Terrestri, stellari, mentali

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I laboratori, siano essi di fisica, chimica, genetica, farmacologia o altro ancora, permettono di condurre esperimenti, ottenere risultati in condizioni controllate e dunque capire, imparare. A volte con apparecchiature estremamente semplici, a volte con quanto di più complesso sia mai stato costruito (basta pensare, ad esempio, al CERN di Ginevra), i ricercatori costruiscono situazioni adatte a studiare particolari fenomeni.
La possibilità di variare o meno i diversi parametri che concorrono a determinare il risultato dell’esperimento permette di sfruttare il principio di causa-effetto per comprendere che cosa determina un particolare comportamento, qual è la dipendenza funzionale di una quantità da un’altra, cosa influenza l’evoluzione di un fenomeno e così via.
Ecco dunque che nei tanti laboratori sparsi per il mondo i ricercatori alternano la somministrazione di un nuovo principio attivo e di un placebo per verificare l’efficacia di un nuovo farmaco e i suoi eventuali effetti collaterali, manipolano geni per rendere una pianta resistente a determinati parassiti o ai diserbanti utilizzati per eliminare le erbe che infestano le coltivazioni, studiano nuovi materiali e nuovi composti che permettano la superconduttività a temperature sempre più alte, approfondiscono la nostra conoscenza delle interazioni fondamentali tra radiazione e materia.
Tutte situazioni in cui il laboratorio è accessibile ed è quindi possibile interagire con l’esperimento e modificare le condizioni operative proprio per capirne l’influenza su quanto si sta studiando.

Anche gli astronomi hanno i loro laboratori; i migliori, tuttavia, sono sparsi nell’universo e non sono quindi direttamente accessibili. Si tratta fondamentalmente di stelle e di galassie, nelle loro tantissime varietà, di gas e di polveri, di radiazione e di particelle. In pratica, ogni oggetto astronomico può essere considerato un laboratorio che permette importanti esperimenti.
I laboratori astronomici più interessanti sono ovviamente quelli dove le condizioni sono particolarmente estreme, per esempio per l’intensità dei campi magnetici o della forza gravitazionale, per l’altissima temperatura dei gas o per l’enorme quantità di energia che si sprigiona da un evento catastrofico. Sono spesso situazioni che – appunto perché estreme – non possono essere riprodotte sulla Terra e dunque forniscono occasioni uniche di lavoro.

Ecco allora che tra le stelle assumono particolare importanza le pulsar e le magnetar, così come le supernovae con i loro remnants; ecco che le galassie più interessanti sono quelle dove alberga un buco nero supermassivo dai dintorni del quale emergono getti accelerati di particelle relativistiche, ma anche quelle di altissimo redshift e dunque viste come erano poco dopo la loro formazione.
La pulsar binaria PSR B1913+16, scoperta nel 1974 da Hulse e Taylor, ad esempio, è stato un ottimo laboratorio per una verifica della teoria della relatività generale (GR) formulata da Einstein un secolo fa.
Il decadimento della sua orbita, misurato nell’arco di oltre trent’anni di osservazioni, è in perfetto accordo con il tasso di perdita di energia per emissione di onde gravitazionali, come previsto dalla Relatività generale. Ma anche una semplice eclisse di Sole può essere utilizzata come laboratorio di fisica: è quanto fece Eddington nel 1919 misurando la deflessione della luce ad opera del Sole e ottenendo la prima verifica sperimentale della GR (v. “le  Stelle” n. 113, pp. 12-13).

La relatività generale, anche per le difficoltà sinora incontrate nel tentativo di unificarla  con la teoria quantistica dei campi, è stata ed è continuamente oggetto di verifiche (finora tutte con successo!) limitate, tuttavia, a situazioni di campi deboli o moderati, come nel caso delle pulsar.
La recente scoperta di un buco nero di quattro milioni di masse solari (la massa di una pulsar è di circa una massa solare) nel centro della nostra galassia e di un gruppo di stelle che gli orbitano intorno mette dunque a nostra disposizione un altro laboratorio adatto a nuove verifiche ed esperimenti. È pur sempre un laboratorio “sigillato”, che non permette di manipolarne i costituenti – solo osservare quanto accade – ma offre condizioni uniche, non riproducibili sulla Terra e precedentemente non disponibili nemmeno nello spazio.
Un altro modo di sperimentare, anche in situazioni che non è possibile realizzare materialmente, è quello di utilizzare un altro tipo di laboratorio, unico nel suo genere.
È il nostro cervello, con cui possiamo condurre “esperimenti mentali” (o gedankenexperiment, come diceva Einstein che ne faceva uso frequente) guidati dal ragionamento e limitati solamente dalle leggi della natura.
I gedankenexperiment hanno assunto maggior notorietà nell’ultimo secolo proprio grazie a Einstein, che ne ha proposti diversi, ma si può dire che la storia del pensiero scientifico sia costellata da molti esempi di esperimenti mentali e che essi fossero addirittura già utilizzati dagli antichi greci e latini.
Einstein ci racconta in alcune sue note autobiografiche che a sedici anni immaginò di viaggiare insieme a un raggio di luce che avrebbe quindi dovuto apparire per lui come un’onda stazionaria e ci spiega che sia secondo esperienza che secondo le equazioni di Maxwell ciò non era possibile; la fisica però doveva essere la stessa tanto per un osservatore “fermo” sulla Terra quanto per uno in moto rettilineo uniforme.
È lui stesso a riconoscere nel paradosso che derivava dal suo gedankenexperiment il seme della successiva teoria della relatività ristretta.

Un altro esperimento mentale (e questo, a differenza del precedente, realizzabile) è quello che contempla una persona chiusa in un ascensore in caduta libera in un campo gravitazionale uniforme che lascia liberi dei gravi che ha con sé.
Questi rimangono solidali con la persona che quindi non può distinguere se si trova in “caduta libera” in un campo gravitazionale o se piuttosto in moto rettilineo uniforme in assenza di gravità. Questo esperimento, che illustra l’equivalenza tra inerzia e gravitazione, stimolò Einstein a superare la teoria della gravitazione newtoniana e a formulare la teoria della Relatività Generale.
Nella sua forma debole, il principio di equivalenza è stato verificato (sino a una parte su 1013) con esperimenti reali, utilizzando misure laser della distanza Terra-Luna.

L'esperimento mentale di Einstein sulla meccanica quantistica

Forse il più famoso esperimento mentale di Einstein è però quello immaginato con Podolsky e Rosen (paradosso EPR) al fine di dimostrare come la meccanica quantistica consentisse che una misura eseguita su una parte di un sistema quantistico potesse propagare istantaneamente un effetto sul risultato di un’altra misura, eseguita successivamente su un’altra parte dello stesso sistema, indipendentemente dalla distanza che separa le due parti.
Questo effetto, successivamente chiamato entanglement quantistico, era considerato paradossale e incompatibile con la relatività ristretta e Einstein lo voleva usare per dimostrare l’incompletezza della meccanica quantistica.
Il paradosso EPR aprì un notevole dibattito con una risposta di Bohr, una riformulazione di Bohm, il contributo del gatto di Schrödinger (con un altro gedankenexperiment) e infine con il teorema di Bell le cui verifiche hanno aiutato a chiarire il problema.
L’entanglement è da anni oggetto di esperimenti reali, di cui è pioniere il fisico Anton Zeilinger, che sembrano confermarne l’esistenza.
È curioso notare come gli studi sulla gravitazione si siano spesso avvalsi dei gedankenexperiment. Prima ancora di Einstein, infatti, è probabile che se ne sia avvalso Newton (molti dubitano che la mela gli sia effettivamente caduta sulla testa, anche se uno dei suoi primi biografi, William Stukeley, ne fa riferimento nelle Memoirs of Sir Isaac Newton’s life, pubblicate nel 1752) e quasi certamente Galileo, che era arrivato alla conclusione che, contrariamente a quanto asseriva Aristotele, due oggetti della stessa forma e dimensione, ma di peso diverso, sarebbero caduti con la stessa velocità verso terra, arrivando dunque insieme se rilasciati insieme. 

Il gedankenexperiment di Galileo

Pochi credono che Galileo sia veramente salito in cima alla torre di Pisa con palle di legno e di ferro per condurre realmente l’esperimento, visto che sapeva che la resistenza del mezzo (aria, acqua, altro) influiva sulla velocità di caduta e visto che era più semplice condurlo mentalmente.
Spiega Salviati a Simplicio: “Quando dunque noi avessimo due mobili, le  naturali  velocità  dei  quali  fossero  ineguali, è manifesto  che  se  noi congiungessimo  il  più tardo col più veloce, questo dal più tardo sarebbe in parte ritardato, ed il tardo in parte  velocitato  dall’altro  più  veloce.”  ...  ...  “Ma  se questo è, ed è insieme vero che una pietra grande si muove per esempio con otto gradi di  velocità, ed una minore con quattro, adunque  congiungendole ammenedue insieme, il composto di loro si muoverà con velocità minore  di otto gradi; ma le due pietre congiunte insieme fanno una pietra maggiore, che quella prima, che si moveva con otto gradi di velocità; adunque questa maggiore si muove men  velocemente,  che  la  minore:  che  è  contro  la  vostra supposizione. Vedete dunque, come dal suppor che il mobile più grave si muova più  velocemente  del men grave  io  vi  concludo  il più grave muoversi men velocemente.”
Dimostrazione “per assurdo” che nega dunque l’ipotesi. Semplice e geniale.

Nel 1971, il gedankenexperiment di Galileo, che richiede di essere condotto nel vuoto per avere validità (da qui la difficoltà di farlo a Pisa, anche se in Piazza dei Miracoli), fu effettivamente eseguito in un laboratorio che da “astronomico” era da poco diventato “accessibile”: la Luna.
David Scott, comandante della missione Apollo 15, prima di ripartire per la Terra lasciò cadere sul suolo lunare un martello e una piuma. Rilasciati insieme, colpirono insieme il suolo, cadendo dunque con la stessa velocità (v. “le Stelle” n. 131, p. 74).
Non era certo necessaria questa conferma, ma è intellettualmente gratificante aver realizzato quanto concepito da Galileo nel '600 ed essere andati a farlo là dove il vuoto – nel senso di assenza di atmosfera – è condizione naturale.

Tratto da Le Stelle n° 132, luglio 2014

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