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Ho già ricordato in un altro post che il 2009 è l’anno internazionale dell’astronomia, in occasione del quattrocentesimo anniversario delle prime osservazioni di Galileo mediante il cannocchiale. È una ricorrenza importante, il cui significato può essere facilmente compreso da chiunque osservi la Luna piena, in una notte serena, e mediti su quanti millenni sono trascorsi prima che un uomo riconoscesse con chiarezza in quelle zone più scure e più chiare gli aspetti di una superficie planetaria simile a quella della Terra.

Il 2009, come sappiamo tutti, è anche l’anno dell’evoluzione biologica. Il 12 febbraio scorso abbiamo festeggiato il duecentesimo anniversario della nascita di Charles Darwin. E il 22 novembre prossimo saranno passati 150 anni dalla prima pubblicazione del suo capolavoro, L’origine delle specie per mezzo della selezione naturale. Come fisico ho grande ammirazione e gratitudine per il libro di Darwin, così ricco, chiaro, meravigliosamente minuzioso senza essere mai pedante. E riconosco che il concetto di selezione naturale, nella sua semplicità e potenza, ha un potere esplicativo non inferiore a quello delle leggi di Newton o del principio di equivalenza di Einstein.

Ma perché celebrare Darwin su un blog che parla di fisica? Le leggi dell’evoluzione fanno parte dell’ambito della biologia, dopo tutto. Ha senso che un fisico si dichiari darwiniano? Io credo di sì. Il mondo è uno e la Natura non è divisa in fisica, chimica, biologia. Se vogliamo comprendere la natura delle cose, non serve a niente confinarci in un solo settore e restare indifferenti alle idee che nascono in altri settori. Ecco perché ho deciso di parlare di Darwin e di evoluzione e di farlo dal punto di vista che mi è più congeniale, quello della fisica. Chiedendomi, cioè, in che modo le sue idee risultino utili al progetto di ricerca della fisica stessa.

Il primo aspetto che mi viene in mente è l’episodio della contesa scientifica sull’età della Terra. Nel suo libro, Darwin aderisce esplicitamente alle teorie dei geologi come Lyell che avevano avanzato per la prima volta l’ipotesi che la Terra fosse estremamente antica, anche decine o migliaia di miliardi di anni. Nell’opera di Darwin, l’evoluzione degli esseri viventi avviene grazie a un meccanismo estremamente graduale, basato su due elementi: la presenza ad ogni generazione di una grande varietà di individui in ciascuna popolazione naturale; e la limitatezza delle risorse disponibili, che doveva portare soltanto alcuni di quegli individui a lasciare dei discendenti nella generazione successiva. In questo consiste la selezione naturale: non tutti gli individui arrivano a lasciare un uguale numero di discendenti; e quelli che godono di un qualche vantaggio competitivo sugli altri si riprodurranno in maggiore misura e porteranno a una popolazione futura più simile a loro stessi.

Il meccanismo della selazione naturale richiede tempo. I caratteri ereditari che osserviamo oggi negli animali e nelle piante intorno a noi devono essersi sviluppati e selezionati lentamente, per piccole variazioni. O almeno così pensava Darwin. Il quale aveva quindi bisogno di un palcoscenico geologico estremamente ampio, miliardi di anni a disposizione, perché la selezione naturale portasse alla biosfera a noi e a lui contemporanea.

All’epoca della pubblicazione dell’Origine delle specie, William Thomson era già uno dei più autorevoli fisici inglesi e uno dei più importanti al mondo. Il contributo per il quale lo ricordiamo oggi, una formulazione originale del secondo principio della termodinamica, è soltanto uno dei suoi meriti scientifici: per i quali sarebbe stato investito nel 1892 del titolo di Lord Kelvin. Nel 1866 Thomson pubblicò un articoletto intitolato The “Doctrine of Uniformity” in Geology Briefly Refuted. Il grande biologo evoluzionista Stephen Jay Gould lo ha definito "uno dei documenti più arroganti della storia della scienza." In un solo capoverso, seguito da una mezza pagina di calcoli in appendice, Thomson affermava che la Terra non poteva essere così vecchia come proponevano Lyell e Darwin; in articoli successivi propose dei valori che andavano da 100 a 20 milioni di anni.

Il ragionamento di Thomson è semplice. La Terra è caratterizzata da un certo flusso di calore che dalle sue profondità si irradia alla superficie e di qui nello spazio. Se questo calore è quel che resta dell’energia immagazzinata nelle rocce fuse che formavano la Terra primordiale, alle origini del Sistema Solare, allora un semplice calcolo dimostra che la Terra deve avere cominciato a solidificarsi soltanto poche decine di milioni di anni fa. Oggi, altrimenti, sarebbe molto più fredda. E i calcoli di Thomson, uno dei padri della termodinamica, erano naturalmente giusti…

Darwin continuò per quanto fu possibile a sostenere che doveva esserci un errore nel ragionamento di Thomson. Ai suoi occhi, venti milioni di anni non potevano in alcun modo bastare. Se questo valore era giusto, allora la sua teoria era sbagliata. In una lettera a A. R. Wallace, l’altro creatore della teoria della selezione naturale, Darwin arriva a scrivere che il pensiero di Thomson lo affliggeva come quello di uno "spettro odioso".

Ma c’è un errore nel ragionamento di Thomson? Sì. Ed è un errore che molto a che fare con la storia della fisica. Thomson scrive che "Nessuna ipotesi [...] che possegga anche soltanto un’ombra di plausibilità, può giustificare la supposizione" che la Terra abbia un’età simile a quella proposta dai geologi e sostenuta da Darwin. Questo è il suo errore. Se non avesse tanto creduto alla superiorità della fisica come unica vera scienza razionale, Thomson avrebbe potuto scrivere una frase molto diversa. Avrebbe potuto scrivere "Nessun meccanismo ad oggi noto può giustificare la supposizione…" E se il calore "residuo" della Terra avesse un’origine all’interno della Terra stessa, in un meccanismo ancora sconosciuto capace di liberare grandi quantità di energia?

Un meccanismo simile era ed è in effetti all’opera: si tratta della radioattività. Come vedremo, il calore liberato dalla Terra non è affatto il calore residuo della sua formazione, ma il risultato del decadimento radioattivo degli elementi pesanti abbondanti nel nucleo terrestre. Che colpo, per Thomson, se avesse anche soltanto concesso la possibilità di un meccanismo simile e ne avesse stimato le energie in gioco! Se la fisica avesse prestato ascolto alla biologia, avrebbe potuto prevedere il fenomeno della radioattività, invece di limitarsi a scoprirlo!

Ma per oggi ho già scritto troppo. Riprenderemo questa storia nel prossimo post.
To be continued…

Per saperne di più:

L’articolo orginale di William Thomson

Un lettore, che si firma Rick, ha commentato il post sul Laser Lunar Ranging con il seguente messaggio:

ok per la teoria di Einstein, ma penso che siamo pronti per andare ancora oltre: http://www.theresonanceproject.org/research.html
http://www.theresonanceproject.org/pdf/origin_of_spin.pdf

Questo episodio mi offre l’occasione per fare qualche considerazione generale sui criteri che intendo seguire nel lavoro di ricerca e documentazione per i miei post, e nella scelta delle fonti da pubblicare. Credo che queste considerazioni possano essere utili soprattutto ai giovani che consultano la rete e, imbattendosi in ogni sorta di materiale, non sanno come valutarne la attendibilità.

La scienza è un’impresa collettiva che cresce grazie al contributo e alla critica di tutti coloro che fanno parte della comunità scientifica. Ogni ricercatore può e deve sottoporre il proprio lavoro all’esame e alla critica di tutti gli altri. Questo processo ha luogo attraverso la pubblicazione di articoli sulle riviste scientifiche, articoli che devono essere esaminati da arbitri indipendenti ed esperti del settore prima di essere pubblicati. In attesa della pubblicazione su una rivista specializzata — o anche in maniera indipendente da una simile richiesta di pubblicazione — i ricercatori possono comunicare fra loro molto velocemente sull’archivio informatizzato dei preprint, disponibile a tutti all’indirizzo:
lanl.arxiv.org/
Gli articoli sottoposti allo ArXiv, se rispettano alcune elementari regole di correttezza e rintracciabilità, sono disponibili in pochi giorni a tutti coloro che vogliano consultarli, esaminarli, criticarli, eventualmente confutarli.

Il punto essenziale è che il processo è aperto a tutti ed è trasparente. Non ci sono discriminazioni di razza, religione, opinione politica, appartenenza nazionale o accademica. Non ci sono "congiure del silenzio" e non sarebbe nell’interesse di nessuno metterne su una. Ogni volta che un ricercatore formula una proposta promettente, che apre nuovi orizzonti di indagine, un gran numero di scienziati e di laboratori si affretta a prenderla in esame, nella speranza di partecipare a una scoperta più o meno importante. Un particolare ricercatore può ignorare gli articoli di un altro ricercatore: ma in questo modo non fa altro che concedere un vantaggio competitivo a tuti gli altri ricercatori che si occupano dello stesso problema, e che lavorano nei paesi più diversi, finanziati dalle più diverse istituzioni.

Cosa fare, allora, quando si riceve notizia di un contributo di cui non si può valutare direttamente la validità? Attraverso Internet chiunque lo voglia può rendere disponibili a tutti, almeno in via di principio, le proprie idee. Come fare a controllare se si tratta di idee attendibili?

In ultima analisi, la risposta è: se davvero si vuole controllare la validità di una affermazione, non si può fare altro che studiare quel ramo di indagine fino a padroneggiarne i metodi e i risultati già accertati, per poi esaminare l’articolo in questione e valutarlo personalmente. In via di principio non c’è altra strada. Nessuna autorità costituita può stabilire per mio conto la validità di un risultato scientifico. Nessun elenco di titoli accademici può rendere automaticamente attendibile un articolo o la sua confutazione. La scienza è un processo profondamente democratico.

Naturalmente, ciascuno di noi può svolgere un’operazione simile soltanto su un campo di ricerca molto ristretto, perché il processo che ho descritto richiede moltissimo lavoro. Ma, se non posso compierlo io su un particolare articolo, ho una ragionevole fiducia che altri possano farlo. E che la competizione "virtuosa" fra i ricercatori farà sì che ogni elemento utile finisca prima o poi per emergere.

Così, la prima cosa che faccio quando cerco materiale su un argomento, è consultare i siti come ArXiv o le istituzioni scientifiche internazionali. Spesso è sufficiente una ricerca un po’ accurata con un buon motore di ricerca. Uno scienziato serio sa che deve sottoporre il proprio lavoro all’esame di tutti gli altri nelle sedi pubbliche che esistono da secoli a questo scopo. Un lavoro ben fatto, che contiene elementi utili, sarà notato da altri, citato, diffuso. Le idee si propagano con prontezza.

Questo è quello che ho fatto nel caso del lavoro che Rick ha sottoposto alla mia attenzione. Non sono riuscito a trovare una sola fonte indipendente dall’autore che ne valuti il lavoro. Il nome dell’autore non porta ad alcun risultato negli archivi di ArXiv. Le pagine web che parlano del suo lavoro sono in qualche modo legate a lui o realizzate da suoi collaboratori. Anche il gruppo di redazione di Wikipedia, avendo raggiunto come me un risultato negativo, ha deciso di cancellare la pagina dedicata all’autore in questione.

Questo vuol dire che l’articolo citato è privo di valore? Non necessariamente. È soltanto molto probabile che non contenga nulla di utile. Se l’autore crede nel proprio lavoro, deve soltanto pubblicarlo nelle sedi opportune e sollecitare la critica degli specialisti dello stesso ramo. Quando questo processo sarà avviato, sarò ben lieto di darne notizia.

Sulla Luna c’è uno specchio. Ce n’è più d’uno, a dir la verità. Gli astronauti delle missioni Apollo 11, 14 e 15 ne hanno tutti lasciato uno, che guarda verso la Terra. "Guardare" è proprio il termine giusto. Perché questi specchi, detti retroriflettori, hanno una caratteristica molto utile. Da qualunque angolo li si osservi, lo specchio rimanda l’immagine dell’osservatore. Lo segue, per così dire, con gli occhi…

La prima cosa da spiegare è cosa ci faccia uno specchio sulla Luna. Serve a misurare in maniera estremamente precisa la distanza fra la Terra e la Luna. Tutto comincia con la velocità della luce nel vuoto, che è una delle costanti universali meglio conosciute di tutta la fisica, e vale esattamente 299 792 458 m/s. Esattamente: infatti il metro è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299 792 458 s.

Supponiamo di inviare un fascio di luce verso la Luna e di misurare il tempo che ci mette a tornare indietro: circa due secondi e mezzo. Immaginiamo di misurare questo intervallo di tempo con molta precisione, diciamo con una precisione di un picosecondo, ovvero di un millimiliardesimo di secondo, o 10^-12 s. (I nostri migliori cronometri sono un milione di volte più precisi di così, ne abbiamo già parlato.) Allora potremo conoscere la distanza Terra-Luna con una precisione di un millimiliardesimo del suo valore, il che equivale a pochi millimetri.

Non che sia facile. Le turbolenze dell’atmosfera rendono incerto il valore della velocità della luce e vanno adeguatamente compensate nei calcoli. Ma questa è la parte meno complicata. Le turbolenze sono casuali e comportano deviazioni dal risultato corretto che sono con la stessa probablità in eccesso o in difetto: basta effettuare molte misure e poi prendere la media fra esse, per correggere l’errore. Certo, se vogliamo una grande precisione dobbiamo fare centinaia di migliaia di misure. Ma questo è soltanto un problema pratico, niente di più.

Un altro problema è che l’esperimento non si può fare con una torcia tascabile. (Ci avevate già fatto un pensierino? Peccato…) La luce della torcia si sparpaglia su un’area sempre più grande a mano a mano che si allontana e diventa rapidamente troppo debole. Serve una sorgente luminosa molto più intensa e soprattutto ci serve un fascio che si sparpagli il meno possibile. Che sia, come dice in linguaggio tecnico, molto ben collimato. Useremo un raggio laser, naturalmente. È per questo che la tecnica si chiama LLR, Lunar Laser Ranging.

Anche un laser, però, si sparpaglia almeno un po’. E poi, noi vogliamo che lo faccia. Se il nostro fascio fosse troppo stretto, sarebbe troppo difficile farlo cadere esattamente sullo specchio, che è un bersaglio di pochi metri posto a quasi 400 000 km di distanza. Il fascio usato dal McDonald Observatory in Texas è largo 6,5 km quando colpisce la Luna. Anche così, intercettare lo specchio è come colpire una monetina a 3 km di distanza — e la Luna non sta neanche ferma! Spalmata su un’area così ampia, l’intensità del fascio è estremamente debole. Così debole che nelle condizioni migliori torna indietro meno di un fotone (una singola particella di luce) al secondo.

Ma a che serve tanta precisione? Qual è l’utilità scientifica di conoscere con una precisione di qualche millimetro la distanza fra lo specchio da 30 pollici dell’esperimento LLR e lo specchio lasciato sulla Luna da Buzz Aldrin e Neil Armstrong nel 1969? Il fatto è che, se conosciamo quella particolare distanza con grande precisione, possiamo misurare anche le piccolissime variazioni che essa subisce nel tempo. Queste variazioni hanno una grande importanza teorica.

Una delle domande più interessanti a cui lo LLR cerca di dare una risposta accurata è questa: C’è differenza nel modo in cui la Terra e la Luna sono attratte dal Sole? Per effetto della gravità del Sole, entrambi i corpi celesti cadono verso quest’ultimo; ma poiché hanno anche un moto perpendicolare alla distanza che li separa dal Sole, non cadono davvero sul Sole, ma intorno ad esso. Ciascuno di noi, abitanti della Terra, lo fa. Oggi è una bella giornata di sole, e io sto cadendo verso l’astro luminoso con una accelerazione di circa 6 mm/s². Anche voi, però. Anche la mia sedia, che infatti non resta indietro mentro io mi sollevo lentamente ma inesorabilmente. L’intero pianeta ha un’accelerazione di 6 mm/s² verso il Sole, e come risultato nessuno se ne accorge.

È lo stesso principio del fenomeno detto "assenza di peso" per gli astronauti in orbita. In realtà gli astronauti pesano eccome verso la Terra: altrimenti si perderebbero nello spazio, invece di restare in orbita. Il peso non smette di esserci. Ma lo Shuttle cade verso la Terra (di nuovo: intorno alla Terra) esattamente con la stessa accelerazione degli astronauti. E questi fluttuano, come succede ai passeggeri di un aereo che effettua alcuni secondi di volo in caduta libera. Lo chiamano Vomit Comet, ci sarà un motivo…

Ma è esattamente così? Galileo, Newton e Einstein pensavano di sì. Ma se scoprissimo che la Luna cade verso il Sole con un’accelerazione lievemente diversa da quella della Terra, sarebbe un risultato straordinario. Ecco uno dei motivi per cui è importante controllare le minuscole variazioni della distanza fra il Texas e la Luna. Conosciamo il valore previsto da Newton e da Einstein, possiamo confrontarlo con gli esperimenti. E, sì, per ora hanno ancora ragione loro.

P.S. Ma come fa, lo specchio sulla Luna, a rimandare esattamente indietro la luce che gli inviamo? Perché non la riflette chissà dove, come faceva lo specchietto con il quale giocavo ai segnali Morse da ragazzo in cortile? Io vi dirò soltanto che è un retroriflettore cubico e che chiunque di voi può farsene uno in casa. Vediamo se qualcuno scopre di cosa si tratta…

Per saperne di più:

Wikipedia sull’esperimento LLR

La home page dell’esperimento

La NASA a proposito degli specchi sulla Luna