Robert Boyle: il pioniere della scienza sperimentale

Robert Boyle, noto per la sua famosa Legge dei gas ideali per la quale, a temperatura costante, il volume e la pressione di un gas sono grandezza inversamente proporzionali, nacque in Irlanda nel 1627 da una famiglia molto benestante.

Come molti grandi uomini di cultura del XVII, del XVIII e del XIX, Robert Boyle non fu solo una delle figure più prolifiche della rivoluzione scientifica e il principale scienziato del suo tempo, ma fu anche un fautore della filosofia della natura, conosciuta in latino come philosophia naturalis, che consiste nella riflessione filosofica applicata allo studio della natura.

In un periodo storico in cui queste idee apparvero rivoluzionarie, Robert Boyle fu un sostenitore della scienza sperimentale, ritenendo che la teoria dovrebbe conformarsi all’osservazione e sostenendo la pubblicazione dei risultati sperimentali, la replica degli esperimenti per una conferma empirica e l’importanza di registrare anche gli esperimenti falliti.

Robert Boyle e la pompa ad aria

Fino al XVII secolo l’aria era una sostanza invisibile che non poteva essere studiata o spiegata, e fu fondamentale il contributo di Robert Boyle nella sua comprensione. Gli esperimenti con le pompe ad aria di Robert Boyle nel 1659 provocarono un vivace dibattito sulla possibilità del vuoto.

pompa ad aria

La pompa ad aria, un dispositivo complicato e costoso, divenne l’emblema della nuova scienza sperimentale promossa dalla Royal Society alla cui fondazione contribuì lo stesso Boyle. Tuttavia, il filosofo Thomas Hobbes mise in discussione sia la validità dell’esperimento di Boyle sia i fondamenti filosofici di questo nuovo approccio alla scienza.

La pompa a vuoto di Boyle descritta in New Experiments Physico-Mechanical, Touching the Spring of the Air, and Its Effects pubblicato nel 1660 a cui contribuì Robert Hooke, era costituita da una sfera di vetro del diametro di 38 cm con un’apertura in alto e da un cilindro pompante in ottone collegato ad essa. Gli oggetti utilizzati negli esperimenti potevano essere trasferiti nella sfera attraverso l’apertura e successivamente sigillati.

Il processo di pompaggio dell’aria era controllato dalla valvola che collegava la pompa alla sfera e da un piccolo tappo di ottone sulla pompa. Utilizzando questa pompa Robert Boyle descrisse 43 esperimenti di fisica, chimica e biologia, tra cui quello della combustione, scoprendo che l’aria era necessaria affinché avvenisse la combustione.

La legge dei gas

I gas sono caratterizzati da pressione, volume e temperatura, grandezze difficili da correlare: bisognerà giungere, infatti, al 1834 quando Benoît Paul Émile Clapeyron formulò l’equazione di stato dei gas ideali come una combinazione della legge di Boyle, della legge di Charles, della legge di Avogadro e della legge di Gay-Lussac.

Per la formulazione della legge che porta il suo nome, Robert Boyle si avvalse di un tubo a J sigillato da un lato e aperto nell’altro. Aggiungendo mercurio all’estremità aperta del tubo, veniva intrappolato un piccolo volume d’aria nell’estremità sigillata.

tubo a J

Boyle studiò cosa accadeva al volume del gas nell’estremità sigillata del tubo mentre aggiungeva mercurio all’estremità aperta. Riportò i dati sperimentali relativi a volume, differenza tra l’altezza del mercurio nei bracci sigillati e aperti del tubo a J, approssimata a ± 1/16 di pollice e il prodotto del volume del gas per la pressione.

Boyle notò che il prodotto della pressione per il volume per qualsiasi misurazione in questa tabella era uguale al prodotto della pressione per il volume per qualsiasi altra misurazione, entro l’errore sperimentale e, pertanto, a temperatura costante: pV = costante, ovvero p₁V₁ = p₂V₂.

Il chimico scettico

Nel 1661 fu pubblicato il libro di Robert Boyle dal titolo The Skeptical Chymist: or Chymico-Physical Doubts & Paradoxes, in cui vengono presentate le ipotesi di Boyle sulla materia.

Fino al 1500 la composizione e i mutamenti della materia erano spiegati sulla base della dottrina dei quattro elementi di Aristotele: acqua, aria, terra e fuoco. Paracelso, per la prima volta, aggiunse ad essa una teoria che contemplava tre nuovi principi della materia, ovvero sale, zolfo e mercurio, contrassegnata dalla presenza di spiriti della natura responsabili delle sue trasformazioni e cambiamenti.

Boyle

Boyle si oppose alle definizioni di corpi elementari proposte da Aristotele e da Paracelso, definendo invece gli elementi come “corpi perfettamente non mescolati”, ritenendo che la materia consistesse di corpuscoli e ammassi di corpuscoli in movimento e che ogni fenomeno fosse il risultato di collisioni di particelle in movimento.

Sebbene fortemente critico nei confronti di alcuni alchimisti, Boyle non era contrario all’alchimia, antico campo di studi, ritenendo che gli esperimenti chimici alla ricerca di un modo per trasformare i metalli vili in oro utilizzando un dispositivo catalizzatore chiamato pietra filosofale spesso avevano valore di per sé come gli esercizi di chimica investigativa.

Tuttavia appare sorprendente che una mente come quella di Robert Boyle fosse incline a credere nella trasmutazione dei materiali in entrambe le direzioni, ovvero da vile a oro e da oro a metalli vili, e descrive addirittura come la pietra filosofale, se trovata, potrebbe essere usata per attirare angeli e spiriti.

Boyle, tuttavia, era completamente contrario alla segretezza degli alchimisti, che corrispondevano tra loro in codice e non condividevano le loro scoperte chimiche con nessun altro. Questa era una differenza cruciale con il nuovo metodo scientifico, che dava priorità alla chiara condivisione delle informazioni e al fatto che fossero sottoposte ad analisi critiche e test comparativi.

Il colore

Nell’opera di Robert Boyle del 1664, Experiments and Considerations Touching Colours, vi sono esperimenti e osservazioni che “indagano seriamente sulla natura dei colori e aiutano nella sua indagine”. All’epoca non era nota la teoria del colore che, sebbene affondasse le sue radici nell’antichità, fu studiata dal chimico francese Michel Eugène Chevreul nel 1839 e perfezionata nel XX secolo.

Senza una tale teoria, Boyle si imbatté nel problema di sapere quando e in che misura il colore fosse correlato a importanti proprietà interiori dei materiali, o addirittura quando il colore è importante nelle osservazioni e negli esperimenti. Il suo lavoro sul colore è anteriore a quello di Isaac Newton e sembra essere uno dei primi teorici del colore a distinguere tra colore additivo e colore sottrattivo. Inoltre, stabilì i cinque colori dalla luce rifratta, ovvero viola, blu, verde, giallo e rosso, e identificò anche che tutte le tonalità insieme creavano il bianco.

Nei suoi testi, Robert Boyle introduceva il lettore a un prototipo della cartina di tornasole, ovvero il test per determinare se una sostanza è acida, alcalina o neutra. Il test di Boyle osservava cambiamenti di colore quando un campione specifico veniva immerso in quello che lui chiamava “sciroppo di violette” su carta bianca.