Benvenuti nel Mondo della Fisica!
La Fisica moderna, ben oltre il nostro capire intuitivo, ci regala tantissime risposte sulla natura nostra e dell’Universo.

Probabilmente quando la ricerca di una verità totalizzante terminerà, scopriremo che la “La risposta alla domanda fondamentale sulla vita, l'universo e tutto quanto” è proprio quel 42 che Douglas Adams affida a Pensiero Profondo in Guida Galattica per Autostoppisti. Nell’attesa però dobbiamo accontentarci delle tante storie della fisica moderna per provare a capire qualche risposta, parziale, che snocciola una dopo l’altra.

La fisica di oggi, o meglio quella degli ultimi due secoli, ha rivoltato la concezione del Mondo come un calzino, un po’ come avvenne grazie a Newton qualche secolo fa. Oggi sentiamo parlare di onde gravitazionali o di bosone, senza sapere cosa siano esattamente; accettiamo, generalmente di buon grado, l’idea dello spazio-tempo pensato da Einstein, nonostante sia un concetto corretto e rivisto più volte, soprattutto attraverso la teoria quantistica che ha rivoluzionato tutto il mondo della fisica e possiamo dire di avere familiarità perfino con qualche concetto fisico-metaforico come il gatto di Schrödinger senza però avere la reale comprensione di ciò che vogliono significare. (Certo è anche vero che nel Mondo ci sono ancora persone che sostengono il creazionismo, la Terra piatta o il geocentrismo, ma questo è un altro discorso!)

Ok. Time out. Poche righe e già rischiamo di andare subito in difficoltà. Andiamo per gradi. Proverò, con molta umiltà (son pur sempre un chimico, non un fisico!), a buttar giù una sorta di storia della fisica di questo secolo; un racconto per sommi capi, sicuramente non esaustivo, con il solo scopo di suscitare curiosità in chi lo leggerà! Per ulteriori approfondimenti, andate qua!

Prima del XX secolo la fisica aveva una lunghissima tradizione che merita di essere citata per mostrare come si sia arrivati alle tante scoperte di oggi. Tutto nacque nel mondo antico per dare risposte alla curiosità dell’uomo riguardo ai fenomeni naturali che potevano essere osservati (eclissi, moti di corpi) o come strumento in aiuto alla tecnologia militare. In questo contesto il confine tra la speculazione filosofica e l’investigazione scientifica fu, per molti secoli, molto labile: si poteva teorizzare un mondo fatto da atomi o un universo unitario, pensare all’Iperuranio o descrivere una fisica basata sul principio della causa efficiente, sostenere o denigrare le idee più disparate senza mai dover ricorrere a dati sperimentali. Capite che questa fisica era molto lontana dal potersi definire scientifica!
Dopo il periodo “greco”, terminato con la fisica aristotelica, si arriva direttamente, a causa del fortissimo oscurantismo religioso medievale, al rinascimento e a filosofi-scienziati come Cartesio, Gallileo, Copernico e Newton: con loro si passò (finalmente) al principio che la teoria dovesse contemporaneamente discendere ed essere continuamente confermata da dati sperimentali. È la nascita del metodo scientifico. Si entra nell’epoca moderna della scienza.

Cartesio fu il filosofo del metodo, Gallileo e Copernico rivoluzionarono la concezione del cielo, mentre Newton fondò la fisica moderna su principi solidi e dimostrabili empiricamente. Con loro tutto sembrò prendere la giusta direzione. Inoltre la scienza si fece sempre più amica e compagna di tecnica e tecnologia, aiutando la rivoluzione industriale e assumendo sempre più un ruolo di primo piano al servizio delle nascenti industrie.
Il grande limite mondo fisico newtoniano, che apparve evidente alla fine del XIX secolo è l’essere valido solo se riportato alle dimensioni “umane”. Nel mondo dell’infinitamente piccolo e dell’infinitamente grande le leggi di Sir Isaac incassano colpi durissimi e tutta l’intelaiatura inizia a scricchiolare sotto alla domanda dirompente: esiste una fisica generale? (se si, questa deve avere necessariamente le stesse leggi ad ogni livello ed essere unica e valida sempre). Quale potrà mai essere questa teoria unificante? Eccoci dunque qua. Tutta la fisica moderna ruota intorno a questa domanda e a questa riflessione. Quali leggi fisiche possono guidare contemporaneamente i moti dei pianeti, le interazioni tra particelle subatomiche e il nostro tranquillo e normale vivere quotidiano?

Da dove partire quindi? Si pensò di iniziare da qualcosa che fosse “sicuro e univoco”, cioè la definizione di spazio e di tempo. Peccato però che la questione non fosse proprio risolta, anzi si trascinasse da millenni! Secondo Aristotele lo spazio e il tempo erano due categorie fisiche esistenti solo in presenza di corpi e di moti, Newton, meno filosofo e più fisico, all’opposto, li considerava uno scenario assoluto e immutabile in cui tutto si muove e agisce. Per Aristotele spazio e tempo erano di fatto entità separate, ma relative a chi “vive”, mentre per Newton sono termini indiscutibili e insindacabili. Insomma con Newton spazio e tempo erano diventati il palcoscenico del mondo. In effetti sarebbe stato un assioma ideale, avrebbe consentito di sviluppare una fisica assoluta partendo da qualcosa di solido; peccato (si fa per dire) che durante tutto il XIX secolo le grandi scoperte su elettricità, campi magnetici, leggi della chimica e della termodinamica insinuarono enormi dubbi su questa teoria assoluta dello spazio e del tempo. Nonostante gli evidenti scricchiolii dell’Universo newtoniano, solo pochi misero in dubbio l’autorità dell’inglese, così si dovette aspettare il giovane Einstein per capire che il Re era nudo!

Era il 1905 quando la rivoluzione relativistica di Einstein portò alla luce una visione completamente diversa dell’Universo; una visione sicuramente meno intuitiva, ma capace di spiegare molti di quei fenomeni osservati, ma non compresi, fino a quel momento. Con Einstein tempo e spazio diventarono una cosa sola, lo spazio-tempo appunto, una nuova entità non assoluta, ma variabile come ogni altra del mondo fisico. Il tempo non fu più un tranquillo fluire ininterrotto, ma divenne un fiume che scorre diversamente in situazioni diverse: ad esempio, ad altitudini diverse, a velocità diverse e in base alla vicinanza o meno a corpi capaci di attrazione gravitazionale. In definitiva ogni punto dello spazio finì con l’avere un suo tempo proprio, ogni luogo ebbe il suo tempo, proprio perché il tempo era lo spazio e lo spazio era il tempo!
La più nota evidenza (e conseguenza) di questa teoria è che quando guardiamo le stelle, stiamo osservando il passato! Rapidamente: il Sole si trova a una distanza di 7 minuti-luce dalla Terra, cioè la distanza che viene percorsa dalla luce in 7 minuti, quindi quando osserviamo la luce della nostra stella stiamo letteralmente guardando 7 minuti nel passato! E cosi quando guardiamo le stelle lontane anni luce, guardiamo indietro anni, decenni e secoli! Pensateci quando guarderete il cielo della notte: è straordinario!

Adesso avanti veloce fino a oggi. Tutti avrete sentito parlare delle onde gravitazionali. Ecco, va saputo che la loro esistenza era stata ipotizzata proprio da Einstein come conseguenza delle sue teorie relativistiche. Ma cosa sono? Qua una bella spiegazione dettagliata. Immaginatevi di essere su un tappeto elastico (lo spazio-tempo) e di metterci due sfere pesanti; a questo punto ogni sfera incurverà il tappetto sotto il suo peso e attrarrà l’altra sfera dentro la “buca” che si è formata fino a quando le due cavità si fonderanno e le due sfere andranno a urtare. Tutto bene finora? Ok, a questo punto pensate che le due sfere siano due stelle talmente dense che la loro gravità non lasci neanche scappare la luce (i buchi neri) e che il loro urto causi la loro fusione in una nuova stella. Qua entra in gioco la più famosa delle equazioni: E=mc². I due buchi neri avranno masse m1 e m2 così dalla loro fusione ci si aspetterebbe una massa risultante m1+m2, cosa che invece non viene rispettata perché una parte della massa viene convertita in energia e quindi dissipata nell’universo sotto forma, appunto, di onde. L’onda poi si propaga, come quando si tira un sasso in uno stagno, e arriva fino a noi dove, con grande difficoltà e con strumenti estremamente sofisticati, viene captata e osservata. Quello che vediamo oggi non è altro che la dimostrazione di un principio teorico rivoluzionario del 1905!

Quindi abbiamo stabilito che il tempo è relativo, non assoluto ed è dipendente da tantissime altre variabili che si influenzano l’un l’altra senza possibilità di arrivare a nessuna certezza. Direi che la ricerca di una verità completa sembra essere molto lontana dalla sua conclusione! E non solo! A tutto questo si aggiunse, negli anni ’30 e ’40, la rivoluzione quantistica e probabilistica. Quantistico è il contrario di continuo e vuol dire, riferito a una grandezza o entità fisica, che si può prendere solo a determinati valori. Ad esempio la luce, nella sua natura duplice di onda e particella è quantizzata sotto forma di fotoni, tutti uguali con la stessa energia.

Una tale visione era incomprensibile da pensare per il tempo e lo spazio, due grandezze (o una sola unica) che rappresentavano l’esempio stesso di continuum. Eppure è stato dimostrato che anche lo spazio-tempo è quantizzato! Non viviamo in uno spazio pieno in ogni sua dimensione, al contrario siamo immersi in uno spazio puntiforme che non può scendere, come dimensioni, sotto quelle della costante di Plank. E lo stesso vale per il tempo: non c’è un fluire del tempo, assoluto o relativo, ma ci sono punti di tempo che lo rappresentano lungo varie direzioni nel grande tessuto che è lo spazio-tempo. Vi sembra assurdo? Folle? Beh, aspettate ancora un po’!
A tutto ciò va aggiunta la vera chicca della fisica novecentesca: il principio di indeterminazione di Heisenberg. Il fisico tedesco notò alcune imperfezioni nelle teorie e nei calcoli di alcuni grandi chimici e fisici di inizio secolo, si soffermò sul lavoro di Niels Bohr sulla struttura atomica e formulò (durante il suo dottorato) questo principio. Niente fu più uguale.

Infatti se c’era una cosa che nessuno aveva messo mai in discussione in secoli e secoli di storia della scienza era la possibilità di osservare un fenomeno senza modificarlo. Era la base di tutto. Heisenberg distrusse questa certezza. Da quel momento ogni scienziato si è dovuto confrontare con il fatto che una misura, un’osservazione, un esperimento influisce necessariamente con il sistema che si vuol studiare, cambiandone la natura. Pensateci: di fatto è l’ammissione che non è possibile arrivare a una verità certa! Verità certa no, ma probabile si! Ed ecco che la scienza si fa probabilistica, entrano in gioco teorie subatomiche basate sulla probabilità e sulla possibilità, si teorizzano nuovi mondi e nuove ipotesi sul come sia nato l’Universo, su come proceda e su come finirà (se finirà). Ecco che si arriva anche al bosone di Higgs e alle tante particelle studiate e scoperte dal CERN di Ginevra e da altri centri internazionali come questo.

Da Newton a Higgs, da Gallileo a Hawking, da Aristotele a Einstein e Heisenberg il mondo della fisica è un calderone che bolle e che sposta sempre più avanti il traguardo da raggiungere. Sono racconti difficili da seguire, impossibili per molti da capire, ma innegabilmente affascinanti. Perché fa parte della natura umana porsi domande e cercare risposte; risposte che, sappiamo, possono essere date solo dalla scienza e dal suo progresso.