Qualche appunto sulla bottiglia di Leida

Rimaniamo in tema MOOC.

Per la fine del corso di storia delle scienze che ho seguito sulla piattaforma francese fun-mooc.fr, è stata richiesta una produzione scritta (peer-reviewed, come abbiamo già visto). L'argomento doveva essere incentrato su uno degli oggetti della collezione scientifica dell'Università di Montpellier, la stessa che organizzava il corso. Ho finito per orientarmi sulla bottiglia di Leida. Forse perché il suo aspetto un po' primitivo mi ricordava la batteria di Bagdad (un reperto di fantarcheologia che mi ha sempre affascinato), o forse per un'evidente affinità disciplinare. In ogni caso, la bottiglia di Leida non è fantarcheologia, e funziona veramente. Buona lettura.

Una bottiglia di Leida conservata presso l'Università di Montpellier, ovvero l'oggetto scelto per questa ricerca.
Questo esemplare particolare è incompleto, in quanto privo dell'asta metallica che dovrebbe emergere dal tappo.
Credits: Université de Montpellier

La bottiglia di Leida è giustamente considerata come l'antenata del condensatore: il suo primo scopo era già quello di accumulare cariche elettriche. L'esemplare conservato presso l'Università di Montpellier è stato fabbricato nella prima metà del XX secolo da un costruttore ignoto. Poiché si tratta già per quest'epoca di un oggetto obsoleto ai fini della ricerca scientifica, si può supporre che sia stato costruito per ragioni didattiche. Il suo utilizzo potrebbe essere stato svolto nei licei, o nella stessa università, nei corsi di laboratorio di fisica. In questo contesto, la bottiglia di Leida rimane un oggetto molto efficace per la realizzazione e la comprensione di esperimenti di elettrostatica.

Questo dispositivo consiste in una bottiglia di vetro (anche se un qualsiasi materiale isolante, che chiameremo d'ora in poi dielettrico, andrebbe bene) contenente al suo interno un conduttore: in questo caso si tratta di sottili fogli di metallo. La bottiglia è ricoperta da uno strato anch'esso conduttore, che identifichiamo dunque come materiale esterno. Questi due materiali conduttori non si toccano. L'esemplare di Montpellier non può funzionare così com'è, perché sprovvisto dell'asta di un materiale anch'esso conduttore, che è solitamente in contatto col conduttore interno e che emerge dal tappo che che sigilla la bottiglia. L'ipotesi secondo cui quest'oggetto sarebbe stato usato per scopi didattici trova supporto nel fatto che si trovano esemplari molto simili a questo nelle collezioni scientifiche del liceo Emile Zola di Rennes, del liceo Ampere di Lione, del liceo Charlemagne di Parigi, oppure dell'Ecole Polytechnique di Parigi-Saclay. Tutti risalgono verosimilmente alla prima metà del XX secolo.

La bottiglia di Leida deve il suo nome alla città dove fu inventata, nei Paesi Bassi, dallo scienziato Pieter van Musschenbroek nel 1745-1746 (ma indipendentemente anche in Germania dal chierico Ewald Georg von Kleist nel 1745). Il suo uso era dedicato allo studio sulla natura dell'elettricità, che all'epoca era considerata un fluido. La sua invenzione fu in qualche modo involontaria, perché la volontà dello sperimentatore era innanzitutto di "catturare" l'elettricità in un fluido come l'acqua, racchiuso in una bottiglia di vetro. L'acqua, essendo impura, diventava conduttore interno, mentre il conduttore esterno era semplicemente dato dalla mano dell'uomo che reggeva la bottiglia. La carica elettrica era fornita da un apparecchio come il generatore elettrostatico, e poi trasmessa grazie ad un'asta metallica in contatto con l'acqua. Fu a quel punto che lo scienziato toccò accidentalmente l'asta metallica con una mano (mantenendo sempre la bottiglia nell'altra mano). Ricevette una scossa, e fu una vera sorpresa. In realtà, non aveva fatto altro che chiudere il circuito elettrico che lui stesso aveva formato. Come lo avesse formato era ancora un mistero. Ciò nonostante, la capacità della bottiglia di Leida di accumulare una grande quantità di elettricità fu chiara fin da subito. Si ebbe immediatamente l'idea di collegare diverse bottiglie in parallelo, per aumentare questa capacità: questi nuovi dispositivi vennero chiamati "batterie", una denominazione che è giunta fino a noi. Ma come accennato, la comprensione di questi fenomeno non fu immediata.

Insieme a molti altri esperimenti di fisica nel XVIII secolo, la bottiglia di Leida faceva parte di quelle che venivano chiamate camere delle meraviglie, o Wunderkammer, sorta di antenati dei musei che godevano di grande successo nelle corti di tutta Europa. E nonostante il suo statuto di semplice curiosità, si fu in grado di determinare alcune leggi di dipendenza, come ad esempio il fatto che più il dielettrico era sottile, e più la sua superficie ampia, maggiore era la carica accumulabile con una data differenza di potenziale. Questo oggetto divenne presto un sinonimo di come fosse possibile accumulare elettricità. Dette infatti il nome alla prima unità di misura della capacità elettrica, il "jar" (vaso o recipiente in Inglese), che corrisponde a circa 1 nF nelle unità del Sistema Internazionale.

Si dovette attendere la prima metà del XIX secolo affinché uno studio sistematico delle proprietà della bottiglia di Leida fosse elaborato, grazie all'attività di Michael Faraday, per non citare che lui. Oggi sappiamo dunque che il modello di condensatore più semplice possibile consiste in due piatti paralleli fatti da materiali conduttori, e separati da uno strato di materiale dielettrico (come il vetro, l'aria, la carta, o persino il vuoto). Le cariche elettriche accumulate su un piatto (o nei foglietti di metallo), inducono un campo elettrico nel dielettrico, che a sua volta induce una carica di pari valore assoluto ma di segno opposto sul secondo piatto (o sulla mano che regge la bottiglia!). A quel punto, collegare con un filo elettrico i due piatti significa chiudere il circuito elettrico, ed equivale esattamente a toccare l'asta metallica con una mano! Le cariche sono quindi libere di scorrere per il circuito o, nel nostro caso, per lo sventurato individuo che esegue l'esperimento.

Al di là del vetro, molti altri dielettrici vennero studiati per la costruzione dei condensatori, come la porcellana, la carta e la mica (un minerale del gruppo dei filosilicati). La bottiglia di Leida rimase tuttavia il modello prediletto di condensatore fino ai primi del Novecento, quando l'invenzione del telegrafo senza fili e la necessità di lavorare a frequenze sempre più elevate richiese l'utilizzo di dispositivi con minore induttanza. I materiali elencati fin qui permisero la costruzione di condensatori più piccoli e più performanti. Le ricerche svolte durante la Seconda Guerra Mondiale introdussero poi dei materiali plastici, detti polimeri, ancora più sottili dei fogli di carta impiegati fino a quel momento.

Oggigiorno i condensatori sono presenti in tutti i dispositivi elettronici. Ne esistono di diversi tipi, in funzione della quantità di carica elettrica che si desidera accumulare. Esistono condensatori detti elettrolitici, aventi una grande capacità se confrontati ai condensatori in ceramica, ma molto piccola rispetto ai supercondensatori, utilizzati nelle auto elettriche o per avviare le locomotive. La forma del condensatore è dunque cambiata parecchio nel corso dei secoli, ma il suo principio di funzionamento, così come i suoi componenti fondamentali, rimangono gli stessi della bottiglia di Leida.

Per concludere, la bottiglia di Leida fu inventata per le ragioni "sbagliate", come supporto di un contesto teorico completamente falso. Tuttavia, oggi siamo circondati dalla sua presenza. In questo senso è un bellissimo esempio di come nasca il pensiero scientifico, e di come la Scienza sgomiti in continuazione tra le lacune della nostra conoscenza. Lo ribadì Henri Poincaré nel 1911, nell'introdurre il suo ultimo corso al Collège de France dedicato alle cosmogonie (dunque ai racconti sulle origini del cosmo):

"Il problema dell'origine del Mondo ha interpellato tutti gli uomini che pensano, in tutte le epoche; è impossibile contemplare lo spettacolo dell'universo senza chiedersi come si sia formato. Forse dovremmo attendere prima di cercare una soluzione, dopo aver pazientemente raccolto tutti gli elementi, per avere così qualche speranza seria di trovare questa soluzione. Ma se fossimo così ragionevoli, se fossimo curiosi senza impazienza, è assai probabile che non avremmo mai creato la Scienza e che ci saremmo accontentati di vivere modestamente la nostra vita. La nostra mente ha quindi preteso questa soluzione in modo imperativo, molto che prima che quest'ultima fosse matura, quando non era fatta che di vaghi barlumi, e che le consentiva di essere indovinata, più che di essere raggiunta."

Due parole sui MOOC

E' ormai qualche anno che frequento con costanza variabile i MOOC. Nonostante il suo suono barbaro, la parola MOOC (si pronuncia muk) non è che un acronimo che sta per "Massive open online course". Dire MOOC mi fa pensare ogni volta ad un equivalente didattico dei MMORPG (Massively Multiplayer Online Role-Playing Game), altro acronimo che si usa con quei giochi tipo World of Warcraft, che acquistano il loro vero senso quando vengono giocati in collaborazione o in competizione con altri giocatori (che in un MMORPG di successo sono tipicamente dell'ordine delle migliaia).

I MOOC sono quindi corsi online, il più delle volte organizzati dal personale accademico di un'università. Questa forma di insegnamento prevede, oltre alla parte di apprendimento frontale (con video in diretta o in differita), anche l'interazione tra studenti sparsi per il mondo, tramite forum di discussione o valutazione tra pari di compiti assegnati dagli istruttori (cosiddetti "peer-reviewed"). Uno dei siti più popolari ospitanti MOOC, e con il quale ho un po' più di confidenza, è Coursera.org. Visitandone il sito ci si può accorgere come la varietà di argomenti proposti sia decisamente vasta, e la competenza e la dedizione degli insegnanti ammirevole. Dal momento che i MOOC si sono imposti nel contesto anglosassone, la lingua dominante è l'Inglese, anche se le cose stanno cambiando.

I punti a favore dell'organizzazione dei MOOC sono secondo me i seguenti:

• Innanzitutto sono gratuiti. E' vero che alcuni di loro propongono una certificazione ufficiale a pagamento al termine del superamento dell'esame finale, ma la frequentazione resta totalmente libera.
• E' possibile seguirli con grande facilità dal computer di casa, dedicandoci anche solo poche ore settimanali.
• Richiedono raramente un impegno più intenso, come il dover affrontare la lettura di un libro di testo.
• Vi è infine la democraticità di questo tipo di iniziativa, e l'estrema positività portata dall'apertura del mondo universitario nei confronti del grande pubblico.

Ci sono però aspetti criticabili nell'organizzazione dei MOOC, a cominciare dal metodo di valutazione nei test settimanali o finali. Esso si basa spesso e volentieri sulle classiche risposte a crocette, e più ci penso, e più rappresentano per me motivo di frustrazione. E' una modalità molto efficace nelle scienze naturali, o nelle scienze esatte, ma come è possibile anche solo pensare che le crocette non siano una fonte perenne di conflitti nelle scienze umane, nella storia o nella filosofia? Come si può ridurre ad una singola frase dibattiti complessi? Riporto un esempio che mi è capitato di recente:

• Per Aristotele esistono due tipi di moto (più risposte possibili):
• costretto e violento
• costretto e naturale
• verticale (verso il basso e verso l'alto) e violento
• circolare uniforme e naturale

Le risposte considerate corrette e che ho messo in grassetto sono la seconda e la terza: secondo Aristotele gli oggetti si muovono verso il basso o verso l'alto, a seconda del loro luogo naturale (il fumo sale per unirsi all'aria, il sasso cade per raggiungere la Terra, ecc.); scagliare una freccia, ad esempio in direzione orizzontale, richiede invece una "costrizione" o un'azione violenta. Quando l'azione cessa, cessa anche il moto. E alla luce di questa brevissima spiegazione, la correttezza delle risposte evidenziate sembra ovvia. Tuttavia, non si tratta assolutamente degli uniche possibilità di moto secondo Aristotele! L'intero mondo sopralunare, dominato dalla quintessenza o etere, si muove di moto circolare uniforme! Per essere chiara, la domanda avrebbe dovuto come minimo contenere un riferimento al mondo corruttibile sublunare, perché così formulata implicherebbe che la terza risposta sia falsa, lasciando solo la seconda come esatta. Rispondere con successo ad una domanda a crocette implica doversi mettere nei panni dell'autore della domanda, ed essere spesso costretti a caricare quest'ultima di una interpretazione sottintesa, fortissima e arbitraria.

Un limite ulteriore è che certi corsi prevedono che una frazione del voto finale sia vincolata alla partecipazione al forum di discussione. Si tratta di un'iniziativa lodevole, ma che risulta penalizzante per chi frequenta il MOOC nei ritagli di tempo. E basta dare un'occhiata ai forum per capire che sono popolati da utenti con molto tempo libero a disposizione.

Infine, il limite che reputo più grave, e su due piedi difficilmente superabile, è quello legato al metodo del peer-review. Nel mondo accademico, la pubblicazione di un articolo scientifico deve passare attraverso questa fase obbligatoria, ovvero il giudizio della produzione scientifica da parte dei propri pari (colleghi solitamente anonimi). E' una tappa necessaria per garantire il livello qualitativo di una rivista scientifica, e che fa parte integrante del metodo scientifico nella sua accezione contemporanea. A mio avviso però, questo non può funzionare tra gli studenti di uno stesso corso: che genere di insegnamento e di giudizio può portare una persona qualsiasi circa un mio tema incentrato sullo Scambio colombiano? Che consigli o referenze può darmi per migliorare le mie conoscenze o il mio approccio? Come può riconoscere la validità di informazioni che vanno oltre lo stretto contenuto del corso? Ciò che rimprovero è quindi il mascherare sotto il nome suggestivo e carico di significato di "peer-review" un compromesso necessariamente al ribasso, dovuta all'impossibilità materiale dell'istruttore di rileggere le migliaia di pagine di risposte complessive, scritte dai suoi studenti telematici.

Detto questo, pur con i loro limiti i MOOC sono una delle espressioni migliori della libertà portata da Internet negli ultimi anni. La facilità con cui è ora possibile entrare in contatto diretto con un professore di Princeton ed acquisire le basi di argomenti lontani dal proprio curriculum era inimmaginabile anche solo pochi anni fa. E' un arricchimento (ed un divertimento) che consiglio a tutti.