Da Galileo all’antimateria
Il titolo di questo post è prima di tutto una promessa. Sì, vi parlerò anche delle idee straordinarie della fisica moderna, ancora incredibili e spesso fraintese, ma che sono alla base delle tecnologie onnipresenti nella nostra vita. E no, non mi dimenticherò delle prime scoperte e dei primi pionieri della scienza, come Galileo e Newton, che continuano a meritare la nostra ammirazione. Anzi, cercherò di affrontare entrambi gli aspetti allo stesso tempo e di mostrare che le nozioni apprese a scuola sulle scoperte meno recenti sono legate alle frontiere stesse della ricerca fisica.
Partire da Galileo, poi, è quasi un dovere. Il 2009 è un anno galileiano. È l’anno internazionale dell’Astronomia, proclamato in occasione dei 400 anni dalle prime osservazioni astronomiche di Galileo. Nel 1609 Galileo puntò il suo cannocchiale verso la Luna e annotò e disegnò quello che vide. Non è stato l’unico a farlo in quegli anni e forse neppure il primo. Ma fu il primo a capire quello che vedeva. Fu il primo a capire che i contrasti dell’immagine corrispondevano a luoghi più elevati e luoghi più profondi. Capì che quello che vedeva era la luce del Sole che, sorgendo sull’orizzonte della Luna come fa sulla Terra, illuminava prima le cime dei monti e soltanto più tardi il fondo delle valli. Trattando la Luna come un luogo fisico regolato dalle stesse leggi ottiche della Terra, Galileo diede inizio alla scienza moderna.
È giusto, perciò, che proprio sulla Luna gli uomini abbiano rivolto un omaggio a Galileo e a una delle prime leggi da lui scoperte. Il 2009 è anche il quarantesimo anniversario della prima missione umana sul nostro satellite. (Vedi it.wikipedia.org/wiki/Apollo_11) In una missione successiva, la Apollo 15, nel 1971, fu ripetuto uno degli esperimenti più famosi della storia. Il comandante David Scott fece cadere simultaneamente una penna di falco e un martello da geologo. Galileo aveva previsto che due corpi che cadono liberamente nel vuoto cadano con la stessa accelerazione e arrivino al suolo nello stesso momento. Questo è proprio quello che successe il 2 agosto del 1971, come si può vedere nel filmato girato dal pilota del modulo lunare, James Irwin.
La legge di caduta libera di Galileo non è soltanto una delle prime leggi delle scienza moderna. È anche un ottimo esempio di che cosa è giusto aspettarsi da una legge fisica.
- È semplice e generale: Tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione, se è possibile ignorare la resistenza dell’aria. Non ci sono equazioni complicate. Non ci sono giri di parole o termini astrusi. Tutti sono in grado di capire quello che dice.
- È facile da sottoporre a un controllo sperimentale. Prima di Scott e Irwin lo hanno fatto moltissime persone. Fatelo anche voi. Un foglio di carta e una gomma da cancellare cadono in maniera chiaramente diversa, perché il foglio arriva a terra molto più tardi. Ma appallottolate il foglio in una pallina compatta e lasciate cadere di nuovo i due corpi allo stesso momento e dalla stessa altezza. Li vedrete cadere ai vostri piedi simultaneamente.
- È facile immaginare un esperimento che dimostrerebbe che la legge è falsa. Trovate due corpi che cadono (nel vuoto) con accelerazioni diverse, e il gioco è fatto. La legge è dichiarata falsa. Anche se le conseguenze sulle nostre teorie sarebbero catastrofiche, non ci sarebbero esistazioni a cancellarla dai libri di testo.
Come tutte le grandi leggi, semplici e fondamentali allo stesso tempo, la legge di Galileo non ha nulla di antico o di sorpassato. Quando Einstein formulò nel 1916 la sua teoria della relatività generale, la fondò su una semplice ipotesi, quella della validità universale della legge di caduta libera. Dalla teoria di Einstein altri poi ricavarono l’idea che l’Universo sia in espansione e che abbia avuto inizio in una grande esplosione cosmica, il Big Bang.
Possiamo renderci conto dell’importanza di una legge semplice come quella di Galileo se riflettiamo sul fatto che gli esperimenti per controllarne la validità sono ancora in corso. Forse Galileo fece cadere una sfera di legno e una di bronzo dalla torre di Pisa. Il comandante Scott lasciò cadere un martello e una piuma sulla Luna. E in questi ultimi anni sono in corso esperimenti per "lasciar cadere" gli oggetti più esotici mai manipolati in esperimenti di questo genere: delle gocce di antimateria.
Nel 2002 l’esperimento ATHENA del CERN fu il primo a produrre quantità apprezzabili di anti-idrogeno. L’anti-idrogeno è la forma più semplice di antimateria, costituita da atomi formati da un antiprotone negativo attorno al quale si muove un anitelettrone positivo. Se un anti-atomo si scontra con un atomo di materia ordinaria, entrambi si smaterializzano producendo un lampo di raggi gamma. Ma i dispositivi del CERN si sono rivelati in grado di intrappolare gli anti-atomi abbastanza a lungo da compiere su di essi degli esperimenti.
Nel dicembre 2008 è stato deciso un nuovo esperimento, AEGIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy). Lo scopo principale di questo esperimento è quello di osservare con quale accelerazione cade nel vuoto un piccolo gruppo di atomi di anti-idrogeno. L’antimateria cade con la stessa accelerazione della materia? Cade, come ha immaginato qualcuno, verso l’alto? Galileo non ha mai immaginato nulla di simile all’antimateria: ma noi ci aspettiamo che la sua semplicissima legge regoli anche il comportamento di questi aspetti nuovi e sconcertanti della natura.
Come andrà a finire? Non ci resta che aspettare i risultati dell’esperimento!
Per approfondire:
www.mpi-hd.mpg.de/kellerbauer/en/projects/antimatter.htm