucleazione e la flocculazione di un precipitato dentro una provetta. Piccardi distinse qualitativamente due tipi di precipitazione: quella di tipo "T" durante la quale si osserva formarsi rapidamente un precipitato a carattere fioccoso e quella di tipo "R" quando il precipitato si forma con un leggero ritardo ed ha carattere polverulento. Dice Piccardi: "Il test è dinamico, perché il conteggio dei "T" e degli "R" si effettua durante l'evoluzione del sistema e non quando questa è terminata e quindi non si notano più le differenze osservabili tra un precipitato e l'altro". Infatti mentre le misure quantitative possono essere fatte solo all'equilibrio, le osservazioni qualitative devono essere condotte su sistemi in evoluzione, con metodi opportunamente standardizzati e differenziati. Così nel caso della precipitazione di un prodotto chimico, la pesata di questo va effettuata quando la reazione è terminata ed il precipitato è sedimentato completamente, mentre le differenze nella dinamica del processo possono essere apprezzate soltanto mentre il sistema è in evoluzione, creando dei riferimenti differenziali che permettano un confronto.

Certamente le osservazioni qualitative, visibili nel processo dinamico, vengono ignorate dalla metodologia quantitativa, mentre sono le uniche che possono dare indicazioni utili per tentare di capire i fenomeni fluttuanti. A noi studenti Piccardi faceva questo esempio: "Se nevica, grandina o piove acqua gelata, per una misura quantitativa sono la stessa cosa, ma non è così per chi si preoccupa dei raccolti della terra; dare significato ai fenomeni osservati è un compito della scienza", e aggiungeva con la sua impeccabile sagacia tutta fiorentina, "ma ancora la scienza deve imparare a trattare con la qualità dei fenomeni osservati e comprendere che un sorriso non è uno dei tanti modi di mostrare i denti per contarli".

La descrizione degli eventi in termini qualitativi puri e semplici esce dal quadro cognitivo e metodologico della scienza accademica, perché l'osservazione qualitativa è fondata sulla rilevazione sensoriale diretta che, afferma Piccardi, non è sinonimo di imprecisione, perché la soggettività delle qualità osservate può essere adeguatamente eliminata per confronto. Certamente è noto che Galileo per primo considerò i fenomeni limitati all'osservazione sensoria come qualità secondarie e spesso trascurabili in quanto imperfette rispetto ad una impostazione scientifica; ma invero procedendo senza rivalutare l'osservazione diretta, la scienza moderna rischia di considerare eccezioni di poco conto fenomeni generali e ben visibili, solo perché non rientrano nella metodologia tradizionale di ricerca, od anche solo perché non sono associabili a nessuna precedente interpretazione scientifica.

Piccardi, nel corso delle sue lunghe ricerche, notò un fatto nuovo che riguardava l'acqua e scrive a tale proposito: "Un dielettrico polarizzato induce per semplice contatto nell'acqua ed in altri liquidi polari delle modificazioni di tipo non-elastico, nel senso che queste modificazioni persistono per un lungo tempo dopo che è cessato il contatto con il dielettrico". Considerando che il fenomeno osservato poteva essere importante, invece di scartare la "strana" osservazione la utilizzò nei suoi test per differenziare il sistema: chiamò quest'acqua modificata nelle proprietà acqua "attivata". Precedentemente il confronto avveniva osservando i processi di flocculazione sia in ambiente aperto sia entro una camera schermata da lastre di rame, che ha la proprietà di limitare gli influssi di tipo elettromagnetico presenti nello spazio. I test chimici si arricchirono così della possibilità di fare confronti tra batterie di esperimenti condotti sia con acqua "attivata" che "normale" ed anche con e senza schermo di rame.

Giorgio Piccardi si domandò spesso quale fosse la portata dei fenomeni fluttuanti, Si rammaricava del fatto che "una grande massa di ricercatori fisici, chimici e biologi non si poneva questa domanda" e scriveva: "...eppure dal punto di vista generale non si può ignorare l'esistenza di condizioni fisiche ambientali importanti, che non si possono né fissare in laboratorio, né dominare nella vita". Per essere capaci di inoltrarsi in campi poco esplorati dalla scienza egli fece presente, in alcune relazioni generali, che il problema non è soltanto di ordine scientifico, ma soprattutto di educazione scientifica; infatti ritenne che lo spirito di ricerca del nuovo doveva essere stimolato in un insegnamento della scienza che chiarendone i limiti, permetta sempre agli studenti di essere in condizioni di intendere ciò che non gli è stato, né poteva ancora essergli insegnato.

NOTA BIBLIOGRAFICA: Tutta la documentazione sulle ricerche di Giorgio Piccardi è reperibile presso la Biblioteca di Chimica dell'Università di Firenze.
 
 

Il precedente saggio è stato pubblicato per la prima volta in Atti del V Convegno Nazionale di Storia e Fondamenti della Chimica, Accademia Nazionale delle Scienze detta dei XL, Roma, 1994. http://www.filosofia.unibo.it/gnfsc/Perugia.htm .

N.d.R. - Le ricerche di Giorgio Piccardi, e soprattutto la "filosofia della scienza" che le ispiravano, sono state per quel che ci risulta generalmente trascurate dagli "epistemologi", con un'importante notevole eccezione. P.K. Feyerabend cita infatti lo scienziato italiano nel suo La scienza in una società libera (1978; I ed. it. Feltrinelli, Milano, 1981): "L'attività solare influisce sulla vita, come del resto si sa già da molto tempo. Quel che sorprende è la natura delicata di questa influenza. Variazioni nel potenziale elettrico degli alberi dipendono non solo dall'attività media del Sole ma anche da singole protuberanze e perciò di nuovo dalla posizione dei pianeti. Piccardi, in una serie di ricerche estese su un periodo di più di trent'anni, ha trovato variazioni nella frequenza di reazioni chimiche standardizzate che non potevano essere spiegate né dalla meteorologia né da condizioni di laboratorio. Egli e altri ricercatori sono inclini a credere che <<i fenomeni osservati siano connessi primariamente a mutamenti nella struttura dell'acqua usata negli esperimenti>>" (p. 143).
 
 

"Paolo Manzelli" <lre@unifi.it>

"Maria Grazia Costa" <md0623@mclink.it>