Riassunto Sette Brevi Lezioni di fisica. Storia della scienza e delle tecniche PDF

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Riassunto Sette Brevi Lezioni di fisica. Storia della scienza e delle tecniche...

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Sette brevi lezioni di fisica PREMESSA Questo libro tratta degli aspetti più rilevanti e affascinanti della grande rivoluzione che è avvenuta nella fisica del XX secolo. Perché la scienza ci mostra come meglio comprendere il mondo, ma ci indica anche quanto vasto sia ciò che ancora non sappiamo. La prima lezione è dedicata alla teoria della relatività generale di Albert Einstein, la ‘’più bella delle teorie’’. La seconda alla meccanica quantistica. La terza è dedicata al cosmo. La quarta alle particelle elementari. La quinta alla gravità quantistica. La sesta alla probabilità e al calore dei buchi neri. L’ultima sezione del libro, ritorna a noi stessi, e si chiede come possiamo riuscire a pensarci nello strano mondo descritto da questa fisica. LA PIU’ BELLA DELLE TEORIE Albert Einstein era a Pavia, aveva raggiunto la famiglia dopo aver abbandonato gli studi del liceo. Leggeva Kant e seguiva a tempo perso lezioni all’Università di Pavia: senza essere iscritto né fare esami. Poi si era iscritto all’Università di Zurigo e si era immerso nella fisica. Pochi anni dopo, nel 1905, aveva spedito tre articoli. Ciascuno dei tre valeva un premio Nobel. Il primo mostrava che gli atomi esistono davvero. Il secondo apriva la porta alla Meccanica dei Quanti. Il terzo presentava la sua prima Teoria della Relatività. Einstein diventa improvvisamente scienziato. Ma qualcosa lo turba: la sua teoria non quadra su come cadono le cose. Quindi s’immerge nel problema. Dieci anni per risolverlo. Finalmente, nel 1915, manda alle stampe un articolo con la soluzione completa: una nuova teoria della gravità, cui dà nome ‘’teoria della relatività generale’’, il suo capolavoro. La ‘’più bella delle teorie scientifiche’’ l’ha chiamata il grande fisico russo Lev Landau. Ma pochi anni prima della nascita di Albert, due grandi fisici, Faraday e Maxwell, descrissero il campo elettromagnetico. Il campo è un’entità reale diffusa ovunque, che porta le onde radio, riempie lo spazio, può vibrare e ondulare, e ‘’porta in giro’’ la forza elettrica. Einstein era affascinato dal campo elettromagnetico, e presto capisce che anche la gravità, come l’elettricità, deve essere portata da un campo: deve esistere un ‘’campo gravitazionale’’, analogo al ‘’campo elettrico’’; e cerca di capire come possa essere fatto questo ‘’campo gravitazionale’’ e quali equazioni lo possano descrivere. E qui arriva l’idea che il campo gravitazionale non è diffuso nello spazio: il campo gravitazionale è lo spazio. Questa è l’idea della teoria della relatività generale. Lo ‘’spazio’’ di Newton, nel quale si muovono le cose, e il ‘’campo gravitazionale’’, che porta la forza di gravità, sono la stessa cosa. Lo spazio non è più qualcosa di diverso dalla materia: è una delle componenti ‘’materiali’’ del mondo. Un’entità che ondula, si flette, s’incurva, si storce. Il Sole piega lo spazio intorno a sé e la Terra non gli gira intorno perché tirata da una misteriosa forza, ma perché sta correndo diritta in uno spazio che si inclina. Einstein scrive un’equazione che dice che R è proporzionale

all’energia della materia. Cioè: lo spazio si incurva là dove ci sia materia. L’equazione descrive come si curva lo spazio intorno a una stella. A causa di questa curvatura, non solo i pianeti orbitano intorno alla stella, ma anche la luce smette di viaggiare diritta e devia. Ma non è solo lo spazio a incurvarsi, è anche il tempo. Einstein predice che il tempo passi più veloce in alto e più lento in basso, vicino alla Terra. L’equazione di Einstein indica che lo spazio non può stare fermo, deve essere in espansione. Nel 1930 l’espansione dell’universo viene effettivamente osservata. La stessa equazione predice che l’espansione debba essere scaturita dall’esplosione di un giovane universo piccolissimo e caldissimo: è il Big Bang. Insomma, la teoria descrive un mondo colorato e stupefacente, dove esplodono universi, lo spazio sprofonda in buchi senza uscita, il tempo rallenta abbassandosi su un pianeta, e le sconfinate distese di spazio interstellare s’increspano e ondeggiano come la superficie del mare. I QUANTI La meccanica quantistica nasce nel 1900. Il fisico tedesco Max Planck calcola il campo elettrico in equilibrio all’interno di una scatola calda. Per farlo immagina che l’energia del campo sia distribuita in ‘’quanti’’, cioè in pacchetti, grumi di energia. Cinque anni dopo, Einstein mostra che la luce è fatta di pacchetti; particelle di luce. Oggi li chiamiamo ‘’fotoni’’. Se Planck è il padre della teoria, è Einstein che l’ha fatta crescere. Durante gli anni Dieci e Venti del Novecento, è Bohr che ne guida lo sviluppo. E’ lui a capire che anche l’energia degli elettroni negli atomi può assumere solo certi valori ‘’quantizzati’’, come l’energia della luce, che gli elettroni possono solo ‘’saltare’’ fra l’una e l’altra delle orbite atomiche con energie permesse, emettendo o assorbendo un fotone quando saltano. Nel 1925 appaiono le equazioni della teoria. A scrivere per primo le equazioni della nuova teoria è Heisenberg. Heisenberg immagina che gli elettroni esistano solo quando interagiscono con qualcosa d’altro. Si materializzano in un luogo, con una probabilità calcolabile, quando sbattono contro qualcosa d’altro. Un elettrone è un insieme di salti da un’interazione all’altra. Questi salti con cui ogni oggetto passa da un’interazione all’altra avvengono a caso. E’ possibile solo calcolare la probabilità che appaia qui o lì.

L’ARCHITETTURA DEL COSMO

Il cosmo per millenni è stato concepito come sotto la Terra, sopra il Cielo. La prima grande rivoluzione scientifica, compiuta da Anassimandro ventisei secoli fa cercando di capire come sia possibile al Sole, alla Luna e alle stelle di girare intorno a noi. Presto qualcuno si rende conto che la forma più ragionevole per questa Terra, per la quale tutte le direzioni sono eguali, è una sfera. Aristotele descrive argomenti scientifici convincenti per confermare la sfericità della Terra e dei cieli intorno alla Terra, nei quali corrono gli astri celesti. Successivamente Copernico comprende e mostra che la nostra Terra non è al centro della danza dei pianeti, dove invece sta il Sole. Il nostro pianeta diventa uno come gli altri. Gira a gran velocità su se stesso e intorno al Sole. La Galassia è formata da cento miliardi di stelle. Questo cosmo immenso, elastico, e costellato di galassie, è cresciuto per una quindicina di miliardi di anni, emergendo da una nuvola piccola, caldissima e densissima. L’universo nasce come una piccola palla e poi esplode fino alle sue attuali dimensioni cosmiche. PARTICELLE Dentro l’universo si muovono la luce e le cose. La luce è costituita di fotoni. Le cose sono fatte di atomi. Ogni atomo è un nucleo con intorno elettroni. Ogni nucleo è costituito da protoni e neutroni. I protoni e i neutroni sono fatti di particelle, che il fisico americano Murray Gell-Mann, ha chiamato con ‘’quarks’’. La forza che tiene incollati i quarks all’interno dei protoni e dei neutroni è generata da particelle che i fisici chiamano ‘’gluoni’’, dall’inglese glue, colla. In italiano si tradurrebbe ‘’colloni’’. Elettroni, quarks, fotoni e gluoni sono le particelle elementari. A queste se ne aggiungono i neutrini e il bosone. Il modo in cui queste particelle si muovono e la loro natura sono descritti dalla meccanica quantistica. Queste particelle sono i ‘’quanti’’ di corrispondenti campi elementari. Sono minuscole ondine che corrono, che spariscono e ricompaiono. La meccanica quantistica e gli esperimenti con le particelle ci hanno insegnato che il mondo è un pullulare continuo e irrequieto di cose. I dettagli della teoria delle particelle sono stati costruiti durante gli anni Cinquanta, Sessanta e Settanta del Novecento. Il risultato di questa costruzione è una teoria basata sulla meccanica quantistica, che porta il nome di ‘’modello standard delle particelle elementari’’. Ma nonostante la lunga serie di successi sperimentali, il modello standard non è mai stato preso completamente sul serio dai fisici. E’ una teoria che a prima vista ha l’aria rappezzata e raccogliticcia. E’ fatto di vari pezzi ed equazioni messi insieme senza un chiaro ordine. Per avere risultati sensati bisogna immaginare che i parametri che entrano in esse siano a loro volta infinitamente grandi, in modo da controbilanciare i risultati assurdi e dare risultati ragionevoli. Questa procedura involuta e barocca si chiama con il termine tecnico di ‘’rinormalizzazione’’. Paul Dirac afferma che c’era un difetto nel modello standard. Attorno a ciascuna delle galassie, gli astronomi osservano gli effetti di un grande alone di materia, che rivela la sua esistenza per la forza

gravitazionale con cui attira stelle e devia la luce. Oggi la chiamiamo ‘’materia oscura’’. Qualcosa che non è né atomi, né neutrini, né fotoni… GRANI DI SPAZIO La relatività generale e la meccanica quantistica sono due teorie prodighe di doni e fondamentali per la tecnologia odierna, che hanno cambiato il nostro modo di vivere. Eppure le due teorie non possono essere entrambe giuste, almeno nella loro forma attuale, perché si contraddicono l’un l’altra. La principale direzione di ricerca centrata sul tentativo di risolvere il problema è la gravità quantistica ‘’a loop’’. La gravità quantistica a loop è un tentativo di combinare relatività generale e meccanica quantistica. La relatività generale ci ha insegnato che lo spazio è qualcosa di dinamico che si può comprimere e storcere. La meccanica quantistica c’insegna che ogni campo è fatto di quanti: ha una struttura fine granulare. Ne segue subito che lo spazio fisico è anch’esso fatto di quanti. La predizione centrale della teoria dei loop è che lo spazio non sia continuo, non sia divisibile all’infinito, ma sia formato da grani, cioè da atomi di spazio. Si chiamano ‘’loop’’, cioè anelli, perché ciascuno di essi non è isolato, ma è inanellato con altri simili, formando una rete di relazioni che tesse la trama dello spazio. Questi quanti di spazio non sono in uno spazio, perché sono essi stessi lo spazio. Come sparisce l’idea dello spazio continuo che contiene le cose, così sparisce anche l’idea di un tempo elementare e primitivo che scorre indipendentemente dalle cose. Per questa teoria ancora non esistono verifiche sperimentali. Però esistono diverse idee. Una di queste consiste nello studiare i buchi neri. Nel cielo oggi vediamo i buchi neri formati dalle stelle che sono collassate. La materia di queste stelle è precipitata all’interno, schiacciata dal suo stesso peso, e sparita alla nostra vista. Se la teoria della gravità quantistica a loop è corretta, la materia non può essere davvero collassata in un punto infinitesimo. Questo ipotetico stato finale della vita di una stella, dove la pressione generata dalle fluttuazioni quantistiche dello spazio-tempo bilancia il peso della materia, è quello che si chiama una ‘’stella di Planck’’. Se il Sole, quando smette di bruciare, dovesse formare un buco nero, questo avrebbe le dimensioni di circa un chilometro e mezzo. All’interno, l’intera materia del Sole continuerebbe a sprofondare, fino a diventare una stella di Planck. Una stella di Planck non è stabile: una volta compressa al massimo, rimbalza e comincia a riespandersi. Questo porta all’esplosione del buco nero. Un buco nero è una stella che rimbalza vista in estremo rallentatore. Un’altra delle conseguenze della teoria riguarda l’inizio dell’universo. Quando l’universo è estremamente compresso, la teoria quantistica genera una forza repulsiva, con il risultato che il Big Bang, la ‘’grande esplosione’’, potrebbe essere stato in realtà un ‘’grande rimbalzo’’. Il nostro universo può essere nato dal rimbalzo di una fase precedente, passando attraverso una fase intermedia senza spazio e senza tempo. LA PROBABILITA’, IL TEMPO, E IL CALORE DEI BUCHI NERI

A lato delle grandi teorie vi è un altro grande castello nella fisica ‘’Che cos’è il calore?’’. Maxwell e Boltzmann hanno capito che l’aria fredda è aria dove le molecole corrono più lenti. L’aria calda è aria dove le molecole corrono più veloci. Il calore va sempre dalle cose calde verso le cose fredde. Perché il calore va dalle cose calde alle cose fredde? Il motivo lo ha trovato il fisico austriaco Ludwig Boltzmann. Il calore va dalle cose calde alle cose fredde e ci va solo con grande probabilità. Il motivo è che è statisticamente più probabile che un atomo della sostanza calda, che si muove veloce, sbatta contro un atomo freddo e gli lasci un po' della sua energia, che non viceversa. L’energia si conserva negli urti, ma tende a distribuirsi in parti più o meno eguali quando ci sono tanti urti a caso. Boltzmann non fu preso sul serio da nessuno. Finì suicida il 5 settembre del 1906 a Duino, impiccandosi. La probabilità in gioco nella scienza del calore è legata in un certo senso alla nostra ignoranza. La parte della fisica che chiarisce queste cose è la fisica statistica, e uno dei trionfi della fisica statistica, a partire da Boltzmann, è stato quello di comprendere l’origine probabilistica del comportamento del calore e della temperatura, cioè la termodinamica. Che cos’è dunque il fluire del tempo? Un modo di porre il problema è chiedersi cosa sia il ‘’presente’’. Diciamo che le cose che esistono sono quelle nel presente: il passato non esiste più e il futuro non esiste ancora. Ma nella fisica non c’è niente che corrisponde alla nozione di adesso. La fisica moderna ha mostrato che la nozione di ‘’presente’’ è anch’essa soggettiva. Alcuni filosofi concludono che la fisica non è capace di descrivere gli aspetti più fondamentali del reale, e la squalificano come un modo di conoscenza fuorviante. Ma troppe volte in passato ci siamo resi conto che le nostre intuizioni si sono evolute sulla base della nostra limitata esperienza. Il fluire del tempo emerge nell’ambito della statistica e della termodinamica. Un indizio per affrontare il problema viene da Stephen Hawking. Hawking, usando la meccanica quantistica, è riuscito a mostrare che i buchi neri sono sempre caldi. Ora questo calore dei buchi neri è un effetto quantistico su un oggetto. Sono i quanti individuali di spazio, i grani elementari di spazio, le molecole che vibrando rendono calda la superficie di un buco nero e generano il calore dei buchi neri. Il calore dei buchi neri è una Stele di Rosetta, scritta a cavallo di tre lingue, Quanti, Gravita e Termodinamica, che attende di essere decifrata, per dirci cosa sia davvero lo scorrere del tempo....