Riassunto Sette brevi lezioni di fisica - Carlo Rovelli (Com. Digitali) PDF

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Sette brevi lezioni di Fisica di Carlo Rovelli Riassunto Sette brevi lezione di fisica è un trattato scientifico scritto da Carlo Rovelli, fisico e stagista nato nel 1956 a Verona. Le lezioni sono scritte per chi non è esperto della scienza moderna. Esse fanno una panoramica sulle grandi scoperte scientifiche del XX secolo e soprattutto sui misteri ancora da scoprire dell’universo. Esse parlano di: ● Prima: Einstein e la teoria della relatività generale ● Seconda: la meccanica quantistica ● Terza: il cosmo ● Quarta: le particelle elementari ● Quinta: la gravità quantistica ● Sesta: la probabilità e il calore dei buchi neri ● Settima: noi stessi e come ci pensiamo nel mondo Einstein nel 1905 scrisse tre articoli di fisica che poi mandò alla “Annalen Der Physik”, e ognuno valeva un premio Nobel. ● Primo: gli atomi esistono davvero ● Secondo: la meccanica dei quanti ● Terzo: la teoria della relatività, che chiarisce perché il tempo non passi egualmente per tutti. Tuttavia lo scienziato era turbato poiché sua teoria non coincideva con la gravità. Rivede quindi la teoria di Newton e dopo dieci anni (1915) dà vita ad una nuova teoria: teoria della relatività generale. Newton aveva immaginato una forza di gravità che attirava i corpi l’uno verso l’altro. Ed inoltre lo spazio in cui erano contenuti era un grande scatolone vuoto, il cui materiale era sconosciuto. Qualche tempo dopo Faraday e Maxwell aggiunsero l’idea del campo elettromagnetico che occupava lo spazio con onde radio. Einstein quindi ipotizzò che esistesse anche un campo gravitazionale, e da qui l’intuizione: il campo gravitazionale non è diffuso nello spazio ma coincide con lo spazio. Spazio e materia coincidono. Se i pianeti fanno un certo movimento intorno al Sole è perché lo spazio ad un certo punto si incurva. Einstein afferma che lo spazio si incurva dove c’è materia. Utilizzando la curvatura di Riemann ®, ovvero un oggetto matematico, ne viene fuori un’equazione. Questa descrive come lo spazio si incurva intorno a una stella. Non solo i pianeti, ma anche la luce devia (Einstein dimostra che il Sole devia la luce). Ma non solo lo spazio, anche il tempo si incurva. Vicino alla Terra passa più lento che lontano dal suo centro. Quando una stella ha finito l’idrogeno, suo combustibile, si spegne. Essa crolla sotto il suo stesso peso fino a curvare lo spazio tanto da sprofondare in un buco nero. Secondo l’equazione inoltre, lo spazio non può stare fermo ma deve essere in espansione. Tale espansione è causata dal Big Bang, cosa dimostrata dalla radiazione cosmica di fondo: il bagliore che rimane dal calore dell’esplosione iniziale. La meccanica quantistica è totalmente opposta alla teoria di Einstein. Mentre quest’ultima ha basi solide e viene da un solo scienziato, la teoria dei quanti ha avuto successo ma rimane piena di misteri. Essa nasce nel 1900, quando Planck calcola il campo elettrico in equilibrio in una scatola calda. Per farlo immagina che l’energia sia divisa in pacchetti che

chiama appunto quanti. Il calcolo era corretto, ma l’idea di energia fino a quel momento era di un qualcosa che variava di continuo e non distribuita in “mattoncini”. Planck usava questo “trucco” poiché gli facilitava il calcolo, ma non capiva il perché. Lo fece Einstein, che dimostrò che la luce è fatta di particelle, che oggi chiamiamo fotoni. La teoria poi viene trattata da altri esperti, con Einstein che la abbandonerà poco alla volta. Fu Bohr a capire che l’energia negli elettroni può assumere solo un certo valore, e che tali elettroni possono saltare fra le varie orbite atomiche assorbendo o emettendo fotoni (salti quantici). Solo nel 1925 appariranno le prime equazioni della teoria, che rimpiazzano la meccanica di Newton, scritte da Heisenberg: egli immagina che gli elettroni non esistono sempre, ma si materializzano quando sbattono su qualcos’altro. Un elettrone è un insieme di salti da un’interazione all’altra. Se non disturbato, questo non è in alcun luogo preciso. Tali salti avvengono casualmente e si può calcolare solo la probabilità della posizione dell’elettrone. Einstein riteneva ciò assurdo: ne nacque una lunga discussione con Bohr, che culminò con la convinzione che entrambi avessero ragione: ciò che Bohr diceva era dimostrabile, ma al tempo stesso troppo confuso. Ad oggi siamo fermi là, e non ci sono stati passi avanti. Con l’applicazione delle prime due teorie, si è cercato di spiegare anche l’architettura del cosmo. Per millenni si è immaginato con la Terra sotto ed il cielo sopra. Anassimandro ventisei secoli fa tentò di spiegare la posizione delle stelle, ipotizzando la Terra al centro e tutto intorno il cielo. Successivamente si ipotizza che la Terra sia sferica, ed Aristotele lo dimostra. L’immagine nel suo libro Sul cielo sarà utilizzata fino al Medioevo. Copernico porterà la prima rivoluzione scientifica: è il Sole che sta al centro e non la Terra, ed essa gli gira intorno e su se stessa. Poi scopriamo anche che il Sole è solo una fra infinitesime stelle della Galassia. Ma anch’essa è solo una fra le tante di tutto l’universo. Tuttavia lo spazio non è piatto ma curvo, cosicché bisogna immaginarlo come mosso da onde simili a quelle del mare, talvolta così agitate da creare i buchi neri. Tale cosmo è nato da una esplosione originaria, il Big Bang. Tutto ciò che vediamo è fatto di atomi. Gli atomi sono nuclei con intorno elettroni, e dentro protoni e neutroni. Questi a loro volta sono fatti da minuscole particelle definite quarks da Gell-Mann. I quarks rimangono incollati a protoni e neutroni per mezzo dei gluoni. Tutte queste sono le particelle elementari studiate dalla fisica. A queste se ne aggiungono altre minori come il bosone di Higgs e i neutrini. Il mondo non è mai vuoto, ma un pullulare continuo di entità effimere. Il modello standard delle particelle elementari è stato messo a punto solo negli anni 70, e dimostrato come valido. Ma alcuni fisici non lo considerano in quanto basato su varie equazioni messe insieme senza ordine preciso. Lo stesso Dirac, autore della prima equazione della teoria, si riteneva insoddisfatto. C’è inoltre il problema della materia oscura: un alone che si trova intorno alle galassie, ma dal materiale non specificato e che non rientra nemmeno nella teoria. Sono state proposte altre teorie, ma tutte demolite subito dopo. Quindi continuiamo ad utilizzare quella standard, che in parte funziona bene. Come già detto, le due teorie da cui partono le nostre scoperte si contraddicono, quindi almeno una sarà falsa, anche se paradossalmente entrambe funzionano. L’obiettivo è trovare una teoria che risolva la contraddizione. La principale direzione di ricerca è la gravità quantistica a loop, ovvero riscrivere le due teorie per renderle compatibili. La predizione centrale della teoria è che lo spazio non è continuo ma formato da “atomi di spazio” piccolissimi. Si chiamano loop ovvero “anelli” in quanto mai soli ma inanellati con gli

altri. Essi non sono nello spazio ma coincidono con esso. La variabile tempo sparisce: essa non è contenuta nelle equazioni di questa teoria. Ciò indica che i processi non sono ordinabili in una successione di istanti ed ognuno avviene indipendentemente. La teoria descrive un mondo che ci appare sempre più distante. Una delle ipotesi per confermarla è lo studio dei buchi neri. Se la teoria è corretta, la materia non può essere collassata in un punto infinitesimo. Essa deve essere diventata sempre più densa finché la meccanica quantistica deve aver generato una pressione contraria in grado di controbilanciare il peso. Nasce la cosiddetta stella di Planck. Essa non è stabile: se compressa al massimo può esplodere, con tale esplosione che se vista da fuori risulta molto lenta. Un’ipotesi che ancora non trova conferma, ma che spiegherebbe anche che il nostro universo altro non è che un qualcosa di nato da un rimbalzo precedente (da Big Bang a Big Bounce). I fisici fino a metà 800 hanno provato a spiegare il calore come un fluido, il calorico, o come due fluidi, uno caldo ed uno freddo. Poi Maxwell e Boltzmann hanno capito che una sostanza è calda se i suoi atomi si muovono più velocemente. L’aria fredda è aria dove molecole e atomi corrono più lenti. Inoltre, il calore va dalle cose calde alle cose fredde. A spiegare il perchè è sempre Boltzmann, con la nozione di probabilità: succede non per legge assoluta, ma con grande probabilità. Essendo gli atomi caldi più veloci, è più facile che vadano a sbattere su quelli freddi e non viceversa. All’inizio Boltzmann non fu preso sul serio, ma oggi la fisica statistica si basa soprattutto sulla sua scoperta. Termodinamica e meccanica statistica sono stati estesi anche ad altri campi, e l’estensione a quello gravitazionale si è rivelato molto ostico. Cos’è un campo gravitazionale caldo? Esso è lo spazio stesso, anzi lo spaziotempo, quindi quando il calore si diffonde al campo gravitazionale devono essere spazio e tempo stessi a vibrare, ma non abbiamo equazioni che descrivano il vibrare termico di uno spaziotempo caldo. Cos’è dunque il fluire del tempo? Problema già affrontato in fisica classica ma che diventa centrale in quella moderna. Cos’è il presente? Ci è possibile definire l’”adesso”? È oggettivo o soggettivo? Secondo la relatività ristretta è soggettivo, e l’uomo vive di illusioni. Ma quindi dove nasce l’esperienza dello scorrere del tempo? Esso emerge non dalla fisica che descrive cose, ma nell’ambito della termodinamica, in relazione al calore. Possiamo concludere che la nostra visione del mondo è una visione sfocata, parziale, motivo per cui il mondo non ci appare come un blocco ma presenta fenomeni temporali, quindi la nostra percezione di tempo che scorre. Cosa siamo noi nel mondo? Cosa sono le nostre emozioni? Domanda difficile. Man mano che la nostra conoscenza è cresciuta abbiamo imparato ad essere parte di questo universo. Questa comunicazione fra noi ed il mondo è qualcosa che ci distingue dal resto della natura. Altra domanda: siamo liberi di prendere le nostre decisioni se il nostro comportamento in realtà segue le regole della natura? C’è qualcosa che sfugge a tale regolarità? No, altrimenti l’avremmo scoperto da tempo. Soluzione: essere liberi non significa che i nostri comportamenti non sono determinati da leggi della natura, ma dalle leggi della natura che agiscono nel nostro cervello. Quindi quando faccio qualcosa sono io stesso a decidere, perché sarebbe assurdo pensare il contrario. Io ed i neuroni del mio cervello siamo la stessa cosa. Quanto è specificatamente umano non rappresenta la nostra separazione dalla natura, è la nostra natura. Una forma che ha preso qui, nelle sue infinite combinazioni possibili. Noi umani siamo l’unico gruppo sopravvissuto di una specie (a partire dai Neanderthal) ad essere curiosi per natura e non contro natura. Probabilmente tra non molto ci estingueremo, e forse solo noi stessi ne siamo consapevoli, ma sapremo affrontarlo come si affronta la singola morte. Per natura vogliamo sapere di più, e continuiamo col tempo a

scoprire ed abbattere barriere, col mistero e la bellezza del mondo che ci lasciano senza fiato....