vittime dell'inerzia

Proprio così, siamo tutti in balia dell'inerzia: seduti comodamente sul divano quante volte abbiamo pensato "ma chi me lo fa fare ad alzarmi". In generale l'inerzia è la caratteristica dei corpi a non voler cambiare il loro stato, ma perché esiste? Perché se vogliamo fermare un oggetto che ha una certa massa che si muove dobbiamo esercitare una forza, allo stesso modo in cui dobbiamo applicarla se vogliamo metterlo in movimento? E quindi qual'è il motivo per cui nessuno vuole cambiare il proprio stato che sia di quiete o movimento? Per ora, consideriamo quello che succede in un oggetto quando si esercita questa proprietà che chiamiamo massa; cerchiamo di ignorare l'effetto gravitazionale della massa per il momento, e consideriamo la massa come la misura in cui un oggetto resiste alla spinta di accelerazione e chiamiamo questa massa inerziale.

Come al solito partiamo con un esperimento mentale che battezzerò la "scatola invisibile".
Immaginate una scatola priva di massa con pareti invisibili: certo è impossibile ma è un'analogia per avvicinarci come vedremo lentamente alla realtà. Ora la riempiamo con moltissimi fotoni, che sappiamo essere particelle senza massa, che viaggiando alla velocità della luce, rimbalzano all'interno della scatola in tutte le direzioni; la somma delle masse è nulla e su tutte le pareti della scatola si sente la stessa pressione, quindi facendo la media non c'è nessuna forza complessiva dalla scatola verso l'esterno.

Diamo alla scatola una spinta per aumentare la sua velocità; ora la parete della scatola che spingiamo si muove verso i fotoni: si sente, rispetto a prima, un po' più di pressione per il loro impatto. Nel frattempo, nella parete opposta della scatola, allontanandosi dai fotoni, si sente meno pressione. C'è una forza diretta all'indietro che si percepisce come una resistenza alla variazione di velocità. I fotoni esercitano una forza sulla scatola, la scatola esercita anch'essa una forza sui fotoni e per la terza legge di Newton che ci dà la conservazione della quantità di moto, l'accelerazione esercitata sulla scatola viene trasferita ai fotoni.

Ora, se si ferma l'accelerazione sulla scatola, lo slancio  viene ripartito di nuovo equamente tra la scatola e fotoni. Ma finché l'accelerazione continua, il differenziale di pressione persiste. L'accelerazione subisce una resistenza e quindi ci sembra che la scatola  sia pesante, come piena di massa: in realtà è indistinguibile dalla massa, perché è proprio la massa! In pratica partendo dall'energia cinetica dei fotoni confinati in uno spazio, il totale del tutto senza l'ombra di un milligrammo, siamo arrivati a percepire un oggetto massivo: tutto ciò perché la massa non è altro che energia confinata (per la maggior parte) ed è questo che ci ha voluto dire Einstein con la celebre formula E=M*C^2 che in realtà lui scrisse per la prima volta come M=E/C^2

Quindi diamo un'occhiata a un altro esempio di energia confinata: una molla compressa contiene più energia di una molla rilassata. Si dice che detiene più energia potenziale. Quindi è una molla compressa più massiccia di una a riposo? E' proprio così! Anche in questo caso, siamo in grado di descrivere questo fenomeno in termini di un effetto fisico diretto. Una molla già compressa è più difficile da comprimere, rispetto ad una molla a riposo. Ma comprimerla è esattamente ciò che devi fare quando tenti di spostarla: in primo luogo, la parte che spingiamo si comprime un po' e poi la pressione diffonde la forza come un onda in avanti, fino a quando tutta la molla si mette in movimento. Quella spinta iniziale è più difficile sulla molla compressa che sulla molla rilassata. Si percepisce come se fosse più massiccia perché lo è.

Questi apparentemente diversi effetti fisici, la  scatola di fotoni e la molla compressa, danno lo stesso risultato di conversione tra massa ed energia, La materia che ci compone però è fatta per lo più da quark ed elettroni e sono le energie cinetiche e di legame tra questi piccoli componenti a farci percepire gli oggetti come "confinati e massivi". In realtà c'è ancora una minuscola componente della massa che non dipende dalle energie confinate ma ha origine molto più esotica: infatti al contrario dei fotoni del nostro primo esempio, gli elettroni ed i quark sarebbero dotati di una piccolissima massa anche se fossero immobili; è una loro caratteristica intrinseca fondamentale che gli viene ceduta attraversando il campo di Higgs che permea tutto lo spazio. Ma se le energie confinate creano l'illusione della massa non potrebbe essere l'interazione con il campo di Higgs a creare l'illusione della gravità?

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=gSKzgpt4HBU

Troll quantistici

Tutti gli esperimenti che hanno dato origine alle varie interpretazione della meccanica quantistica hanno qualcosa in comune; spingono le particelle nel loro micro universo a compiere strane evoluzioni che nel mondo fisico reale accadono raramente ed in alcuni casi mai.

Dall'entaglement quantistico all'esperimento delle due fenditure, i fisici hanno investigato la natura spingendosi ai confini della comprensione sfruttando le proprietà degli oggetti quantici che però nel mondo macroscopico non sono praticamente mai osservabili;

prendiamo ad esempio l'esperimento EPR che descrive la correlazione quantistica di una coppia di oggetti appositamente creata per avere qualità complementari: in laboratorio si potrebbe dar origine ad un elettrone ed un antielettrone per poi separarli prima che possano annichilirsi e spedirli a distanza l'uno dall'altro in modo che neanche la luce possa percorrere tale distanza in tempo utile (normalmente si usano degli economici fotoni ma l'immagine delle antiparticelle mi intriga di più).

Il problema è che tutto il procedimento da mettere in atto per testare la correlazione (entaglement) tra i due oggetti è qualcosa di assolutamente arbitrario e forzato, e che in natura non accadrebbe praticamente mai, e lasciate libere, a seguito di una creazione di particella ed antiparticella, queste si annichilirebbero in qualche nanosecondo: tra l'altro proprio la propensione della natura a non creare coppie correlate quantisticamente per poi separarle, sta alla base delle difficoltà che i ricercatori hanno incontrato prima nel realizzare l'esperimento EPR ed oggi stanno incontrando nella realizzazione del computer quantistico.

Ciò che vorrei dire è che gli esperimenti sono alla base della conoscenza in quanto permettono di capire, anche da stranezze ed anomalie, le caratteristiche di alcuni aspetti della natura, ma ciò non significa che la natura delle cose sia così strana ed anomala. Gli oggetti che vediamo e percepiamo attorno a noi sono reali e come diceva Einstein "la luna esiste anche quando non la vediamo"; questo non vuol dire che creare per esempio nuovi atomi artificiali per allungare la tabella periodica degli elementi sia una cosa sbagliata, ma rimane il fatto che quegli elementi non esistono sulla Terra e non saranno mai stabili e scompariranno in un attimo se lasciati liberi.


Facciamo riferimento ad un altro celebre esperimento, quello della doppia fenditura, che è alle fondamenta della interpretazione che le particelle siano degli oggetti che percepiscono lo sguardo indiscreto dell'osservatore, e si comportino di conseguenza ingannando gli studiosi che prima percepiscono la natura ondulatoria della particella ma dopo averla osservata ne rilevano la sua composizione corpuscolare; il fatto è che l'oggetto quantistico è il conseguente anello di congiunzione tra energia ondulatoria e pacchetto di materia, e se è vero che l'energia equivale in qualche modo alla massa, ci deve essere per forza un momento di transizione tra questi due aspetti della natura apparentemente così distanti. La particella è proprio l'anello di congiunzione, il punto di transizione di stato ed è per questo ci può apparire sia come onda che come corpuscolare.

Il mondo quantico è la terra di mezzo, non quella di confine: quello che troveremo al di là, che siano stringhe, membrane o minuscole dimensioni arrotolate, sarà in ogni caso un mondo fatto esclusivamente di energia, di vibrazione e di spazio; sempre meglio dei troll e dei folletti.

Immersi in un mare limpido (e non annegare)

Uno dei concetti sui cui si fonda la fisica è quello dei campi: il più conosciuto, perché entrato prepotentemente nella vita quotidiana dell'uomo moderno, è quello magnetico, e comunque è stato necessario aspettare i primi decenni del 1800 perché Faraday riuscisse a rendere visibile ciò che era stato occultato fino ad allora.

Una manciata di limatura di ferro sparsa intorno ad una calamita ed ecco che le linee di forza del campo magnetico apparirono perfette nelle loro tracce curve che entravano ed uscivano dal dipolo; chissà se Herbert George Wells quando scrisse nel 1881 "l'uomo invisibile" aveva in mente l'esperimento della limatura, perché in fondo anche nella sua quasi intangibile sagoma, il protagonista del libro poteva essere reso visibile con una spruzzata di vernice. 

Quindi dalla presa di coscienza della possibile esistenza di un mondo invisibile, non spettrale ma fisico, che ci circonda continuamente, sono cresciute le scoperte fondamentali delle leggi che governano l'Universo: il campo magnetico, il campo gravitazionale, il campo elettrodebole, il campo di Higgs. Ma esiste un qualche tipo di limatura o di vernice che possa svelare ai nostri occhi tanta ingombrante presenza intorno a noi?

Ognuna di queste scoperte è stata caratterizzata da una intuizione simile a quella di Faraday: 

la mela in caduta è stata la limatura che ha permesso a Newton di intuire la gravitazione; i raggi di luce incurvati hanno reso visibile la struttura dello spazio-tempo per Einstein; la radioattività (chiamata l'energia nucleare debole) fu invece intuita grazie alle lastre fotografiche che venivano impressionate anche al buio a contatto con sostanze come l'uranio.

Storia diversa è invece quella del campo di Higgs, tra l'altro scoperta scientifica ancora fresca e da concludersi, perché l'intuizione della sua presenza è stata frutto della matematica e delle teorie fisiche preesistenti: in altre parole la limatura che ha reso possibile la visione del bosone di Higgs è stata tutta la teoria fisica sviluppata fino ad oggi, e la vernice spruzzata per rendere visibile agli occhi l'invisibile è stata tutto il meglio della tecnologia in possesso all'uomo e cioè l'LHC, il grande acceleratore di particelle del CERN.

Proviamo ad immaginarci come dei pesci, immersi in un liquido perfettamente trasparente ai nostri occhi ed impercettibile al nostro tatto: ci muoveremmo con naturalezza senza dover pensare al liquido, almeno fino a quando qualcosa non intorbidisse la sostanza rendendola visibile. Lo spazio ed i campi in esso contenuti ci circondano continuamente e forse ne esistono di più di quelli fino ad oggi scoperti, ma fino a quando non troveremo la limatura adatta, rimarranno nascosti, celati nel mare limpido che ci circonda.

Un brivido dall'Universo

Se dovessi definire con una parola tutto ciò che mi circonda direi immediatamente "vibrazione".

I suoni, la luce, il movimento, gli stessi atomi esistono perché esiste la vibrazione, o meglio la possibilità di cambiare in modo ripetitivo e ciclico il proprio stato: il mondo che conosciamo non è altro che la complessa combinazione di cicli di vibrazione diversi e con frequenze eterogenee, dai quali prende vita il balletto del cosmo.

Non è un caso allora che una delle teorie più promettenti nella descrizione completa ed unificata dell'Universo sia quelle delle Stringhe: per farla molto ma molto breve, ogni minuscolo pezzo di materia od unità di energia, non sarebbe altro che il risultato di una minuscola corda oscillante che in base al modo di vibrazione darebbe vita alla varietà di particelle che osservano gli scienziati negli acceleratori come quello del CERN.

Una teoria affascinante, che riporterebbe tutta la creazione ad un unica invisibile (per dimensioni) entità, la stringa o come più recentemente teorizzato una membrana multidimensionale, dalla quale poi creare, vibrando note diverse, i diversi mattoncini che ci compongono, proprio come una corda di un violino emette suoni differenti se pizzicata a dovere; quindi anche per le stringhe la vibrazione sarebbe fondamentale.

Rimane comunque aperta la solita matriosca che ci indurrebbe a porre subito la questione sull'origine della vibrazione della stringa, ma qualsiasi teoria prendessimo come riferimento si avrebbe il problema di rivelare un mistero ad un livello ancora più profondo e quindi dovremmo comunque fermarci all'attimo della creazione, al momento del Big Bang; ed è proprio l'eruzione di materia primordiale ad affascinarmi nel successivo speculativo ragionamento.
Se quelli che chiamiamo energia e materia, che sappiamo essere due facce della stessa medaglia (o dovrei dire due estremità della stessa corda), si trovano ancora dopo miliardi di anni accelerati a seguito del primo grande Bang, lo spazio ed il tempo (che sappiamo essere interagenti tra loro) originati in quello stesso istante, quale caratteristica possono aver plasmato come reazione alla loro stessa creazione?
Einstein ci ha aiutato a capire come il tessuto spazio-temporale si deformi sotto il "peso" della gravità (come un telo teso sul quale appoggino delle bocce) ma tale effetto si manifesta in termini macroscopici ed è tra le pieghe del lenzuolo, quelle minuscole, che ancora nessuno è riuscito a guardare; ciò significa che siamo in possesso di un modello dello spazio-tempo molto preciso a larghe scale ma che ignoriamo se ci siano altri comportamenti od interazioni alle scale atomiche.
E se dovessimo ipotizzare una caratteristica del tessuto quadridimensionale in cui siamo immersi, quale sarebbe più appropriata di una vibrazione? Sarebbe ipotizzabile che, come un lenzuolo scosso ad una estremità, lo spazio-tempo sia in vibrazione fin dall'origine a causa stessa del Big Bang?
Domande che sarebbero da porre a fisici teorici esperti ma alle quali suppongo sarebbe comunque difficile dare una risposta visto che è stato già molto arduo dimostrare sperimentalmente le impercettibili curvature originate dalla relatività generale che comunque hanno scale cosmologiche.
Mi diverto comunque ad immaginare delle analogie tra la funzione d'onda degli elettroni e la fantomatica vibrazione dello spazio-tempo oppure speculando su di un universo in cui siano i nuclei massivi a  vibrare agganciati al lenzuolo e gli elettroni fermi ed immobili ad osservarne la danza.

Cavalcando l'onda

Una delle definizioni più ardue da dare in ambito fisico è quella di energia in senso generico (non in una sua specifica forma), nonostante nella nostra esperienza non facciamo alcuna fatica a riconoscere e misurare molti aspetti di questa sfuggente manifestazione dell'universo; se per esempio guardiamo la bolletta della luce o del gas riconosciamo subito di aver utilizzato (e pagato caro) energia seppure in forme e da fonti diverse, mentre se corriamo ci accorgiamo di bruciare energia perché poi siamo stanchi e dobbiamo reintegrare bevendo e mangiando. Addirittura il pensiero nei nostri cervelli si produce tramite l'energia ed il consumo della stessa con lo scambio di impulsi elettrici tra le sinapsi, e possiamo tranquillamente affermare che l'esistenza di tutto ciò che possiamo osservare (e l'osservazione stessa) dipendono dalla presenza dell'energia.

Da quando Einstein ha derivato dalle sue celebri equazioni della relatività anche quella che sarebbe diventata la formula matematica più famosa al mondo, sappiamo che esiste una relazione strettissima tra energia e massa e che nell'ultima è contenuta una quantità enorme della prima (un grammo di Uranio 235 che subisce interamente la fissione produce circa 8 x 1010 joule, ossia quanto la combustione di circa 3 tonnellate di carbone): il processo inverso è invece più difficile da ottenere perché per trasformare l'energia in massa ci vuole una grande quantità di energia concentrata come per esempio un raggio gamma che impattando su di un nucleo atomico dia corpo alla produzione di una coppia di elettrone (materia) e positrone (antimateria).

Sappiamo anche che un raggio gamma non è altro che un onda elettromagnetica, come un raggio di luce od un onda radiofonica, solo molto più energetica, e ne possiamo dedurre che quindi ogni cosa che ci circonda è in pratica energia che si manifesta in forme diverse fino al suo aspetto più condensato che noi percepiamo come massa e quindi materia.

Se tutto nell'universo è riconducibile all'energia come componente primordiale, possiamo immaginarci in qualche modo che struttura possa avere una cosa così sfuggente ed impalpabile?

Utilizzando l'esempio del fotone cioè il "quanto di energia" od ancora il più piccolo pacchetto di energia con cui possiamo interagire, ed avendo dopo decenni di esperimenti verificato che si comporta sia come un corpuscolo ma anche come un onda, proviamo ad immaginare l'energia come lo scorrere di un onda: in fondo l'increspatura osservata sull'acqua cos'è se non altro che energia allo stato puro che si propaga attraverso il movimento delle molecole?

Ed ecco il mistero più grande: in che mezzo si propaga l'onda energetica dei fotoni nell'universo?