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I minatori lo hanno sempre saputo. A grandi profondità la temperatura ambiente è maggiore della temperatura media alla superficie. Qualche numero può essere interessante: il gradiente geotermico, cioè il tasso di aumento della temperatura con la profondità, è in media dell’ordine di 20 kelvin al kilometro. L’interno della Terra è caldo, molto più caldo della crosta terrestre, dell’atmosfera e dello spazio circostante. Così la Terra, come un sasso scaldatosi al sole, irraggia calore: e lo fa nella misura di un decimo di watt per metro quadrato. Ma perché lo fa?

La Terra è nata dallo scontro e dalla fusione di piccoli corpi solidi orbitanti intorno al Sole circa 4,5 miliardi di anni fa. (Questa per molto tempo è stata una ipotesi teorica. Oggi possiamo vedere un fenomeno simile in altri sistemi solari, come nell’immagine del telescopio orbitante Hubble qui a fianco, che mostra una zona di formazione planetaria a 450 anni-luce da noi, nella costellazione del Toro.) Nell’urto l’energia cinetica dei frammenti si è trasformata in energia termica, facendoli fondere. Proprio perché la Terra si è formata allo stato fuso, la forza di gravità di ogni parte su ogni altra ha potuto plasmarla nella forma di una sfera. Ma c’è dell’altro. Nella massa allo stato fuso della Terra primordiale, gli elementi chimici più densi sono sprofondati all’interno e quelli meno densi sono stati spinti alla superficie. È per questo che la densità della crosta terrestre è di circa 3000 kg/m³, mentre la densità della Terra nel suo complesso è di 5500 kg/m³.

Dopo la formazione della Terra, gli strati più esterni, a contatto con lo spazio esterno freddo, si sono solidificati rapidamente formando la crosta terrestre. Da allora l’energia termica dell’interno ha continuato a fluire verso l’esterno, obbedendo a una delle leggi fondamentali della Natura, il secondo principio della termodinamica: il calore si tramette necessariamente dai corpi più caldi a quelli più freddi.
Come abbiamo visto nell’ultimo post, proprio uno degli scopritori del secondo principio, Lord Kelvin, calcolò nell’Ottocento l’età della Terra in base all’ipotesi che il calore raggiante che osserviamo oggi sia semplicemente quanto resta dell’immensa energia termica della Terra primordiale. Ottenne un valore fra i 100 e i 20 milioni di anni, in clamoroso contrasto con le ipotesi dei geologi del tempo, che parlavano di parecchi miliardi di anni. E gettando nello sconforto Darwin, che era convinto che l’evoluzione biologica richiedesse tempi molto lunghi.

Darwin aveva ragione, ma Kelvin non aveva del tutto torto. Se l’origine del calore geotermico fosse l’energia termica della Terra primordiale, allora la Terra dovrebbe essere relativamente giovane. La deduzione è corretta, ma l’ipotesi non lo è. Kelvin aveva escluso fenomeni nuovi, che riteneva improbabili. Questo è sempre un passo azzardato, da parte di uno scienziato.
Trenta anni dopo la pubblicazione dell’articoletto stroncatorio di Lord Kelvin, nel 1896, Henri Becquerel scoprì in effetti un fenomeno del tutto imprevisto. Ci sono sostanze che liberano spontaneamente grandi quantità di energia: sono le sostanze radioattive. Nessuno aveva mai visto niente di simile, perciò dobbiamo scusare in parte lo scetticismo di Kelvin. Il comportamento dei minerali radioattivi era sconcertante. Uno dei pionieri dello studio di queste sostanze, Pierre Curie, dichiarò che non gli sarebbe piaciuto affatto trovarsi nella stessa stanza con un kilogrammo di radio, il cui effetto sarebbe stato probabilmente di bruciare la pelle dal corpo e ardergli i bulbi oculari…
Fra le conseguenze di queste scoperte c’era evidentemente anche la confutazione della confutazione di Kelvin. Quest’ultimo aveva negato alla geologia e a Darwin i miliardi di anni di cui aveva bisogno la Natura per produrre gli effetti osservati, affermando che non esisteva un meccanismo per giustificare che la Terra emettesse tanto calore per così tanto tempo. Ora il meccanismo esisteva. Esistevano minerali pesanti che emettevano l’energia necessaria. E, in quanto pesanti, dovevano essere sprofondati all’interno della Terra durante la sua fase fluida. A quanto pare, il cuore della Terra è radioattivo, come in un album dei Pink Floyd.

A quaranta anni dall’inizio della controversia, nel 1904, il giovane fisico neozelandese Ernest Rutherford aveva ormai scoperto le leggi dei fenomeni radioattivi e formulato un meccanismo per spiegare le immense quantità di energia liberate. La Royal Institution britannica lo invitò a tenere una conferenza sui suoi risultati. Immaginate l’imbarazzo di Rutherford quando, presentandosi davanti alla platea, vide in prima fila proprio l’anziano Kelvin!
Nel documentario qui di seguito si parte proprio dalla ricostruzione di questo famoso episodio.

Ci sono diversi aspetti istruttivi in questa storia. Uno di questi è la conferma, se ce ne fosse bisogno, del carattere scientifico della teoria di Darwin, cioè del suo potere predittivo e della sua falsificabilità. Se le specie non sono sempre esistite quali noi le vediamo oggi e se la loro evoluzione è avvenuta grazie al meccanismo spontaneo illustrato da Darwin, allora la vita esiste sulla Terra da un tempo molto grande. Darwin era consapevole di questo. Se la sua teoria era giusta, l’ipotesi di Lyell del tempo geologico profondo era necessariamente vera. E se tale ipotesi era confutata, anche la teoria dell’evoluzione lo era. Darwin stesso invitava i lettori della Origine a chiudere senz’altro il libro, se non erano disposti ad accettare l’ipotesi di un tempo "incomprensibilmente vasto" nel passato degli organismi biologici e del nostro pianeta.
Una teoria scientifica non è una "teoria" nel senso volgare del termine. Non è un insieme incoerente di ipotesi indifferente ai fatti. Deve predire dei fenomeni sorprendenti e deve accettare il rischio di fallire, se tali fenomeni non sono osservati. Darwin accettò il rischio della scienza e ne uscì vittorioso.

Un altro aspetto interessante è il legame profondo fra la teoria di Darwin dell’evoluzione e la teoria di Rutherford del decadimento radioattivo. In entrambi casi ci troviamo di fronte a una teoria basata sul cambiamento spontaneo. Nella teoria dell’evoluzione il meccanismo di fondo è l’insorgere di nuove cartteristiche all’interno di una popolazione naturale. Un batterio "nasce" con la capacità di resistere a un antibiotico, e i suoi discendenti si moltiplicano dando luogo a una nuova specie batterica resistente. Nella teoria di Rutherford, un atomo di radio si trasforma spontaneamente in un atomo di radon, liberando una particella alfa dotata di un’energia di 5,8 milioni di elettronvolt. In un caso come nell’altro, l’idea di cambiamento introduce il concetto di storia nella scienza. Introduce il divenire. Ora sappiamo che la vita ha avuto una storia. Ma anche che l’Universo stesso ne ha avuta una. Anche l’Universo si è evoluto.

Si tratta, anche in questo caso, di un’evoluzione darwiniana? Vale la pena di tornarci sopra…

Per saperne di più:

Wikipedia sull’età della Terra

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