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Il processo contro Galileo Galilei nel 1633 rappresenta, come tutti sanno, un momento altissimo e drammatico nella storia della scienza. In quell’occasione si sono scontrati il desiderio del potere di mantenere il controllo ideologico sulle coscienze e la libertà dello scienziato di indagare la verità attraverso l’indagine sperimentale. Galileo fu condannato e costretto, sotto la minaccia della tortura, a rinnegare le proprie convinzioni. Ma il metodo scientifico si affermò nei decenni successivi come la strada maestra per liberare il sapere dall’ossequio all’autorità. La conoscenza non deve accettare nulla per vero, se non attraverso l’esperienza. La teoria può proporre spiegazioni raffinate ed eleganti dei fenomeni fisici. Ma non ha valore se non è in grado di formulare previsioni che possano essere controllate sperimentalmente. Da Galileo ad oggi, è questo il processo umile e scrupoloso attraverso il quale progredisce la scienza.

Ma, e oggi? Cosa succede di fronte ai fenomeni caotici? Abbiamo visto nell’ultimo post che nei sistemi caotici una estrema sensibilità alle condizioni iniziali impedisce di prevederne l’evoluzione futura in maniera quantitativa. L’evoluzione resta deterministica, così che a un particolare valore delle condizioni iniziali corrisponde un particolare stato del sistema dopo un certo tempo. Ma un’incertezza anche minima nelle condizioni iniziali comporta un’incertezza enorme sullo stato finale. Basta che una farfalla batta le ali, e invece del bel tempo fra un mese ci sarà un tornado.
Galileo, moralmente vincitore contro l’Inquisizione, cade dunque vittima di una semplice farfalla? Il caos mette in crisi addirittura lo stesso metodo sperimentale?
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Nel post precedente mi sono occupato delle radici storiche del concetto di caos nella scienza moderna. Il legame fra gas e caos non è (soltanto) etimologico, come abbiamo visto. Ma se il termine "caos" ha acquistato nell’ultimo mezzo secolo l’importanza e anche la popolarità di cui gode, il motivo è un altro.
I gas centrano, certo. Soprattutto un particolare corpo gassoso: la nostra atmosfera. Nei primi anni ‘60 del secolo mscorso, Edward Norton Lorenz stava studiando la possibilità di migliorare le previsioni meteorologiche: un’impresa che richiede grandi capacità matematiche e computer molto potenti, mica retini per farfalle! Eppure fu proprio una specie di farfalla che Lorenz scoprì, una farfalla delicatissima e indistruttibile, una farfalla matematica. Il nome tecnico è attrattore di Lorenz, ma se lo osservate, nel grafico in 3D realizzato da un computer, assomiglia un po’ a una farfalla con le ali aperte. Ali che possono scatenare una tempesta.
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Qualche giorno fa Manuela, studentessa in un liceo scientifico, mi ha mandato un messaggio:

Salve, avrei bisogno di un consiglio riguardo la mia tesina per gli esami di stato. Il tema che ho scelto è la Teoria del Caos e i frattali e cercherò di spiegarla brevemente.
Il mio intento è quello di effettuare un’analisi diacronica e sincronica del termine caos nel corso della storia in maniera sintetica, focalizzando maggiormente sulla modernità. In particolare, vorrei realizzare un circuito elettrico (Circuito di Chua) da collegare ad un oscilloscopio fornitomi dalla scuola, che mi permetterà di visualizzare l’andamento caotico del sistema da me realizzato, e grazie a questo potrò arrivare a descrivere i frattali.
In seguitò a ciò volevo introdurre la Teoria della Complessità dal punto di vista epistemologico, solo che non so bene come articolarla e per questo chiedo aiuto! Capisco che il consiglio che chiedo verte più sulla filosofia, anche se cura l’aspetto scientifico e capirò se la mia domanda non riceverà una risposta! Grazie in anticipo.

Appena ho letto il messaggio di Manuela, ho pensato subito che sarebbe stata una buona idea scrivere un post a proposito della teoria del caos e degli studi sulla complessità. Un’idea troppo buona, forse…
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La lunga interruzione che questo blog ha subito è, come si dice in questi casi, "indipendente dalla mia volontà". Cercando di ricominciare a coltivare questa conversazione – che vorrei fosse un po’ più interattiva, ma forse è la complessità dei temi discussi a rendere la cosa difficile – mi sembra necessario rompere il ghiaccio con una barzelletta. Più precisamente, una barzelletta di cui noi fisici facciamo le spese. È un vecchio classico, perciò alcuni di voi l’avranno già sentita: spero di riuscire comunque a strappare anche a loro un sorriso.
Ecco la versione riportata da Wikipedia:
"La produzione di latte in una fattoria era così scarsa che il fattore scrisse all’università più vicina chiedendo aiuto. Fu formato un gruppo interdisciplinare di docenti, guidato da un fisico teorico, e per due settimane tutto il gruppo condusse intense ricerche sul luogo. Gli studiosi tornarono poi all’università, con i taccuini gonfi di dati. Il compito di redigere il rapporto fu affidato al direttore del gruppo. Poco dopo il fattore ricevette il testo, lo aprì, e lesse la prima riga: Data una mucca sferica nel vuoto…"
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L’aula è piccola, i banchi simili a quelli che da noi si vedono ormai soltanto in chiesa, un tavolo sottile e una panca che corre parallela ad essa, uniti in un unico blocco dove siedono quattro o cinque ragazzi uno a fianco all’altro, ciascuno silenziosamente intento al proprio compito. L’insegnante ci rivolge un saluto discreto e franco e subito torna a dedicare la sua attenzione, anche lei in silenzio, al lavoro dei suoi studenti. L’ingresso di alcuni visitatori fuori dell’ordinario sembra disturbare appena la concentrazione di questa classe. È la mattina di un giorno di festa, le scuole sono chiuse anche qui per le festività invernali di qualche giorno. Ma queste ragazze e questi ragazzi sono in piedi da tempo, nel collegio privato dove ricevono alcune ore di insegnamento supplementare, con insegnanti che possono spiegare loro gli argomenti di studio. Con impegno, copiano tabelle o quesiti da un fascicolo ciclostilato che fa da libro di testo, scrivono in una grafia limpida e un po’ artificiale le risposte richieste. Il soggetto della lezione lo leggo sul frontespizio del fascicolo, un titolo sobrio su una copertina monocolore: Modern Physics.
Chiedo di poter sfogliare il testo, che mi viene offerto con un sorriso timido. Ci sono semplici nozioni sulla struttura elettronica della materia, sul funzionamento dei tubi a vuoto e dei semiconduttori, sui circuiti logici. Soltanto dopo qualche minuto mi accorgo di un dettaglio importante: il testo è in inglese. Leggo la frase: The current flows in one direction only in a junction diode. Ma questi ragazzi di quindici anni non parlano inglese. Non hanno imparato a scrivere in inglese e neppure nell’alfabeto latino. Un foglietto appeso alla parete, scritto a mano in un alfabeto di cui non decifro neppure una lettera, offre un contrasto evidente con le pagine del libro che ho in mano. Ma è naturale che sia così. Siamo a Mandalay, la seconda città del Myanmar, il paese del Sud-Est asiatico che molti in Italia conoscono meglio con il nome coloniale di Birmania.

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"Prof, ma che cos’è, l’energia?" Siamo in aula e stiamo discutendo alcuni problemi di fisica sulla conservazione dell’energia. Finora le domande che gli studenti mi hanno fatto, questa mattina, o che io ho fatto a loro, sono state del tipo: Come si fa in questo caso?, oppure: Quando posso applicare questa relazione piuttosto che quest’altra? Ma immaginavo che prima o poi a qualcuno sarebbe venuto in mente di porre la Madre di Tutte le Domande sull’energia. Me lo aspettavo, ci contavo, perfino. Se non la facevano loro a me, prima o poi la facevo io a loro. Perché sull’energia abbiamo detto già molte cose, ma non ne abbiamo mai dato una definizione. Abbiamo le "formule", naturalmente. Sappiamo applicarle. Ma l’energia alla fine, che cos’è?
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In queste settimane di Esami di Stato — anche nel mio liceo — ho poco tempo per lavorare a delle buone idee, e forse avete poco tempo anche voi che dovreste leggermi, se vi aggrada. Perciò è giusto prepararsi a una pausa estiva, senz’altro di riposo — e questo non vuol dire stramazzare a letto sotto il ventilatore, ma gettarsi anima e corpo in qualche interesse lontanissimo dalla fisica e dalla scuola — e, chissà, anche di studio. Sarebbe forse il tempo di tirare dei bilanci. Provare a capire le luci e le ombre di questo tentativo di comunicazione, chiedersi quali siano stati i motivi di relativo successo, oppure che cosa potrei fare per sollecitare e favorire la reazione e i commenti di voi lettori.
Dal mio punto di vista, la perplessità più grande è proprio il fatto di non essere riuscito a suscitare un po’ di dibattito. Nella mia dorata  solitudine di autore è difficile immaginare che cosa interessi di più ai potenziali interlocutori. Scrivere un post senza commenti a cui rispondere è come fare lezione a una classe che non fa domande. E non è certo questo, quello che mi succede per nove mesi all’anno!

Però non voglio dirvi Arrivederci su una nota di perplessità. Ho pensato invece di mandarvi in vacanza — almeno quando, prima o poi, ci andrete; per me è ancora lunga — con qualche suggerimento di lettura. Libri di fisica, dunque. Ma libri di lettura, non certo manuali scolastici. Piuttosto libri che, volendo, si possono studiare; ma che si possono anche semplicemente leggere, per il piacere di seguire un racconto appassionante: racconto di idee e non di personaggi, ma non per questo meno avventuroso.
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Qualche giorno fa ho avuto occasione di partecipare a una discussione sull’opportunità di affrontare la teoria della relatività di Einstein negli ultimi anni della scuola superiore. Si può fare? È giusto mettere da parte qualche argomento di fisica classica — fra i pochi che già si affrontano, rispetto ai tantissimi studiati in tre secoli di sviluppo scientifico tumultuoso — per fare spazio a una introduzione alla relatività? Ne vale la pena?

Non penso che ci sia un solo modo giusto per rispondere a queste domande. L’insegnamento della fisica nella scuola superiore è comunque quasi sempre soltanto un’introduzione, e sono tanti gli argomenti interessanti che ogni insegnante non affronta. Così, in un certo senso, è una questione di gusti — o meglio, di cultura personale, di inclinazioni, di attitudini. Ogni insegnante fa bene a concentrarsi su ciò che sa insegnare meglio e più volentieri: il suo trasporto si comunicherà allora più facilmente ai suoi studenti. Però…
Però il trasporto e la convinzione sono contagiosi, anche fra insegnanti. Così mi sembra utile proporre la mia risposta al problema, o il mio abbozzo di risposta. E se qualcuno ne sarà incuriosito o invogliato a provare, tanto meglio.

Perché dovremmo insegnare la teoria della relatività? La prima risposta che mi viene alla mente è: per i fenomeni straordinari che ci ha permesso di scoprire. Tutti ne hanno sentito parlare, eppure ogni volta essi risultano stupefacenti.
Nell’ottobre del 1971 due fisici americani, Hafele e Keating, usarono degli aerei di linea per far volare intorno al mondo quattro orologi atomici: al rientro ne confrontarono le letture con degli orologi atomici rimasti stazionari. Gli orologi atomici in volo avevano accumulato un ritardo di circa 60 miliardesimi di secondo, o 60 nanosecondi, durante il volo verso Est, mentre dopo il volo verso Ovest risultavano in anticipo di circa 270 ns. Si trattava della prima verifica sperimentale macroscopica di una previsione celebra della relatività ristretta: il tempo non scorre allo stesso modo per orologi in moto l’uno rispetto all’altro!
Questo risultato, per quanto sconcertante, è così reale che il sistema di posizionamento globale GPS non funzionerebbe se non ne tenesse conto. E non si tratta del solo fatto che la relatività ci ha permesso di scoprire. Un altro è l’esistenza dell’antimateria: particelle del tutto simili ai protoni e agli elettroni della materia ordinaria che costituisce il nostro corpo e gli oggetti intorno a noi, ma con carica elettrica opposta a quelli. Quando una particella di antimateria urta una corrispondente particella di materia, entrambe scompaiono in un lampo di radiazione gamma. La massa delle due particelle si converte interamente in energia, secondo la celebre formula E = mc². Ma, d’altra parte, come si siamo procurati l’antiparticella con la quale fare l’esperimento? Appunto convertendo una certa quantità di energia in massa, in un acceleratore di particelle.

Magari c’è qualcuno che non è impressionato dalle scoperte sperimentali legate alla teoria della relatività. Sì, tutto molto interessante, potrebbe obiettare questo interlocutore, Ma in fondo ci sono scoperte di Galileo che suscitano ancora stupore quando vengono discusse oggi in classe, come il fatto che corpi di massa diversa cadono con la stessa accelerazione. Vero. Ci sono studenti che sgranano gli occhi tutte le volte, quando lo vedono succedere in laboratorio. Allora proverò ad avanzare una seconda ragione. La teoria della relatività va insegnata perché è bella.
Cercherò di essere più preciso. Quando parlo della bellezza di una teoria, non voglio alludere a una valutazione soggettiva, a un fatto di gusti personali. Ci sono opere d’arte che consideriamo universalmente belle (perfino se non corrispondono immediatamente al nostro gusto) perché ci hanno insegnato un nuovo modo di guardare alle cose e hanno arricchito il nostro bagaglio interiore di idee e di immagini. La Commedia di Dante. Il Don Giovanni di Mozart. La Notte stellata di Van Gogh. Un film come 2001 Odissea nello spazio.
Bene. La teoria della relatività è bella proprio in questo modo. Quando la si studia, si incontrano idee che trasformano il nostro modo di vedere il mondo e ci arricchiscono interiormente. Dopo averle comprese non siamo più le stesse persone di prima.
Una di queste idee è certamente quella di spaziotempo. Nella fisica prima di Einstein i fenomeni sono collocati in una particolare regione dello spazio e in un particolare intervallo di tempo: la mia vita, ad esempio, ha luogo sul pianeta Terra (qua e là su di esso, a dire il vero…) e fra il 1959 e il presente. Ma nella teoria della relatività l’estensione spaziale e quella temporale dei fenomeni non sono più indipendenti fra loro. Due eventi che avvengono allo stesso istante per un fisico sulla Terra avvengono a istanti diversi per un fisico su un’astronave di passaggio (sempre che ci sia, un’astronave di passaggio!). Ma mentre la durata e l’estensione dei fenomeni varia da un sistema di riferimento all’altro, c’è una grandezza che rimane invariata, e che rappresenta la separazione spaziotemporale fra i due eventi. Non ci sono più lo spazio e il tempo, ma una combinazione dei due. E la mia vita diventa la mia linea di universo, una curva tracciata nello spaziotempo, e che il mio presente percorre un evento dopo l’altro…
Vorrei potervi dare un’immagine più precisa. Il vantaggio della scienza è che si è certi di comprendere un’idea, se si ha la possibilità di studiarla. Ed è a questo scopo che sto scrivendo il presente post — o sto percorrendo nello spaziotempo gli eventi della sua stesura, se preferite.

Va bene, diciamo che qualcuno ancora non è convinto. OK, la teoria della relatività è bella, sta borbottando, Ma in fondo non conviene studiare a scuola le cose belle, si finisce per odiarle… Questa è davvero un’obiezione formidabile. Eppure non voglio ancora arrendermi. Devo ancora presentare il mio argomento più importante.
La teoria della relatività è nata nel 1905 con un articolo di Einstein pubblicato su una prestigiosa rivista scientifica. (Einstein all’epoca era uno sconosciuto e il suo articolo era rivoluzionario. Eppure fu accettato e pubblicato. La favola del "genio incompreso" è quasi sempre soltanto una favola.) La teoria costrinse gli scienziati a riscrivere la fisica da capo. Tutte le idee considerate salde fino ad allora sullo spazio, il tempo, la massa, l’energia, si rivelarono soltanto approssimazioni di una verità più complessa e sfuggente. La teoria di Newton, che era restata per più di due secoli come l’esempio della capacità dell’intelletto umano di comprendere il mondo, apparve come un primo passo in quella comprensione, e neppure un passo compiuto del tutto nella direzione giusta.
La teoria della relatività ha cambiato il nostro modo di guardare a ciò che riteniamo vero. Dopo avere scoperto fino a che punto le nostre certezze più profonde possono cambiare — e fino a che punto noi siamo capaci di cambiarle, senza rinunciare al sogno di esplorare il mondo con la nostra ragione — nessuno di noi può più credere di avere mai conquistato una verità assoluta. Sappiamo che le nostre teorie sono provvisorie: e sappiamo che questo non impedisce loro di guidarci alla scoperta del mondo. La fisica di Newton ci ha permesso di capire il Sistema Solare e di portare degli uomini sulla Luna. La fisica di Einstein ci ha fatto scoprire lo spaziotempo, l’espansione dell’Universo, l’esistenza dell’antimateria. E quando troveremo una teoria che andrà ancora oltre ciò che oggi sappiamo, abbiamo fiducia che lo farà portandoci ancora più avanti nella comprensione della Natura.
Questa è la lezione entusiasmante e liberatoria che la teoria della relatività ha da insegnare a tutti noi. Nessuno dovrebbe esserne escluso. Ora, si tratta soltanto di scoprire come possiamo fare…

Per approfondire:

L’abstract dell’articolo originale di Hafele e Keating su Science

La pagina di Wikipedia sullo spaziotempo

Una settimana fa ho dichiarato tutto il mio entusiasmo per la scoperta della particella Z⁰ avvenuta al CERN nel 1983 e l’ho definita un trionfo. In quella scoperta una teoria fisica, il Modello Standard, ha dimostrato di non essere soltanto un immenso sforzo di immaginazione scientifica, ma di afferrare anche alcuni aspetti della realtà e di saperci rivelare qualcosa di nuovo sul mondo.

È passato un quarto di secolo, siamo di nuovo al CERN, è di nuovo in corso un grande esperimento, al quale partecipano migliaia di ricercatori, per controllare la validità di un’altra previsione del Modello Standard: l’esistenza del bosone di Higgs. Se fossimo stati fortunati e un certo magnete non fosse esploso, oggi avremmo potuto trovarci a commentare l’avvenuta scoperta del bosone di Higgs. Pazienza. Ci tocca aspettare. Ma il risultato che aspettiamo oggi e che speriamo di sentire annunciare di qui a un anno al massimo non avrà comunque lo stesso sapore di quello del 1983.
Il Modello Standard è la teoria migliore che abbiamo oggi per spiegare i fenomeni che avvengono alla scala dei costituenti dell’atomo (elettroni e nuclei) o del nucleo stesso (protoni e neutroni e, al loro interno, i quark). Questa teoria descrive con grande precisione il comportamento delle particelle elementari (o di quelle che oggi consideriamo elementari…): appunto gli elettroni e altre cinque particelle appartenenti tutte al gruppo dei leptoni, i quark (in tutto sei), gli antileptoni e gli antiquark, e infine le particelle che permettono a leptoni e quark di interagire fra loro (fra le particelle di interazione c’è anche la Z⁰). Un quadro delle particelle previste dal Modello Standard è riprodotto nell’immagine qui riportata, tratta da Wikipedia. Il Modello Standard è matematicamente molto sofisticato, fornisce previsioni molto accurate e nessun esperimento ha mai portato a conclusioni definitive in contrasto con esso. Ma, come dice la volpe al Piccolo Principe: Niente è perfetto…
Perché le equazioni del Modello Standard diano risultati in accordo con gli esperimenti, bisogna supporre che tutte le particelle elementari abbiano massa uguale a zero. Questo, ovviamente, è falso. Un elettrone ha una massa di 9,11∙10^-31 kg: piccola, ma decisamente diversa da zero. Una particella Z⁰, poi, è circa centomila volte più pesante di un elettrone. Come risolvere la contraddizione? I teorici hanno trovato un modo soltanto per salvare le equazioni del Modello e attribuire allo stesso tempo alle particelle le masse corrette.
Bisogna supporre l’esistenza di un’ulteriore particella, il bosone di Higgs. L’interazione fra il bosone di Higgs e le altre particelle produce un effetto che i nostri esperimenti interpretano attribuendo una massa diversa da zero alle particelle stesse. Gli aspetti matematici sono a posto e in ordine. Il problema è soltanto che nessuno ha mai visto lo Higgs.
Questo è l’obiettivo di LHC, il Large Hadron Collider appena costruito al CERN, o almeno uno degli obiettivi principali: vedere lo Higgs. Le energie necessarie sono enormi. I fenomeni da osservare hanno una durata brevissima e devono essere ricostruiti in base a fenomeni successivi che ne sono le conseguenze, magari seguendo particelle che rimangono osservabili per un paio di milionesimi di secondo — un’eternità, a questi livelli. In queste condizioni, scoprire finalmente Higgs sarebbe un grande successo.

Ma non credo che potrei definirlo un trionfo. La reazione della comunità scientifica alla scoperta di Z⁰ è stata all’incirca: Wow, ma allora c’era davvero! Stupore misto a orgoglio. La reazione alla notizia che Higgs c’è ed è stato osservato sarebbe, più probabilmente: E ci mancava anche che non ci fosse… Potremmo parlare di sollievo per lo scampato pericolo.
La differenza è importante e ha un grande significato per comprendere come procede la ricerca scientifica. Venticinque anni fa il Modello Standard era una novità audace, la cui importanza doveva ancora essere dimostrata. Oggi è una vecchia storia, confermata da centinaia di esperimenti, usata dai ricercatori nei calcoli di ogni giorno. Una giovane teoria che prevede un fatto nuovo è la sensazione del momento; una teoria ormai consolidata che fornisce risultati corretti non emoziona più nessuno: al primo risultato sbagliato verrebbe abbandonata senza pietà. Se Higgs non ci fosse, il Modello Standard dovrebbe ammettere la sconfitta e liberare il campo. La scoperta del bosone di Higgs non sarebbe un trionfo: sarebbe un salvataggio in extremis.

In un certo senso, la vera scoperta sarebbe che Higgs non ci fosse. Avremmo scoperto che il Modello Standard è sbagliato e la Natura sfida di nuovo la nostra immaginazione. Come in un videogame, saremmo passati al livello successivo. Questa è una caratteristica straordinaria della ricerca scientifica. Nei videogames si passa al livello successivo quando si superano tute le difficoltà del livello precedente. In fisica si sale di livello quando si riesce finalmente a trovare una difficoltà insuperabile. Il fallimento di tutte le nostre migliori teorie è il tipo di scoperta più importante di tutte. Dopo i trionfi e i salvataggi, sono le catastrofi.

Una famosa catastrofe risale alla fine dell’Ottocento. All’epoca le leggi dell’elettromagnetismo e della termodinamica classica sembravano capaci di descrivere tutti i fenomeni osservabili. Ma studiando le previsioni di quelle teorie nel caso di una cavità mantenuta a una temperatura costante — un forno, in pratica — si scoprì che la teoria prevedeva che il forno avrebbe dovuto emettere una quantità di energia infinita sotto forma di raggi X e gamma. L’ultima volta che ho controllato il grado di cottura della torta non sono stato incenerito dalle radiazioni. Quindi la teoria è sbagliata. Si parla, per motivi tecnici, di catastrofe ultravioletta delle legge di Rayleigh-Jeans. Per risolverla, Planck e Einstein hanno dovuto inventare la teoria quantistica e cambiare la faccia della fisica.

Che io sappia, l’ultima catastrofe nella fisica ha soltanto undici anni. È così recente che non abbiamo ancora avuto il tempo di rendercene conto e in molti casi continuiamo a fare come se nulla fosse. Ma nel 1998 un gruppo di ricerca sulle supernove di tipo Ia ha scoperto un fatto sconcertante: l’espansione dell’Universo sta accelerando.
Sfogliate un libro di astronomia nel quale l’inchiostro abbia avuto il tempo di asciugarsi. Vi leggerete che l’Universo ha avuto origine dal Big Bang circa una dozzina di miliardi di anni fa; e che, da allora, è andato sempre espandendosi. Secondo la teoria classica del Big Bang, l’espansione può andare avanti indefinitamente oppure arrestarsi a un dato istante e cambiare verso, trasformandosi in un collasso. Ma, in ogni caso, l’espansione avviene a una velocità sempre minore. La forza di gravità che le galassie esercitano le une sulle altre deve rallentare il moto di fuga che le porta le une lontano dalle altre.

Invece no, a quanto pare. La velocità con la quale le galassie si allontanano fra loro è andata aumentando.
Perché? Non lo sappiamo. La teoria migliore che abbiamo in proposito parla di energia oscura, o energia del vuoto, o costante cosmologica. Non sappiamo come mai questa costante abbia il valore che sembra avere: se proviamo a calcolarla a partire dalle nostre teorie attuali, troviamo che il valore risulta 10¹²⁰ volte più grande del giusto. Possiamo dire in tutta onestà che questa è la previsione più sbagliata della storia della fisica.
Quello che sappiamo è che, se l’energia oscura esiste,essa costituisce il 72,6% del contenuto di massa ed energia dell’Universo. Un altro 22,8% sarebbe costituito dalla materia oscura, un altro mistero che ha a che fare con il fatto che le galassie stiano insieme, invece di disintegrarsi in stelle sotto l’effetto della propria stessa rotazione. La materia ordinaria, quella di cui siamo fatti noi, la Terra, le cose che vediamo e conosciamo, costituisce appena il 4,6% dell’Universo. Se il Modello Standard è destinato a sopravvivere, dovrà però rassegnarsi al ruolo di "teoria del 4 per cento". Questa è la percentuale dell’Universo che possiamo dire di conoscere. Sul resto ci sono soltanto scommesse — pardon, ipotesi di lavoro.

Come vedete, c’è molto da fare. Smettela di star lì a leggere questa roba e studiate sul serio: abbiamo bisogno di tutti voi per scoprire di cosa è fatto l’Universo!

Per approfondire:

Un video del Cassiopea Project sul Modello Standard:

 La pagina di Wikipedia sull’Universo in accelerazione

Nell’ultimo post ho parlato del significato delle scoperte scientifiche e della radice profonda del nostro bisogno di esplorare l’Universo. Ho citato la scoperta delle leggi dell’elettricità e l’invenzione del laser. Poi mi sono detto: Ma questa è roba vecchia. Quali sono le scoperte della fisica dei nostri giorni? Dove si fanno, le scoperte, oggi?
Ho provato allora a immaginare una lista delle mie scoperte preferite fra quelle più recenti e fra quelle che speriamo di sentire annunciare nel prossimo futuro. Quelle che non si fa mai in tempo a trattare a scuola, e che i testi divulgativi presentano spesso in maniera confusa. E mi sono accorto che ci sono scoperte e scoperte e che non tutte appartengono alla stessa categoria. Ma partiamo dall’inizio…

Una delle mie scoperte preferite non è molto recente, ha un quarto di secolo. Ero uno studente di fisica e l’emozione di quei giorni ha dato un significato speciale agli argomenti che cominciavo a studiare. In certi film americani un personaggio chiede all’altro, Ti ricordi dov’eri quando hanno sparato a Kennedy? Noi, oggi, potremmo domandarci: Ti ricordi dov’eri quando sono crollate le Torri Gemelle? Per un fisico italiano della mia generazione potrei proporre — scherzosamente ma non troppo — la domanda: Ti ricordi dov’eri quando hanno dato il Nobel a Carlo Rubbia? (Io sì, me lo ricordo.)
Era il 1984. Di solito i premi Nobel arrivano con lentezza: Albert Einstein aspettò sedici anni prima di ricevere il suo. (No, non per la teoria della relatività.) Quell’anno non fu così. Carlo Rubbia e Simon van der Meer ricevettero il premio Nobel per la Fisica del 1984 per una scoperta avvenuta soltanto l’anno prima. Ma si trattava di una scoperta così decisiva che la sua importanza fu immediatamente chiara a tutta la comunità scientifica.
Nel 1983, al Super Proton Synchrotron del CERN, a Ginevra, un gruppo di più di 100 ricercatori guidato da Rubbia ottenne la prova sperimentale dell’esistenza di tre particelle elementari mai osservate prima, i bosoni vettori intermedi W⁺, W^- e Z⁰. In questi casi si parla spesso di "particelle subatomiche": eppure un solo bosone vettore pesa più di un intero atomo di ferro! La loro massa è così grande che per crearli è stata necessaria concentrare una enorme quantità di energia: una concentrazione di energia simile a quella presente quando l’Universo aveva soltanto un miliardesimo di secondo e la sua temperatura era di circa un milione di miliardi di gradi. Nello SPS del CERN furono ricreate quelle condizioni: e come risultato, in a piccola percentuale degli eventi realizzati, apparve la traccia sfuggente, ma inconfondibile — in gergo la chiamiamo la firma — della Z⁰.
La Z⁰ non è una particella stabile. La sua vita media è molto breve: circa 10^-25 secondi, un tempo che a un raggio di luce non basterebbe nemmeno per attraversare un nucleo atomico. In così poco tempo la particella non fa in tempo a lasciare alcuna traccia diretta di sé. Quelle che osserviamo sono le particelle prodotte dalla sua disintegrazione.
Proprio come nel diagramma qui a fianco: state guardando lungo il tunnel principale del CERN, in uno dei punti in cui avvengono gli urti nei quali sono create le nuove particelle. Come facciamo a sapere che in questo caso è stata creata una Z⁰? Dal centro del tunnel si allontanano due tracce che il computer disegna in colore azzurro. (Mi piacerebbe potervi dire che sono azzurre, ma non è così…) Le particelle attraversano le pareti del tunnel e sfuggono lontano: ma prima fanno scattare dei rivelatori. C’è un segnale giallo e un segnale violetto per ciascuna particella, e la grandezza del segnale ci indica l’energia della particella stessa. Se sommiamo l’energia delle due particelle troviamo il valore della massa della Z⁰: una Z⁰ si è prodotta e si è subito disintegrata in due muoni, schizzati via in direzioni opposte alla velocità della luce.
Quando si impara a leggere questo diagramma, si riesce quasi a vederla, la Z⁰…

Perché questa scoperta è così importante? Perché non è avvenuta a caso. La particella era esattamente dove doveva essere.
Nel 1846 l’astronomo Johann Gottfried Galle, seguendo i calcoli di Urbain Le Verrier, scoprì il pianeta Nettuno. Il cielo notturno è molto grande. Ma Le Verrier, studiando le piccole deviazioni di Urano dall’orbita prevista, aveva calcolato la traiettoria dell’ipotetico pianeta responsabile di quelle deviazioni e aveva previsto la posizione di Nettuno in quel periodo dell’anno. E Nettuno era proprio lì, ad appena 1° di distanza dalla posizione calcolata da Le Verrier. Gli occhi della teoria erano stati letteralmente capaci di catturare l’invisibile.
Tra la fine degli anni 1960 e gli anni 1970, Steven Weinberg, Sheldon Glashow e Abdus Salam avevano proposto una nuova teoria per spiegare il comportamento delle particelle subatomiche fino ad allora scoperte. La loro teoria (che oggi chiamiamo Modello Standard) faceva però qualcosa di più: introduceva tre nuove particelle e prevedeva le loro masse. Nel 1983 Rubbia sapeva in quale intervallo di valori della massa cercare. E in quell’intervallo fra tutti gli intervalli possibili, esattamente con le proprietà previste, c’erano proprie le tre nuove particelle: Z⁰, W⁺ e W^-.
Forse ora capite il motivo della mia emozione da giovane studente di fisica. Una teoria, che io cominciavo a capire, era capace di "indovinare" l’esistenza di particelle che nessuno aveva mai visto prima. Questo voleva dire che la teoria era giusta. Che attraverso di essa era la realtà stessa che riuscivamo a intravvedere: una realtà fatta di oggetti lontanissimi, che esistono per tempi incredibilmente brevi e concentrano nelle proprie masse un’energia straordinaria. Una realtà remota dalla nostra esperienza: ma che la nostra teoria riusciva a toccare.
(Un po’ di emozione veniva anche, lo confesso, dalla notizia del premio Nobel assegnato a un italiano…)

Per me, scoperte come quella di Nettuno o dei bosoni vettori intermedi sono trionfi. L’obiettivo della fisica è scrivere le leggi della Natura. Ma una legge non ha alcun valore se si limita a formulare in un altro linguaggio, magari matematicamente più elegante, qualcosa che sappiamo già. Quello che pretendiamo è che le leggi ci permettano di scoprire qualcosa di nuovo, di vedere l’invisibile. Quando ci riusciamo, abbiamo la sensazione di avere fatto ciò che Einstein disse di voler fare: dare un’occhiata alle carte di Dio. Afferrare uno dei segreti che la Natura custodisce gelosamente.

Nel raccontare questa storia ho citato spesso il CERN, il grande centro di ricerca internazionale con sede a Ginevra. Molti di voi si ricorderanno che il CERN è stato al centro delle cronache di tutto il mondo nel settembre scorso. Qualcuno magari si starà anche chiedendo: A proposito, ma che fine ha fatto…?
Il 10 settembre 2008 al CERN è stato acceso il Large Hadron Collider, l’ultimo e più potente erede delle macchine con le quali Rubbia e gli altri scoprirono la Z⁰. LHC si spinge ancora oltre, raggiunge temperature più alte di quelle, si avvicina ancora di più a ricreare le condizioni esistenti nelle prime frazioni di secondo di vita dell’Universo. Quando all’inizio scrivevo delle scoperte che mi piacerebbe vedere annunciate nel prossimo futuro, pensavo in primo luogo a LHC. A dir la verità, a settembre credevo che oggi, con un po’ di fortuna, mi sarei potuto trovare a raccontarle come già avvenute, quelle scoperte. Ma LHC ha fatto una cosa che fanno le lampadine e i frigoriferi, ma che chissà perché non ci si aspetta che possa accadere a uno strumento così sofisticato: si è rotto. Un contatto realizzato male ha provocato un’esplosione nel serbatoio di elio liquido di uno dei giganteschi magneti a superconduttore. È stato necessario fermare tutto e svuotare i serbatoi. L’esplosione ha anche contaminato il tunnel principale con della fuliggine. Ve lo immaginate? Il più straordinario strumento scientifico della storia, sporco di fuliggine?!?
In ogni caso, ci tocca aspettare. Se tutto va bene (incrociate le dita, per favore), si riparte a settembre. Allora ricomincerà la caccia alla prossima scoperta. Come venticinque anni fa, cerchiamo una particella prevista dal Modello Standard. Allora era la Z⁰, oggi si tratta del bosone di Higgs. Ci sono delle somiglianze, come vedete. Ma anche delle differenze profonde. E la scoperta del bosone di Higgs, se scoperta sarà, avrà un significato e un sapore molto diversi da allora.

Però, tanto per cambiare, ho scritto troppo. Bisogna che rimandi la conclusione a un’altra volta…

Per approfondire:

La pagina di Wikipedia sui bosoni vettori intermedi.

Il sito del CERN rivolto al pubblico.

L’immagine della prima osservazione di una Z⁰.