Dove siamo arrivati? 2023

Di Marcello Lisco

Dalla scoperta del fuoco ai misteri dell'universo, dalla Teoria della relatività alla meccanica quantistica: l'umanità ha intrapreso uno straordinario cammino di conoscenza.

Un viaggio attraverso 200 anni di storia, tra intuizioni e deduzioni, tra ricerche, conferme e smentite, truffe ed errori, per cercare di capire dove siamo arrivati.

Dove arriveremo?

• Lingua: Italiano
• Editore: Youcanprint
• Data di uscita: 28 nov 2022
• ISBN: 9791221438147

Anteprima del libro

Capitolo 1

Prima del 1900

1.1 - Prima del 1800

Nella preistoria, la prima domanda che l’uomo si è posto potrebbe essere stata... Che cos’è quella cosa luccicante che non riesco a fissare per molto tempo? O... Perché prima era lì e ora è là? Che sono quei puntini luminosi là? Perché sono così tanti? O... Ahi! Fa male! Perché? Riferendosi al fuoco. La scienza è nata dalla necessità dell’uomo di dare una spiegazione a ciò che esiste in natura. Spesso, come la storia ci insegna, non conoscendo la spiegazione logica dei fenomeni naturali e non possedendo il concetto di scienza, si additavano gli dei come fautori degli eventi. Esseri soprannaturali con il potere di controllare materia ed energia, plasmarla a loro piacimento ed a proprio uso e consumo. Non mancano ovviamente i grandi pensatori come Aristotele (384-322 a.C.) il quale pensò la struttura atomica della materia. La materia è costituita da atomi legati insieme tra loro. Ovviamente l’epoca storica non permise di verificare l’ipotesi di Aristotele.

Fu di Ernest Rutherford (1871-1937) l’onore ed il piacere di scoprire che Aristotele aveva ragione.

Nel 1911 fu scoperto il nucleo. Per spiegare la riflessione delle particelle alfa su lamine d’oro, Rutherford¹ suggerì il modello atomico². Fondò la fisica nucleare. Nel 1932 lui ed i suoi studenti furono i primi a spezzare il nucleo di un atomo.

"Gridando, diede istruzioni come «interrompi la corrente di protoni... aumenta la tensione di accelerazione». E cose di questo tipo, ma parlò poco di quello che stava succedendo. Alla fine uscì dalla cabina, si sedette su uno sgabello e disse qualcosa del tipo: «Quelle scintillazioni somigliano molto a quelle prodotte dalle particelle alfa. Dovrei essere in grado di riconoscere una scintillazione da particella alfa quando la vedo, perché le conosco dalla nascita». Per la prima volta l’atomo era

veramente stato fatto a pezzi dall’uomo, Quello che avevano visto quel giorno erano nuclei di litio, di massa 7, colpiti ciascuno da un protone, di massa 1, che si disintegravano in due particelle alfa (nuclei di elio), di massa 4. L’atomo di litio era stato spezzato. L’idrogeno e il litio erano diventati elio".³

Quel giorno si trasformò anche nel giorno della prima verifica dell’equazione di Albert Einstein E=mc². Una parte della massa risultava mancante, era stata trasformata in energia e quell’energia era calcolabile con l’equivalenza di Albert Einstein. E il contrario? Creare materia dalla luce? Un esperimento proposto nei lontani anni ’30 è stato recentemente attuato al Rhic: gli ioni d’oro sono stati accelerati fino al 99,995% della velocità della luce in due anelli acceleratori. Facendo scontrare due nuvole di fotoni⁴ che si muovono in senso opposto – senza far scontrare gli ioni che le generano – le particelle di luce che interagiscono fra loro, hanno prodotto coppie di elettroni e positroni. La misura della distribuzione angolare e di massa condotta con il Solenoid Tracker al Rhic (Star) – un rivelatore in grado di misurare la distribuzione angolare delle particelle prodotte nelle collisioni – ha confermato che le coppie di materia-antimateria erano generate proprio da fotoni reali.

La scienza è l’ingegnosità, la capacità dell’individuo di costruire, teorizzare e adattare per produrre un risultato sono sempre andate a braccetto; sono sinonimi. Per molto tempo, troppo scarse sono state le conoscenze in medicina, fisiologia, fisica e chimica per teorizzare e verificare leggi o predizioni. Essenzialmente si lavorava in modo empirico o alla cieca, si teorizzavano entità o concetti impossibili da dimostrare.

Forse, l’unica eccezione è il principio di Archimede secondo cui Un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari per intensità al peso del liquido spostato. Archimede fu matematico, fisico, inventore ed ingegnere. Morì a Siracusa nel 212 a. C. Lo scienziato era colui che sapeva in qualche misura dominare e manipolare gli elementi. Chi sapeva creare il fuoco, chi era in grado di fondere i metalli, etc. Nella Sacra Bibbia, ai versetti 17-18-19-20-21-22 del quarto capitolo del libro della Genesi, quello sulla genealogia, si legge una cosa simile.

Cosa accomuna tutti gli scienziati di ogni epoca? Per taluni, l’astio della Chiesa per le loro idee. Più in generale, lo studio della natura, lo studio dei fenomeni che si mostrano agli esseri umani, cercando di replicarli, capirli e descriverli con modelli che li rappresentano o cercando di dedurre leggi che in assoluto o nella maggior parte dei casi descrivono, verificano e predicono gli eventi.

Lo strumento usato a tale scopo è la matematica.

La matematica ha sempre affascinato gli uomini perché con essa è possibile descrivere e spiegare il movimento dei corpi, per esempio; è possibile descrivere in forma compatta le leggi che si celano dietro le osservazioni della natura. Uno scienziato quindi è un cercatore della verità, della verità che si cela in natura e della natura stessa. Lo scienziato cerca Dio nelle leggi, cerca Dio nella natura e forse Dio stesso alla fine del suo viaggio.

Ad oggi siamo al 65 milionesimo anno di viaggio.

A memoria d’uomo, se consideriamo la fertilità delle produzioni ed intuizioni della mente umana da parte di un solo scienziato, il 1905 di Albert Einstein è equivalente solo all’Annus Mirabilis di Isaac Newton, il 1666. Isaac Newton, tra il 1665 ed il 1666, si rifugiò nella sua casa di campagna per sfuggire alla peste. In quel periodo pose le basi per il calcolo infinitesimale, la teoria dei colori e la legge universale della gravitazione. Le sue intuizioni furono enunciate al mondo nel 1966. Dal canto suo, nel 1905 Albert Einstein pubblicò quattro articoli che trasformarono la fisica classica nel campo di studi che oggi cono-sciamo. In ordine di pubblicazione i quattro articoli trattano sotto una nuova ottica: l’effetto fotoelettrico, il moto browniano, la relatività ristretta e l’equivalenza massa-energia e sono chiamati Annus Mirabilis Papers.

In omaggio al centenario Einsteniano, L’UNESCO proclamò il 2005 Anno Mondiale della Fisica. L’Assemblea Generale dell’ONU, inoltre, con la risoluzione 58/293 del 16 Giugno 2004 proclamò lo stesso anno Anno Internazionale della fisica.

L’equivalenza E=mc² (Energia = massa per accelerazione della luce al quadrato) fu fondamentale per la realizzazione della bomba atomica e di tutto ciò che è stato realizzato fino ad oggi nel campo della fisica, e non solo. Un corpo a riposo può liberare energia trasformando ed emettendo tutta la sua massa o una parte di essa come radiazione elettromagnetica. Il fattore di conversione c² significa che concentrando un grosso quantitativo di energia si possa creare una piccola quantità di massa e che da una piccola massa si possa ottenere un grandissimo quantitativo di energia.

Esempio: un’esplosione nucleare o l’annichilazione materia-antimateria; E, rappresenta l’energia totale meccanica del corpo, espressa in J ( joule = N·m = W·s = kg· m²/s² )⁵; m, rappresenta la massa a riposo, espressa in chilogrammi; c, rappresenta la velocità della luce nel vuoto, espressa in m/s ⁶(299 792 458 m/s, circa 300000 km/s), c² = 9 × 10¹⁶ m²/s².

Einstein definiva sconnessi balbettii i lavori che produceva.

Nel 1922 Albert Einstein ottenne il premio Nobel per la fisica, non per la Relatività generale ma per l’Effetto fotoelettrico. L'effetto fotoelettrico è il fenomeno fisico di interazione radiazione-materia caratterizzato dall'emissione di elettroni da una superficie quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica.

Einstein, nel 1905 intuì che l'estrazione degli elettroni si spiegava molto più coerentemente ipotizzando che la radiazione elettromagnetica fosse costituita da pacchetti di energia o quanti, poi chiamati fotoni.

L'ipotesi quantistica di Einstein non fu accettata per diversi anni da molti illustri scienziati dell’epoca, finché, il fisico statunitense Arthur Holly Compton, nel 1921, osservò che, negli urti con gli elettroni, i fotoni si comportavano come particelle materiali aventi energia e quantità di moto che si conservano. Compton, per la sua scoperta⁷ ricevette il premio Nobel nel 1927.

Einstein scrisse a Born in una sua lettera del 4 dicembre 1926: Nessuna quantità di esperimenti potrà dimostrare che ho ragione; un unico esperimento potrà dimostrare che ho sbagliato.

Il concetto secondo il quale la massa deforma lo spazio-tempo e che lo spazio-tempo deformato indica alla massa come muoversi non è esprimibile se non con la seguente frase: è genialità!

Poco dopo la pubblicazione della Relatività generale, nel 1919 un esperimento osservò che il campo gravitazionale del sole defletteva i raggi della luce stellare che lo attraversavano durante un’eclisse, come predetto dalla Teoria della relatività.

Albert Einstein (1879-1955) diventò l’emblema del genio e della genialità. A lui sono dedicati un elemento chimico, l’Einstenio, un cratere lunare, un asteroide, il 2001 Einstein e la Medaglia Albert Einstein, il premio che viene conferito allo scienziato che più si è distinto nel campo di studi del fisico tedesco. Sempre al fisico tedesco, fu dedicato il primo telescopio spaziale per lo studio dei raggi X, l’Osservatorio Einstein (HEAO-2). Il lancio avvenne nel 1978 e la missione fu un grande successo perché riuscì a raccogliere una enorme mole di dati sulle sorgenti del cielo profondo a raggi X.

Il telecopio Einstein si disintegrò il 25 marzo del 1982 per l’attrito con l’atmosfera terrestre. Nel 1924 divenne operativa la Torre Einstein. Questa fu dedicata al fisico tedesco e progettata per ospitare strumentazioni dedicate allo studio dello spettro luminoso in relazione alla relatività generale. La Torre Einstein è l’osservatorio dell’Istituto di astrofisica di Potsdam.

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¹ Un giorno durante il pranzo, una domenica del 1910, in dicembre e in presenza di un suo ospite disse: «So com’è fatto l’atomo».

² L’atomo è essenzialmente spazio vuoto. Quasi tutta la sua massa è concentrata in un volume piccolissimo chiamato nucleo. Intorno ad esso ruotano gli elettroni. Solo pochissime particelle alfa, ad esclusione della miriade che passa attraverso lo spazio che separa il nucleo dagli elettroni, deviano la loro traiettoria o rimbalzano saltando all’indietro. La repulsione elettrostatica del nucleo respingeva le particelle alfa. La carica positiva è concentrata tutta nel nucleo. La carica negativa è concentrata negli elettroni che ruotano intorno al nucleo.

³ Richard Reeves, Una forza della natura - Ernest Rutherford: genio di frontiera, Le Scienze, Roma, 2012, pag.96.

⁴ I fotoni sono generati dalla nube di elettroni che ruota intorno agli atomi.

⁵ 4. J = joule, unità di misura dell’energia (Sistema internazionale di unità di misura); N = Newton, unità di misura della forza; m = metro, unità di misura della lunghezza; W = watt, Unità di misura della potenza; s = secondo, unità di misura del tempo; kg = chilogrammo, Unità di misura della massa.

⁶ Sistema internazionale di unità di misura.

⁷ Effetto Compton

1.2 - Intrattabilità

La parola scienziato, la parola matematico può essere considerata sinonimo di razionalità. Chi vive e lavora in questo campo di studi però è spesso attanagliato da un brivido freddo che scorre lungo la schiena.

È il terrore della maledizione dimensionale⁸. Si presenta allo scienziato come una rivelazione che procura una sensazione di terrore, di ansia mista a rabbia. Probabilmente qualcuno inveisce pure, io per esempio lo faccio all’indirizzo di una entità non bene precisata artefice dell’imminente fallimento di un pensiero. Se ciò non dovesse appagarmi maledico il giorno in cui Eva nel paradiso terrestre ha mangiato la mela invece di banchettare con tutta la frutta a sua disposizione gratuitamente. Invece di arrovellarmi ed angosciarmi, oggi starei cenando nel paradiso terrestre riempiendomi la panza con tutto quel ben di Dio gratuito messo a mia disposizione da Dio stesso. La mia maledizione purtroppo, è la mia scarsa capacità come matematico. Ma questa è un’altra storia! Benché creda ciecamente nella frase di Albert Einstein: tutti sanno che una cosa è impossibile da realizzare finché non arriva uno sprovveduto e la realizza; sono ben conscio che ad oggi, tutto ciò che è possibile realizzare è stato già realizzato o quasi. Mi aggrappo con le unghie e con i denti a quel quasi!

La maledizione dimensionale è l’elevazione del livello di difficoltà di un compito fino a renderlo intrattabile. Esempio: descrivere l’universo senza sapere con precisione se e quante dimensioni abbia comporta il dover descrivere n universi ognuno con una dimensione aggiuntiva e vedere quale di questi si accosta maggiormente alla realtà.

Con l’aumentare delle variabili, cresce la complessità matematica e concettuale del problema fino al punto in cui eseguire calcoli diventa impossibile sia per la complessità che per il tempo necessario alla risoluzione delle equazioni e dei sistemi.

Uno dei più celebri problemi non calcolabili è il problema del commesso viaggiatore: è possibile calcolare il percorso più breve che un commesso viaggiatore deve fare per visitare i suoi clienti in tutte le città indicate sulla cartina? All’aumentare delle città, il problema cresce in modo esponenziale diventando sempre