Nella storia della fisica con il nome di fisica classica si raggruppano tutti gli ambiti e i modelli della fisica che non considerano i fenomeni descritti nel macrocosmo dalla relatività generale e nel microcosmo dalla meccanica quantistica, teorie che definiscono invece la cosiddetta fisica moderna.

Per tale motivo è possibile classificare come fisica classica tutte le teorie formulate prima del XX secolo, all'iniziare del quale apparvero i primi lavori di Max Planck basati sull'ipotesi dei quanti. Alcune teorie successive, come la relatività ristrettaLa relatività ristretta (pubblicata nel 1905) viene generalmente inclusa nella fisica classica, si veda, per esempio, ., possono essere considerate classiche o moderne. Sono quindi comprese nella fisica classica le teorie sulla meccanica, inclusa l'acustica, sulla termodinamica, sull'elettromagnetismo, inclusa l'ottica, e la gravità newtoniana.

Nel XVII secolo fu sviluppato il metodo scientifico e si aprì una fase di indagine approfondita della natura condotta da celebri scienziati come Galileo Galilei, Isaac Newton e Gottfried Wilhelm von Leibniz. Gli studi si concentrarono sul moto dei corpi e le sue cause, con particolare riguardo verso la meccanica celeste, segnata dal confronto fra la teoria geocentrica e quella eliocentrica. L'attenzione della fisica nei due secoli successivi si estese all'elettrostatica e al magnetismo, alla termodinamica e infine all'elettrodinamica.

L'elettrodinamica classica rappresentò la prima unificazione di teorie che descrivono fenomeni differenti, come l'elettricità, il magnetismo e la luce, in un'unica sintesi matematica formulata da James Clerk Maxwell. Fu tuttavia proprio grazie allo studio delle equazioni di Maxwell che la fisica classica entrò in crisi. Alcuni fenomeni fisici che occorrono a scala microscopica e macroscopica come lo studio della forma dello spettro di corpo nero, il fallimento della teoria dell'etere luminifero e la scoperta di fenomeni come l'effetto fotoelettrico, il moto browniano, il modello dell'atomo di idrogeno, la diffrazione di Bragg, la non invarianza in forma delle equazioni di Maxwell rispetto alle trasformazioni di Galileo, la precessione del perielio dell'orbita di Mercurio ecc., generarono una serie di contraddizioni che in breve tempo misero in crisi il complesso apparato della fisica classica, aprendo la strada alla relatività speciale e alla meccanica quantistica e a tutta la fisica moderna del XX secolo.

Il progressivo sviluppo della matematica fu stimolato dalla fisica e rese possibile la nascita di nuove teorie che necessitavano di nuovi strumenti, come il calcolo differenziale, per poter essere formalizzate. Infatti la storia della matematica è intrecciata con quella della fisica classica, ed è proprio con lo sviluppo di quest'ultima che la scienza iniziò a servirsi di formule matematiche per rappresentare e sintetizzare le teorie sul comportamento della natura.

Storia

La storia della fisica classica coincide con la storia della fisica fino all'inizio del XX secolo, e si intreccia con la storia di tutte le altre scienze. La nascita della fisica classica non è databile, in quanto i primi elementi di questa scienza compaiono già nell'antichità, ancora prima della nascita del pensiero filosofico greco. Infatti, nell'ambito delle osservazioni astronomiche, alcune popolazioni presenti nella mezzaluna fertile e nell'Europa preistorica avevano condotto le prime osservazioni sull'orbita dei pianeti del sistema solare, del sole e della luna. Nell'antica Cina e nell'antica Grecia furono sviluppati anche strumenti in grado di calcolare gli eventi astronomici significativi del futuro, come le eclissi solari. L'insieme di queste conoscenze può essere a ragione considerato una versione primordiale di alcune delle conoscenze della meccanica celeste.

In epoca successiva, sempre nella Grecia antica e nel mondo ellenistico e romano (scienza greco-romana), si svilupparono i primi rudimenti dell'idrostatica e dell'idrodinamica, grazie agli studi di Archimede, con le loro applicazioni idrauliche; si ebbe un interesse per la termologia, con la costruzione delle prime macchine termodinamiche; iniziarono i primi studi di ottica geometrica, meccanica e le prime speculazioni sull'esistenza dell'atomo. Nell'ambito della meccanica celeste furono poi sviluppati il sistema tolemaico e il sistema aristotelico che, sfruttando la geometria euclidea, descrivevano le orbite del moto dei pianeti. La scienza classica era di carattere speculativo e intrecciata alle teorie filosofiche dell'epoca, come l'atomismo. La conoscenza e la descrizione della natura in ambito classico era quindi puramente qualitativa. L'universo era diviso nel mondo sopralunare, dove i moti sono circolari e senza fine, e nel mondo sublunare, dove i moti necessariamente hanno una fine e hanno una causa violenta che comporta l'allontanamento e il successivo ritorno al luogo naturale dei quattro elementi fondamentali, terra, acqua, aria e fuoco.

Nel periodo medioevale fu grande il contributo scientifico che seppero dare i matematici, gli astronomi e gli ingegneri del califfato, grazie al periodo di relativo benessere e all'apertura delle rotte commerciali con le popolazioni dell'estremo oriente. Si ebbe l'adozione del sistema posizionale per la rappresentazione dei numeri e la sostituzione del complesso sistema numerico romano con quello basato sulle cifre arabe avvenne anche in Europa. Nel frattempo venivano fondate le prime università e nel continente si affermava il principio dell'auctoritas, per cui le affermazioni fatte dai filosofi greci, come da Aristotele in campo fisico, venivano assunte come vere solo basandosi sul prestigio dell'autoreNel Dialogo sui massimi sistemi, Simplicio, strenuo difensore della dottrina aristotelica, afferma:

Salviati, sostenitore del metodo scientifico, risponde:.

Fu solo dopo la nascita del metodo scientifico, con l'importante contributo di Galileo Galilei, e con la comprensione che la scienza debba confrontarsi con l'esperimento che iniziò lo sviluppo della scienza per come la conosciamo oggi, e la progressiva ramificazione delle conoscenze in settori diversi, mano a mano che la mole di dati e fenomeni studiati aumentava. Dopo i lavori di Galilei in ambito meccanico, astronomico e ottico, la deduzione delle tre leggi di Keplero, lo sviluppo della meccanica e delle sue applicazioni, l'introduzione del formalismo matematico come linguaggio di lavoro comune per i fisici, e soprattutto grazie all'opera di Isaac Newton, si realizzò una sistematizzazione del sapere scientifico nei Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Sempre allo stesso autore dobbiamo, oltre ai principi della dinamica, la scoperta, assieme a Leibniz, dell'applicazione alla fisica del calcolo infinitesimale e del calcolo integrale. Questi sviluppi portarono alla nascita della fisica matematica.

La legge della gravitazione universale dedotta dallo scienziato inglese ha rappresentato uno dei capisaldi della fisica classica: qualsiasi fenomeno astronomico riscontrato fino al XIX secolo poteva essere spiegato da questa teoria. A Newton si deve anche la riduzione della teoria dell'ottica (ambito in cui nel frattempo si era scoperta la diffrazione) all'azione della gravità su ipotetiche particelle - i fotoni - di cui si pensava fosse composta la luce, e la creazione della cosiddetta teoria corpuscolare della luce, in contrapposizione alla teoria ondulatoria proposta da Christiaan Huygens.

Successivamente si sviluppò anche la teoria della termologia, e in particolare la termodinamica, che ricevette grande impulso dalle esigenze della rivoluzione industriale. L'esperimento cruciale per questa disciplina è stata la dimostrazione realizzata nel 1798 da Benjamin Thompson che il lavoro meccanico può essere convertito in calore, che all'epoca era considerato una sostanza detta calorico. Fu poi Joule a dimostrare l'equivalenza fra lavoro e calore, mentre Sadi Carnot sviluppò le teorie sulle macchine termodinamiche. L'intero apparato della teoria fu infine quindi ricondotto a concetti meccanici grazie allo sviluppo della teoria cinetica dei gas e alla prova della corrispondenza fra termodinamica e meccanica statistica.

Nel XIX secolo, alcune irregolarità nel moto di Urano furono spiegate prevedendo l'esistenza di un altro pianeta di grosse dimensioni, Nettuno. Anche la precessione del perielio dell'orbita di Mercurio si discostava da quanto predetto dalla gravitazione, ma a questo problema non fu trovata soluzione.

Fino ad allora tutte le scienze erano state ricondotte ad avere sostanzialmente una base meccanica, tanto che questa era ormai considerata la base di qualsiasi tipo di esperienza fisica, e aveva dato origine a una corrente di pensiero chiamata meccanicismo, che ne postulava l'applicabilità in ogni ambito. Scrive Einstein a questo proposito:.

Tuttavia, sempre a partire dal XIX secolo iniziarono gli studi sperimentali sui fenomeni elettrici e magnetici, che proseguirono di pari passo con la creazione di accumulatori come le bottiglie di Leida, risalenti al 1746, e generatori come la pila di Volta, sviluppata intorno al 1800. Con l'esperimento di Ørsted (1820) si scoprì che correnti elettriche generano campi magnetici, e successivamente il teorema di equivalenza di Ampère stabilì che un dipolo magnetico è equivalente a una spira percorsa da corrente elettrica, e ciò si può interpretare asserendo che il campo magnetico viene generato da correnti elettriche. Sin dall'esperimento di Ørsted si sapeva che elettricità e magnetismo erano correlati, ma non se conoscevano i meccanismi; nel 1873 James Clerk Maxwell sintetizzò le leggi dell'elettrodinamica nelle equazioni di Maxwell, che portano il suo nome, creando una teoria unitaria dell'elettricità e del magnetismo. L'aspetto cruciale delle nuove equazioni fu la scoperta teorica dell'esistenza della radiazione elettromagnetica, scoperta confermata sperimentalmente da Heinrich Rudolf Hertz nel 1887.

La comunità fisica cercò di spiegare anche l'elettromagnetismo nell'insieme dei principi della meccanica classica. Fu sviluppata appositamente una teoria che faceva ricorso a una sostanza inventata ad hoc, chiamata etere, per tentare di descrivere la propagazione della luce come fenomeno meccanico. Sempre Einstein scrive:.

Fu proprio la teoria dell'elettromagnetismo a determinare la fine del meccanicismo e della fisica classica. Per tentare di rendere compatibili le equazioni di Maxwell con le leggi della meccanica furono introdotte le trasformazioni di Lorentz. Ma in breve tempo ci si accorse che la meccanica andava modificata nelle sue basi più intime e di principio, ovvero nei concetti di spazio e tempo. Così facendo Albert Einstein fece nascere la relatività ristretta, che è l'ultima teoria che alcuni autori considerano classica.

Fra i problemi irrisolvibili dalla fisica classica, oltre alla precessione di Mercurio, vi erano poi la necessità di trovare l'origine dell'effetto fotoelettrico, ovvero la capacità della luce di indurre una corrente in un conduttore, o la forma dello spettro di corpo nero, ovvero la forma che assume l'intensità della radiazione emessa da un corpo nero in funzione dell'energia. Fu solo grazie rispettivamente alla teoria della relatività generale e alla nascita della meccanica quantistica, le cui basi erano già state poste nel 1900, che questi fenomeni trovarono una spiegazione in una teoria fisica generale e coerente, che superasse le prime teorie semiclassiche. Iniziò così quella che viene definita la fisica moderna.

Principi I concetti di spazio e tempo assoluti e di determinismo furono oggetto di un lungo dibattito, fino a quando evidenze sperimentali determinarono il superamento della fisica classica come teoria capace di spiegare qualsiasi fenomeno naturale. Entrambi i concetti rivestirono un ruolo cardine prima nel guidare lo sviluppo e in seguito nel determinare la caduta delle teorie che vi si basavano.