John James Waterston: uno scienziato ignorato dai suoi contemporanei

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Rinaldo Cervellati

Il mondo delle verità fisiche, come di quelle matematiche, è chiuso come una sfera. Ogni nuova visione, se è profonda, è una fuga da questa specie di prigione. Si possono avere resistenze a fuggire, oppure non se ne può vedere proprio la ragione. (dal film “Morte di un matematico napoletano” di Mario Martone, 1992)

Il mio post sul modello di gas ideale aveva lo scopo principale di mostrare che l’immaginazione fa parte dell’abito mentale di tutti gli scienziati, non solo dei matematici come sembra sostenere qualcuno. Inevitabilmente ciò ha comportato un breve excursus sulla teoria cinetica classica dei gas, durante il quale ho notato che prima di Krönig e Clausius, uno scienziato scozzese poco noto, John James Waterston, aveva praticamente elaborato la stessa teoria rimanendo tuttavia ignorato dai suoi contemporanei. Mi sembra quindi opportuno ricordarne brevemente qui la vita e l’opera. Infatti, se da un lato è fuor di dubbio che si deve a Clausius l’aver stabilito che la teoria cinetica costituisce un ponte fra la teoria atomico-molecolare e la termodinamica [1], dall’altro né lui né Krönig fanno menzione del lavoro di John James Waterston, che circa un decennio prima era arrivato alla conclusione che la pressione di un gas è funzione del numero, della massa e della velocità quadratica media delle particelle che compongono il gas. Waterston giunse a questo risultato immaginando appunto il gas costituito da molecole infinitesime elastiche in continuo movimento, collidenti fra loro e con le pareti del recipiente[1].

John James Waterston, Scottish physicist

John James Waterston

Waterston propose dapprima la sua teoria nel 1843 in un libro dal titolo Thoughts on the Mental Functions (Oliver & Boyd Eds.) in cui tentava di applicare la teoria cinetica a funzioni biologiche e fisiologiche. Anche a causa del titolo fuorviante il libro presumibilmente non fu letto dai fisici e nessuno venne a conoscenza che conteneva i principi di base e alcune conseguenze della teoria cinetica sui gas. Il libro contiene anche una discussione sulla costituzione dell’atmosfera terrestre e il calcolo della velocità media delle molecole dell’aria a 60°C (2282 feet/s ≈ 2500 km/h) confrontata con quella del suono (1237 km/h), circa la metà in accordo con la stima di Waterston.[1]

rudolf-clausius

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Nel dicembre 1845 Waterston inviò una dettagliata memoria intitolata “On the physics of media that are composed of free and elastic molecules in a state of motion” alla Royal Society, che però si rifiutò di pubblicarla nei suoi Proceedings. Il manoscritto rimase dunque negli archivi della Royal Society e restò sconosciuto, anche perché presumibilmente a Waterston fu proibito di pubblicarlo in qualche altra rivista. Un riassunto apparve però nel 1846 nei Proceedings of the Royal Society e, successivamente nel 1851 apparve un altro riassunto nei Reports of the British Association che conteneva, fra l’altro, un primo enunciato del teorema di equipartizione dell’energia. Waterston cercò di far circolare un riassunto di dodici pagine della comunicazione del 1845 stampandolo privatamente, ma con scarso successo [1]. G. Brush riporta di aver trovato una sola citazione a Waterston in una review sulle teorie del calore pubblicata da Helmholtz nel 1855. La citazione fa riferimento a un articolo di Waterston del 1852 (“On a general law of density in saturated vapours”, Phil. Trans. 1852[2]) contenente note sulla teoria cinetica senza però entrare nei dettagli. A quei tempi i ricercatori pubblicavano i loro risultati e le loro teorie su giornali quali il Philosophical Magazine perché le Società Scientifiche come la Royal Society rifiutavano di pubblicare opere di autori privi di consolidata reputazione o ipotesi che mettevano in discussione le teorie stabilite, ciò che accadde appunto con il lavoro di Waterston[3]. Secondo l’opinione di John S. Haldane[4], “è probabile che nella sua lunga e onorevole vita, la Royal Society abbia commesso l’errore più disastroso rifiutando di pubblicare i lavori di Waterston, con le conseguenze che ciò ha avuto nel ritardare i progressi della scienza e offuscando la reputazione della scienza britannica” [2]

Ma chi fu John James Waterston? Nato a Edimburgo nel 1811, sesto di nove fratelli in una famiglia dai molteplici interessi culturali, ricevette l’educazione secondaria alla Edinburgh High School. Successivamente John James fu apprendista ingegnere sotto la direzione di Grainger & Miller ingegneri civili, frequentando nel contempo le lezioni universitarie di matematica e fisica di Sir John Leslie. Frequentò anche lezioni di chimica, anatomia e chirurgia. Il giovane John James si interessò al problema dell’interpretazione della gravità senza ricorrere all’”azione a distanza”. A 19 anni pubblicò un articolo in cui discusse le proprietà di un sistema costituito da particelle cilindriche collidenti, concludendo che esse potrebbero generare una forza gravitazionale. Alcune idee contenute in questo articolo furono poi utilizzate per sviluppare la sua teoria cinetica.

A 21 anni si recò a Londra dove trovò impiego come disegnatore e supervisore della rete ferroviaria che si stava rapidamente sviluppando in Inghilterra. Entrò a far parte dell’Istituzione degli Ingegneri Civili. Ottenne quindi un posto al Dipartimento di Idrografia dell’Ammiragliato, il cui direttore era il capitano (poi ammiraglio) Francis Beaufort[5] che più avanti comunicherà la memoria di Waterston sulla teoria cinetica alla Royal Society. Nel 1839, su suggerimento di Beaufort fece domanda e ottenne il posto di istruttore navale dei cadetti della East India Company, a Bombay. Waterston trovò questo incarico soddisfacente perché l’insegnamento di aspetti teorici della navigazione e dell’artiglieria nautica gli lasciavano tempo libero e l’accesso a libri e giornali nella biblioteca del Great College di Bombay. Fu durante il soggiorno in India che scrisse il libro pubblicato anonimo nel 1843 e diversi articoli scientifici (fra cui quello del 1845).

tn-beaufort

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E’ comunque abbastanza strano che fra il 1856 e il 1860, periodo in cui Krönig, Clausius e Maxwell pubblicarono i loro fondamentali articoli sulla teoria cinetica, nessuno si sia accorto dei lavori di Waterston, neppure di quelli comparsi su Phil. Mag., nel 1858 sulla teoria del suono e nel 1861 riguardo una legge sull’espansione dei liquidi, specialmente tenendo conto che Waterston era vivente e pubblicava articoli che facevano riferimento alla sua teoria. Secondo l’opinione di Haldane: “Nel caso di un uomo di indole meno riservata e più combattiva di Waterston, l’errore dei revisori della Royal Society avrebbe avuto più importanza, ma in quel momento Waterston era lontano, in India, realizzò il significato del rifiuto ma era profondamente immerso nello studio della chimica fisica dei liquidi, e non aveva né l’inclinazione né il tempo per una polemica sul suo lavoro sui gas. Quando però fu rifiutato anche il suo articolo sulle densità di vapore, sembra si sia abbandonato alla disperazione”. [2]

john_scott_haldane_1910

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Nel 1857 Waterston lasciò l’impiego in India e ritornò in Scozia, iniziando uno studio sperimentale sui liquidi che ebbe successo, una serie di suoi articoli furono pubblicati su Philosophical Magazine, l’ultimo dei quali apparve nel 1868. Apparentemente non ebbe contatti con gli scienziati che nel frattempo avevano rivalutato il suo contributo alla teoria cinetica, ad esempio Lord Kelvin (1824-1907) e James Clerk Maxwell (1831-1879).

Per il suo lavoro in India si trovò ad aver che fare con l’astronomia, il suo primo lavoro a carattere astronomico apparve nel 1842. Un suo articolo intitolato “Thoughts on the formation of the tail of a comet” venne pubblicato dalla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society nel 1859. Questo articolo ha una certa importanza perché, assumendo lo spessore di una molecola 1/200milionesimo di pollice (circa 10−8 cm ≈ 1 A), calcolò l’accelerazione che dovrebbe essere impartita a una molecola nell’ipotesi di completa trasformazione del calore in energia meccanica. L’ipotesi è errata, come riconosce anche Waterston nell’articolo, ma fornisce un valore di 800 miglia al secondo quadrato che almeno suggerisce l’ordine di grandezza.

Nel 1878 Waterston inviò altri due articoli alla rivista della Società Astronomica, entrambi gli furono rifiutati, a causa di ciò egli si dimise dalla Società di cui era stato membro fin dal 1852, continuando però a occuparsi di astronomia.

John James Waterston uscì dalla sua casa di Edimburgo la sera del 18 giugno 1883 e annegò in un canale vicino, forse cadendo nel canale a causa di stress da calore per le sue attività di osservazione astronomica.

La riscoperta e rivalutazione del lavoro di Waterston si deve soprattutto a Lord Rayleigh[6] che nel 1891 ebbe modo di leggere un articolo sulla teoria del suono, scritto da un autore sconosciuto, John Waterston, pubblicato nel 1858 su Phil. Mag. In questo articolo Waterston criticava le teorie del suono da Newton a Laplace poiché “incoerenti con le attuali idee sul calore e i gas di Clausius”[7]. Nell’articolo scriveva anche che “Negli Archivi 1845-46 della Royal Society si trova un manoscritto On the physics of media…che contiene la motivazione sintetica su cui poggia la dimostrazione di questi argomenti.”

Lord Rayleigh recuperò il manoscritto di Waterston dagli Archivi e si rese conto che conteneva uno sviluppo pressochè completo della teoria cinetica del gas ideale e delle sue conseguenze, compresa la trattazione dei calori specifici e forniva il primo enunciato del teorema di equipartizione dell’energia fra molecole diverse in equilibrio termico. La legge di Avogadro sui volumi ne seguiva consequenzialmente, così come pure quella di Graham sulla diffusione. Rayleigh ne fu talmente impressionato che lo fece stampare nelle Philosophical Transactions del 1892 [3].

waterstonpaperPer quanto ci riguarda più da vicino, Lord Rayleigh dice:

“Una gran parte dell’articolo [di Waterston] si occupa di chimica, e dimostra che anche le sue opinioni su questo argomento sono state molto in anticipo rispetto a quelle generalmente accettate all’epoca.”[3, Introduzione][8]

A sostegno di questa affermazione Rayleigh riporta una lunga lettera del Prof. McLeod[9], di cui qui ci limitiamo alle frasi inizali:

“Sembra una disgrazia che il manoscritto [di Waterston] non sia stato stampato quando è stato scritto, perché avrebbe chiarito molte idee della chimica… avrebbe potuto essere il mezzo per accelerarne il recepimento da parte dei chimici. L’autore mette a confronto le masse di volumi uguali di elementi e composti gassosi o volatili e, prendendo la massa di un volume unitario di idrogeno come unità considera la massa dello stesso volume degli altri elementi e composti volatili come rappresentanti il loro peso molecolare” [3 Introduzione]

A proposito del caso Waterston, Lord Rayleigh scrisse:

“La storia della memoria [di Waterston] suggerisce che le indagini altamente speculative, in particolare da parte di un autore ignoto, sono facilmente rese note al mondo attraverso qualche altro canale piuttosto che una società scientifica, la quale esita naturalmente ad ammettere stampati di valore incerto nei suoi Atti. Forse si può andare oltre, e dire che un giovane autore che si crede capace di grandi cose di solito farebbe bene a ottenere il riconoscimento favorevole del mondo scientifico con un lavoro di portata limitata, il cui valore è più facilmente giudicato, prima di arrampicarsi su vette più elevate.” [3, Introduzione]

A prescindere da questa opinione di Lord Rayleigh, potrebbe essere utile un esame storico del ruolo, dell’importanza e delle funzioni delle Società Scientifiche, in particolare la Royal Society, l’Académie des Sciences e la Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften (già Kurfürstlich Akademie der Wissenschaften), fondate rispettivamente nel 1660, 1666 e 1700. A quanto pare dal presente caso riguardante gli anni dal 1840 al 1860 circa, per gli scienziati inglesi era molto importante pubblicare nei Proceedings della Royal Society, meno importante lo era per quelli tedeschi pubblicare negli Atti della loro Società, preferivano prevalentemente riviste tipo gli Annalen der Physik und Chemie.

 

Secondo S. Brush: “Waterston appare oggi come una figura tragica nella storia della teoria cinetica, un genio negato… che ha vissuto per vedere che altri hanno ricevuto credito per quello che egli aveva fatto prima e morto amareggiato dieci anni prima che il suo capolavoro fosse portato alla luce.” [1]

rayleigh

Infine, come fece notare Lord Rayleigh già nel 1892, il lavoro di Waterston ha ormai un valore solo poco più che storico, tuttavia chi volesse leggere l’articolo del 1845 ne trova il pdf al seguente link:

https://ia902609.us.archive.org/27/items/philtrans04661231/04661231.pdf

Bibliografia

[1] S.G. Brush, “John James Waterston and the kinetic theory of gases”, American Scientist, 1961, 49, 202–214

[2] J.S. Haldane, (editor) (1928) The Collected Scientific Papers of John James Waterston, including a biography by Haldane, 1928 Oliver & Boyd, Edinburgh

[3] J.J. Waterston, On the Physics of Media that are Composed of Free and Perfectly Elastic Molecules in a State of Motion. with an Introduction by Lord Rayleigh, Phil. Trans., 1892, 1-78. Contiene come Appendici I e II i due riassunti citati nel testo del post.

[1] In realtà questa ipotesi fu esposta nel 1821 da John Herapath (1790-1868) fisico inglese, che però ritenne che la vis viva (energia cinetica) dipendesse dalla velocità delle particelle invece che dal loro quadrato. Così il lavoro di Herapath fu dimenticato se non da Waterston, ma nel suo articolo On the Theory of Sound (1858).

[2] Anche questo lavoro fu rifiutato dai Proceedings of the Royal Society.

[3] Secondo il fisico e storico della scienza Stephen G. Brush, questo atteggiamento della Royal Society, suggerisce uno dei suoi fallimenti come organizzazione per far progredire la conoscenza scientifica. Rifiutando di pubblicare opere di autori senza reputazione o ipotesi in contrasto con teorie accettate, una società scientifica si sottrae a una delle sue funzioni più importanti. Non è un caso che la maggior parte delle grandi scoperte del 19°secolo furono pubblicate in riviste come Phil. Mag., inoltre la maggior parte dei Proceedings of the Royal Society erano di più difficile e noiosa lettura.

[4] John Scott Haldane (1860-1936), fisiologo scozzese fece importanti scoperte su funzioni del corpo umano e sulla natura dei gas. E’ stato un pioniere nella genetica delle popolazioni, investigò le cause di molte esplosioni in miniera, partecipò alla I Guerra Mondiale cercando di identificare i gas usati dai tedeschi, inventò il primo “respirator box”. Fu estimatore dei lavori di Waterston e curò una ristampa del suo libro uscito anonimo nel 1843 (v. rif. [2]).

[5] Sir Francis Beaufort (1774-1857), idrografo irlandese, Ammiraglio della Royal Navy noto per avere ideato la scala della forza dei venti che porta il suo nome.

[6] Lord Rayleigh (John William Strutt, 3° barone di Rayleigh, 1842-1919) fisico britannico. I suoi studi spaziarono in diversi rami della fisica, dalle dimensioni molecolari (fu il primo a calcolare un valore del Numero di Avogadro) alla fluidodinamica, dai gas (scoprì l’argon insieme a Ramsey) all’emissione di energia radiante. In acustica, va citato il suo importante Treatise on Sound, nel quale sono raccolti i suoi risultati in questo campo. Premio Nobel per la fisica 1904.

[7] Si pensi a quanto deve essere costata a Waterston questa ammissione ben sapendo che in larga misura la sua teoria era precedente a quella di Clausius.

[8] In particolare nel paragrafo 15, nella nota E e nelle pagine 63 e successive del rif [3], Waterston si occupa di chimica, giungendo a un passo dalla distinzione fra atomo e molecola di un elemento.

[9] Molto probabilmente si tratta di Herbert McLeod (1841–1923), chimico britannico, noto per l’invenzione del manometro di McLeod e per quella dell’eliofanografo.

7 thoughts on “John James Waterston: uno scienziato ignorato dai suoi contemporanei

  1. Ringrazio Cervellati per aver scritto questa storia, paradigmatica di comportamenti umani, ahimè, universali. Oggi potremmo dire (perché oggi di storie come queste di mancato riconoscimento, citazione e sfruttamento delle idee altrui, ne potremmo scrivere ancora tante, forse meno rilevanti scientificamente rispetto a quella di Waterson) che le correnti di potere scientifico rifiutano tutto ciò che non è mainstream, senza neanche troppo approfondire. Ieri come oggi chi è estraneo a certe consorterie ed a certe logiche non ha possibilità alcuna di poter far emergere il proprio pensiero. Per osmosi le nuove idee passano all’interno di questi giri e nell’arco di qualche anno i più intelligenti tra i loro appartenenti lanciano le nuove parole d’ordine ed il mainstream istantaneamente si riallinea.
    Fa molta impressione, anche perché attualissima, l’affermazione di Rayleigh, che, invece di biasimare chi non ha avuto l’umiltà di studiare e capire il lavoro di Waterson, biasima il giovane sconosciuto che pretende di farsi accettare subito con un lavoro speculativo, invece di iniziare a farsi conoscere con lavoretti più semplici.
    Mi viene di citare un contributo di Friedrich List (1789-1849): “It is a very common clever device that when anyone has attained the summit of greatness, he kicks away the ladder by which he has climbed up in order to deprive others of the means of climbing up after him”.
    I poteri (scientifico, economico, politico, accademico…) si comportano tutti nello stesso modo da sempre, con rare eccezioni.

  2. Direi che nel caso Waterston ci sono due o tre elementi che sarebbero difficili da ritrovare oggi: 1) Waterston non riprovò a pubblicare altrove, non è chiaro se perchè aveva accettato di non pubblicare altrove, se era legato da impegni di questo tipo; oggi un impegno a non pubblicare altrove si ha solo se ti pubblicano;
    2) allora c’erano poche riviste scientifiche e la gente pubblicava sui giornali normali se voleva, Waterston voleva giustamente pubblicare su una rivista scientifica ; oggi ci sono decine o centinaia di riviste equivalenti e si può riprovare;
    direi che attualmente la questione vera è che è molto difficile distinguere il grano dal loglio, si può pubblicare di tutto e molte cose pubblicate sono semplicemente non scientifiche, bufale; se hai qualche migliaio di euro pubblichi su una open a pagamento; basta vedere lo spazio di cose come le scie chimiche, o i filtri magnetici per diesel o chi resiste caparbiamente sulla questione del riscaldamento globale e cose così; è chiaro che quel che dice Rosa in generale è vero, può essere vero ma c’è anche da dire che le vie per farsi sentire sono molte; il caso Waterston è certo oggetto di riflessione, ma non credo sia semplice che possa ripetersi in quella forma; al contrario le bufale supportate da interessi commerciali sono moltissime; su questo blog abbiamo parlato per esempio del caso delle scie chimiche e dei filtri magnetici per diesel, cose che non hanno basi scientifiche; la questione GW è stata oggetto di discussione proprio perchè si pubblicava su un giornale come C&I tesi non supportate sul global warming e abbiamo criticato fortemente la cosa, per fortuna la SCI è uscita con un position paper sul tema che ribadisce le verità sul clima ottenute dalla ricerca più aggiornata; chimico-fisici e fisici famosi ancor oggi non sono d’accordo senza avere uno straccio di prova seria e qusto la dice lunga; in sostanza la realtà ha sempre due facce (o come diceva Hegel è dialettica) e sta a noi in qualche modo scegliere, in un certo senso la realtà è una serie di scelte infinita. Aggiungo anche che lo stesso Clausius si trovò di fronte una opposizione formidabile; Rinaldo l’altra volta ha ricordato una cosa che gli costò un anno di lavoro più o meno, l’obiezione quasi mai ricordata del geografo (geografo e naturalista) Buys-Ballot che fece notare come le velocità stimate di migliaia di km/ora non corrispodevano ai fatti; se metti un liquido odoroso in un angolo puoi sentirne l’odore anche dopo minuti, come mai? Obiezione tosta e che rimandava alla dimensione degli atomi, agli urti intratomici e molecolari; Clausius ci lavorò un anno e riusci a capire, ripubblicò il lavoro; ma Waterston non sappiamo se ci sarebbe riuscito; giusto per dire. Insomma il racconto della storia lo fanno i vincitori è vero, concordo, d’altra parte la storia non si fa con i se…

  3. Non vorrei che la replica di Claudio al commento di Rosa Di Maggio (che condivido in larga misura) ingenerasse confusione fra una teoria scientifica come quella di Waterston e strampalerie assurde come le scie chimiche o quant’altro si può trovare nel web e non solo.
    Ho letto con molta attenzione tutto il lavoro di Waterston del 1845, si tratta di una teoria che, partendo da un modello il più semplice possibile (gas perfetto) e applicando a esso la meccanica newtoniana ricava le leggi empiriche dei gas e ottiene conseguenze verificabili e verificate sperimentalmente. Questo è il significato di: “Ogni nuova visione se è profonda è una fuga…” contenuta nell’incipit al mio post. E quella di Waterston era sicuramente profonda.
    I revisori della Royal Society non la capirono o non vollero capirla (“Si possono avere resistenze a fuggire, oppure non se ne può vedere proprio la ragione”). Scrisse uno di essi:
    “L’intera indagine è dichiaratamente fondata su un principio del tutto ipotetico…per dedurre una rappresentazione matematica dei fenomeni in un mezzo elastico. Esibisce molta abilità e molti notevoli accordi con fatti generali così come con i valori numerici forniti dalle osservazioni… Il principio originario in sé comporta un presupposto che mi sembra molto difficile ammettere; e affatto una base soddisfacente per una teoria matematica…”
    Un altro liquidò il lavoro come segue: “Il manoscritto non è altro che un nonsense, inadatto anche per la lettura…”
    Si deve poi tener conto che Waterston non apparteneva ad alcuna istituzione accademica mentre le Società scientifiche erano altamente autoreferenziali.
    La citazione di Rayleigh non vuole, a mio parere, essere un rimprovero ma la constatazione di un dato di fatto e un consiglio per i giovani talenti.

    • Non mi riferivo al tuo commento che, ripeto, condivido in larghissima misura, ma a quello di Claudio che sembrava appunto una replica al tuo. Le scie chimiche, i filtri magnetici ecc. non c’entrano nulla con il caso Waterston e i molti casi meno noti. Anche la polemica sul GW ha ben poco a che fare, per Waterston non ci fu alcuna polemica…

  4. Non mi sono fatto capire: guardate che nel mio intervento io dico proprio che il caso Waterston è diverso dalla situazione attuale, che quel caso difficilmente potrebbe ripetersi allo stesso modo; pure se alcuni aspetti come la autoreferenzialità di alcuni gruppi di scienziati (gli economisti per esempio) continua ad esistere il contesto è molto cambiato; e concludevo e concludo oggi i problemi chiave sono affatto diversi, ossia appunto la non scienza, le scie; etc, d’altra parte il GW sul quale il dibattito lo fanno appunto i non scienziati o scienziati di altri settori che non hanno titolo se non ad esprimere opinioni non teorie (il numero di climatologi in disaccordo col GW è dell’ordine dell’1%) offre una situazione stranamente simile; ne segue che dire come fa Rosa che ci sono molti elementi di attualità se non dubbio a mio parere non è così rilevante; ci sono anche molti altri elementi del tutto diversi e quelli io li vedo dominanti. Non si dovrebbe confondere i problemi del rapporto scienza/società (che pure a volte si indicano con autoreferenzialità) con quelli della chiusura rispetto a nuove teorie. I chimici non sono autoreferenziali nel secondo senso ma nel primo si, mentre gli economisti lo sono in entrambi. Spero di aver chiarito.

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