Lavoro e energia

L’altro giorno un mio amico, lettore di questo blog, mi ha detto di essere rimasto indietro nella lettura degli articoli. La cosa mi ha fatto riflettere, tanto che mi sono chiesto se non fosse il caso di fare un po’ d’ordine e sistemare in maniera organizzata quanto da me scritto finora qui. A volte mi sono ripetuto, ho parlato dello stesso argomento più volte, ma mentre pensavo a quello mi è venuto in mente quanto da me scritto sul progetto “Libro di fisica by dummy” (by, non for, sia chiaro).

Il progetto di parlare di Fisica ha avuto uno stop fisiologico: mi sono dedicato ad altri argomenti. Ma, come il più caparbio dei testardi, riprendo. Ricapitolando, in principio ho “introdotto” l’argomento, con un piccolo “approfondimento“, ho poi parlato di “cinematica” e “dinamica“, trattando anche le figure di grandi scienziati come Keplero e Marie Curie.

Oggi mi occuperò di lavoro, ma solo nel senso della fisica! L’ho specificato, non si sa mai, anche perché non voglio entrare in polemiche politiche…

In fisica si definisce “lavoro” il prodotto dello spostamento per la forza necessaria ad effettuarlo, oppure si dice che quando una forza genera uno spostamento, ha compiuto un “lavoro”. La formula è semplice

formula lavoro

La forza, se ricordate, ne abbiamo già parlato, si esprime in Newton; lo spostamento in metri: il lavoro risultante da una forza di 1 N che provoca uno spostamento di 1 m compie un lavoro di 1 J (joule). Ma per capire meglio, facciamo un paio di esempi.

Se per sollevare una valigia uso una forza di 30 newton e la sollevo a 50 cm da terra, secondo la formula di prima avrò un lavoro di 30 n x 0,5 m = 15 J. Se mi sposto con la valigia, non compirò alcun lavoro, perché non sollevo né abbasso la valigia, quindi il lavoro nel senso della fisica è nullo, anche se muscolarmente devo compiere uno sforzo per tenere la valigia sollevata da terra.

Se io non sollevassi la valigia, ma la strisciassi per spostarla? Farei meno fatica, ma il lavoro non sarebbe nullo, ma la risultante della forza applicata per strisciarla per l’entità dello spostamento.

Questo perché nell’uso comune la parola “lavoro” è associata alla “fatica” che facciamo a compiere qualcosa. Sembra impossibile il fatto che se camminiamo in piano per 20 km uno zaino da 30 kg sulle spalle non compiamo nessun lavoro… Eppure in fisica è così. Abbiamo fatto fatica ma sullo zaino non abbiamo fatto neppure un joule di lavoro.

Un altro esempio che sembra assurdo: un camminatore esce di casa e si fa un giro di 24 chilometri, salendo in montagna ad alta quota, poi torna a casa; quanto lavoro ha compiuto in totale? Zero! Lo spostamento totale è nullo, perché è tornato dove era partito…

L’esempio del camminatore ci fa scoprire un’altra cosa. Se è salito in montagna ha fatto uno spostamento verticale vincendo la forza di gravità, per cui ha sicuramente compiuto un lavoro. Eppure il lavoro totale una volta tornato a casa è nullo. Questo significa solo una cosa: scendendo egli ha compiuto un lavoro negativo che ha annullato quello fatto in salita.

Il concetto di lavoro negativo può essere capito meglio se visto come lavoro ricevuto. Il lavoro che si fa è positivo, quello che si riceve è negativo. Come un ciclista che in una discesa si vede restituire il lavoro fatto in salita.

Visto questo, cerchiamo di capire qual è la discriminante.

A giugno ho fatto il trasloco (l’ennesimo), e mi ha aiutato un gruppo di amici a portare gli scatoloni dal parcheggio al piano. Tutti abbiamo compiuto un lavoro, ma mentre Alessandro ha portato 15 scatoloni, nello stesso tempo io ne ho portati 10, pur compiendo lo stesso lavoro. È appunto il tempo la discriminante.

La persona più potente è stata quella più veloce, nel senso che ha portato più pacchi (e se vedeste Alessandro, che è una montagna, capireste). La potenza in fisica infatti è definita come il rapporto tra il lavoro compiuto e il tempo impiegato a compierlo ed è indicato dalla formula:

formula potenza

L’unità di misura della potenza è il watt (W): un watt è la potenza sviluppata compiendo un lavoro di un joule in un secondo.

Se avessimo avuto un montacarichi, la potenza usata sarebbe stata quella del mezzo usato per sollevare gli scatoloni, sicuramente maggiore di quella umana. Infatti sui montacarichi, sulle gru, e nei vari apparecchi elettrici che abbiamo in casa si legge la misura della potenza in Watt.

È importante ricordare il legame tra la potenza e il tempo: una moto potentissima ci può portare in cima ad un passo alpino, ma è un lavoro che si potrebbe fare anche a piedi; l’unica differenza è il tempo in cui si arriva…

Dunque il lavoro, cioè la forza che usiamo per spostare un oggetto, può essere effettuato in più o meno tempo, usando quindi più o meno potenza.

A questo punto entra in ballo un nuovo concetto, che in fisica è fondamentale: l’energia. Con “energia” intendiamo la capacità di compiere un lavoro. Chiunque o qualunque macchina che compie un lavoro, deve usare una qualche forma di energia, elettrica, elastica o chimica, per esempio.

Anche l’energia si misura in Joule, così da mostrare il suo stretto legame con il lavoro. Oppure possiamo pensare che il lavoro è una forma particolare di energia. L’energia si presenta in molte forme, appunto.

Uno dei concetti fondamentali della fisica è che l’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. Quella contenuta nei corpi in movimento ha un nome particolare: energia cinetica, dal greco κίνησις (kinesis), movimento, energia.

Una freccia contiene abbastanza energia cinetica da vincere l’attrito con il bersaglio conficcandosi in esso. Una palla da pallavolo viene alzata molto alta dandole una forte velocità verticale.

L’energia cinetica si può calcolare con questa formula:

formula energia cinetica

È evidente che più un corpo è massiccio e più contiene energia. Inoltre l’energia cinetica aumenta con il quadrato della velocità: se la velocità raddoppia l’energia quadruplica.

Ma anche ogni oggetto che si trova ad una certa altezza possiede un’energia, solo che ancora non l’ha espressa. Per questo motivo si chiama energia potenziale e ha una formula semplice, legata alla massa, all’altezza e all’attrazione gravitazionale:

U=m⋅g⋅h

Sulla Terra (ricordate?) la g, accelerazione gravitazionale, vale 9,81 m/s2

Questa espressione però è valida solamente vicino alla superficie terrestre dove g si può considerare costante. Se cadiamo dal balcone, la nostra energia potenziale è data dal prodotto della nostra massa (meglio ometterla, soprattutto dopo le feste natalizie) per la costante gravitazionale per l’altezza dal suolo, perché è lì che cadremo.

Esiste un altro tipo di energia, detta energia meccanica. L’energia meccanica è la somma di energia cinetica ed energia potenziale attinenti allo stesso sistema, da distinguere dall’energia totale del sistema E.

Quando due sistemi si scambiano tra loro energia meccanica, tale energia in transito è definita lavoro. Dunque l’energia meccanica può essere posseduta da un sistema e scambiata con altri sistemi, mentre il lavoro corrisponde solamente alla parte di energia meccanica che è scambiata.

Ecco la differenza che cercavamo prima.

Esistono altri tipi di energia, quella elastica, come quella delle molle, o come l’energia termica, contenuta da tutti i corpi con temperatura superiore allo zero assoluto.

Ma il concetto interessante è quello che dicevo prima, cioè che qualunque cosa facciamo, ci sarà una trasformazione e l’energia iniziale di un sistema sarà sempre lì, non potrà quindi essere distrutta. Facciamo un esempio.

Se giochiamo a basket, sappiamo cosa vuol dire palleggiare, cioè far rimbalzare la palla sul pavimento spingendola con la mano. Il pallone ha una certa altezza, per cui contiene energia potenziale gravitazionale; durante la caduta questa energia si trasforma in energia cinetica, fino a raggiungere la velocità massima un attimo prima di toccare il pavimento; colpendo il pavimento la palla si deforma e di conseguenza la sua energia cinetica diventa elastica; i passaggi adesso avvengono all’inverso: elastica → cinetica → gravitazionale. In più, ad ogni rimbalzo, una parte dell’energia si trasforma in calore a causa dell’attrito interno della palla che si deforma; è per questo che ogni rimbalzo sarà un po’ più basso del precedente (meno energia potenziale gravitazionale significa altezza h minore).

Esiste quindi una legge che ci permette di non sprecare l’energia. Si chiama “conservazione dell’energia meccanica”.

In generale, esistono due tipi di forze. Le forze conservative conservano l’energia meccanica, come la forza di gravità (l’altezza diminuisce mentre la velocità aumenta). Le forze dissipative non conservano l’energia meccanica, come la forza di attrito (l’energia cinetica viene trasformata in energia termica). Come esempio prendiamo un ottovolante, come il Magic Mountain di Gardaland.

Il veicolo viene portato ad una certa altezza tramite motori elettrici, poi viene semplicemente lasciato scorrere sulle rotaie. Il treno accelera rapidamente sulla discesa: la forza di gravità trasforma l’energia potenziale gravitazionale in energia cinetica; incontrando le salite (e i giri della morte), l’energia cinetica accumulata consente al treno di salire fino ad una certa altezza, con la trasformazione inversa a energia potenziale. In tutto questo l’energia meccanica (somma di potenziale e cinetica) viene conservata.

Nel frattempo, però, due forze di attrito agiscono sul veicolo e sui suoi passeggeri: l’attrito volvente delle ruote sulle rotaie e quello fluidodinamico dell’aria. L’attrito abbassa l’energia cinetica senza trasformarla in potenziale (è una forza non conservativa), ma in energia termica (calore). Per questo motivo, il treno non potrebbe mai ritornare da solo alla stessa altezza di partenza.

Ma esiste anche un’altra, importante legge di conservazione: quella della quantità di moto. Si chiama “quantità di moto” la grandezza fisica che si calcola moltiplicando la massa per la velocità di un corpo. La quantità di moto è una grandezza vettoriale, perché lo è la velocità; la sua unità di misura è il chilogrammo per metro al secondo (kg·m/s).

Tramite questa nuova grandezza fisica, si possono osservare i principi della dinamica da un altro punto di vista.

Se su un sistema non agiscono forze esterne, la quantità di moto totale del sistema si conserva. Un sistema può non essere costituito da un solo corpo, ma da un insieme di oggetti o addirittura dal l’intero Universo.

Per esempio, due automobili uguali hanno la stessa quantità di moto totale sia se sono ferme, sia se si muovono alla stessa velocità in direzioni opposte. In entrambi i casi la quantità di moto del sistema vale zero. La cosa non vale per l’energia cinetica totale, che è nulla solo se le macchine sono ferme.

Sulla conservazione della quantità di moto si basa in pratica il terzo principio della dinamica, quello di azione e reazione.

L’elica di un motoscafo spinge indietro una massa d’acqua, e dato che la p totale del sistema barca-acqua non può cambiare, l’imbarcazione si muove nel verso opposto. Considerando un sistema un po’ più ampio, anche una persona che cammina si muove secondo lo stesso principio: con il piede la persona spinge indietro il pianeta Terra, e per pareggiare i conti il corpo della persona si sposta in avanti. Sembra incredibile ma è vero: una sola persona può spostare la Terra. Ma la quantità di moto in questo caso è molto bassa, per cui dato che la massa della terra è enorme la sua velocità è talmente piccola da non essere neppure osservabile.

A volte si può fare confusione tra energia cinetica e quantità di moto, e sulla loro conservazione. La teoria degli urti chiarisce bene il concetto.

Quando due corpi si urtano c’è un trasferimento di energia. La cosa avviene in due modi principali (e in tutte le sfumature intermedie): urti elastici e urti anelastici.

La differenza tra i due tipi di urti, come suggerito dal loro nome, è nella elasticità dei corpi. Un corpo è perfettamente elastico se, una volta deformato, è in grado di ritornare da solo alla forma iniziale.

Un urto elastico è quello che può avvenire tra due monete che vengono fatte scivolare su un tavolo. Provate a mettere una moneta ferma sul piano del tavolo; fate scivolare una seconda moneta fino a colpire la prima. Se avete preso bene la mira, la moneta che avete lanciato si fermerà, mentre quella che era ferma scivolerà via, come se si fossero scambiate magicamente. In realtà l’unico scambio è quello della quantità di moto: essa si è trasferita da una moneta all’altra, in modo tale che la p totale del sistema (le due monete) rimanga costante. La moneta che avete lanciato si ferma del tutto perché l’urto è completamente elastico: il metallo si è deformato ed è subito ritornato alla forma iniziale. In questo tipo di urto non si conserva solo la quantità di moto, ma anche l’energia cinetica totale: nel passaggio da una moneta all’altra non c’è stata dispersione perché l’energia che ha deformato i corpi è stata poi restituita tramite la forza elastica.

Sul principio degli urti elastici si basa il funzionamento del famoso soprammobile chiamato “pendolo di Newton”. La pallina di metallo ne colpisce una ferma; questa non si può muovere e trasferisce subito la p a quella successiva; la cosa si ripete fino a quando la quantità di moto viene passata all’ultima sferetta, libera di muoversi: essa compie una mezza oscillazione e il ciclo ricomincia.

In un urto anelastico i corpi coinvolti si deformano definitivamente, e proseguono il movimento insieme. La velocità dopo l’urto dipende dalle masse dei due corpi; se in particolare le masse sono identiche e prima dell’urto uno dei due corpi era fermo e l’altro si muoveva con velocità v, dopo lo scontro i due corpi proseguiranno la corsa a velocità v/2.

Con masse diverse la cosa cambia. Facciamo un esempio un po’ estremo: un moscerino che si spiaccica sul parabrezza di un’automobile. Un attimo prima dell’urto l’insetto è praticamente fermo, mentre l’automobile viaggia a grande velocità. L’urto è senza dubbio anelastico, perché il povero moscerino si deforma senza speranza. Il sistema prosegue la corsa con una velocità tale da conservare la quantità di moto totale: questa velocità è minore di quella che aveva l’auto prima dell’impatto, ma la differenza è minuscola perché la massa dell’insetto è piccolissima rispetto a quella della macchina.

Negli urti anelastici continua a valere la conservazione della quantità di moto, ma la cosa non vale per l’energia cinetica. Infatti durante il trasferimento di energia da un corpo all’altro, una parte viene utilizzata per la deformazione e di conseguenza viene trasformata in calore.

Sul principio degli urti anelastici si basa lo studio delle deformazioni meccaniche della carrozzeria durante un incidente stradale. Le vetture moderne si deformano molto anche con urti a bassa velocità, in modo da disperdere il più possibile l’energia cinetica e ridurre i danni ai passeggeri.

Ricordiamoci sempre che nel mondo reale non esistono gli estremi assoluti. Gli urti reali non possono essere completamente elastici o anelastici: anche nello scontro tra le due monete una piccola parte di energia viene trasformata in calore durante la piccola e rapida deformazione del metallo.

Per piantare un chiodo nel muro non è sufficiente la forza di un uomo, a meno che egli non abbia un martello. Eppure il martello non è una leva, non aumenta la forza muscolare della persona. Come è possibile che il chiodo si pianti così facilmente? Il segreto sta nel fatto che la testa metallica del martello fa forza sulla testa del chiodo in modo rapidissimo, con un urto elastico.

A questo punto ci serve una nuova grandezza fisica, l’impulso: è una grandezza vettoriale che si misura in newton per secondo (N·s), ed è legato alla quantità di moto dei corpi da un principio chiamato “teorema dell’impulso”, che in realtà è un altro modo di vedere il secondo principio della dinamica. La variazione della quantità di moto totale è uguale all’impulso della forza che agisce su un sistema.

Vediamolo applicato al martello. La testa metallica viene portata ad una certa velocità dalla forza del braccio, che agisce per un tempo relativamente lungo. La sua variazione di quantità di moto è determinata da un impulso I esercitato da chi impugna il martello. Quando avviene l’impatto con il chiodo, il martello si ferma bruscamente in un tempo molto piccolo. Dato che la variazione della quantità di moto è la stessa sarà uguale anche l’impulso, solo che questa volta il tempo è piccolissimo e di conseguenza la forza sarà molto alta. Questa è la “magia” delle semplici formule fisiche composte solo da un prodotto (quelle, per capirci, che possono essere rappresentate con un triangolo): c’è una proporzionalità semplice semplice. Quando l’impulso è costante, se il tempo si dimezza la forza raddoppia, e viceversa.

Il martello è fatto apposta per massimizzare la cosiddetta “forza d’urto”, mentre a volte è utile ridurre questa forza al massimo. Per esempio, nel salto con l’asta gli atleti atterrano su un grosso materasso, senza farsi male. Il materasso in pratica allunga il tempo durante il quale il corpo del saltatore azzera la sua velocità di caduta: tempo più lungo significa forza minore, per cui nessun danno.

La prossima volta, quando sarà, approfondirò l’energia termica, parlando di temperatura e calore.

Articolo 21

Chi mi conosce o chi è fortunato nel riuscire a capire qualcosa di quello che scrivo su questo blog (non perché sia particolarmente difficile, ma perché lo scrivo male) sa che una delle mie battaglie (perse) tratta della scarsità di divulgazione scientifica in Italia.

L’Italia è una nazione che ha un substrato culturale mostruoso (ne parlerò dopo) che viene però veicolato male, soprattutto dall’informazione. I quotidiani, una volta organi di partito, si nascondono dietro una malcelata “indipendenza”, che in realtà non esiste.

Facciamo qualche esempio raccontando da chi sono gestiti alcuni dei principali giornali a diffusione nazionale:

  • “Corriere della Sera”:

Ha fama di essere un giornale obiettivo e sopra le parti, di avere una linea editoriale anglosassone e indipendente da interessi particolari. L’editore è il gruppo “RCS Media Group” (per esteso, Rizzoli-Corriere della Sera Media Group S.p.A.), ed è quotato in borsa. Se guardiamo chi siede nel CDA troviamo Urbano Cairo, presidente di “Cairo Communication” (La7) e del Torino, Diego Dalla Valle, presidente di Hogan e Tod’s nonché patron della Fiorentina, Marco Tronchetti Provera, amministratore delegato del gruppo Pirelli, nonché diversi industriali, bancari e immobiliaristi che siedono in CDA di altre aziende. Direttamente o indirettamente sono rappresentati quasi tutti i settori della grande industria italiana, un esempio di come queste grandi aziende italiane siano in realtà collegate tra loro. Oltre al Corriere, appartengono al gruppo RCS una lista di quotidiani, per esempio, la “Gazzetta dello sport”, e di periodici tra cui, per esempio, “Oggi” e “Abitare”.

  • “la Repubblica”:

Questo giornale fa parte del gruppo “GEDI” Gruppo Editoriale. Nel CDA, oltre a “CIR” (Compagnie Industriali Riunite, maggioranza della famiglia De Benedetti) e a “Giovanni Agnelli e C.”, società della famiglia Agnelli, siedono figure di primo piano del mondo della finanza, dell’università, dell’imprenditoria e dell’industria italiana che siedono anche in altri CDA. Il gruppo GEDI è anche proprietario de “La Stampa” e de “Il Secolo XIX”, di numerosi periodici, tra cui “l’Espresso” e “Le Scienze”, e di numerosi quotidiani locali, tra cui “Il Piccolo” e “Il Tirreno”, o di radio, come per esempio “Radio DeeJay” e “Radio Capital”.

  • “Il Giornale”:

Fondato da Montanelli nel 1974, fu in seguito acquistato da Berlusconi e tuttora appartiene al gruppo Mondadori ed è controllato dalla famiglia Berlusconi. Nel CDA troviamo i figli e figure rilevanti delle aziende di famiglia o vicine alla famiglia. Con l’ingresso in politica di Berlusconi il Giornale è diventato un giornale politico, con una linea editoriale mirata a sostenere il partito politico dell’editore. Il gruppo Mondadori possiede numerosi periodici, tra cui anche “Panorama”, “Tv Sorrisi e Canzoni”, “Grazia”, “Donna Moderna”, “Chi”, “Focus”, “Geo”, “Starbene” e molti altri.

  • “Libero”:

Quotidiano di destra fondato e diretto da Vittorio Feltri, dal 2001 appartiene a Giampaolo Angelucci, immobiliarista e proprietario di numerose cliniche e strutture sanitarie come il San Raffaele di Roma. Come organo ufficiale del “Movimento Monarchico Italiano” ha ricevuto in passato sovvenzioni dallo Stato (alcune delle quali sono state oggetto di sanzione, però, e dovranno essere restituite).

  • “Avvenire”:

Nato nel 1968 dalla fusione di due giornali, “l’Italia” di Milano e “L’avvenire d’Italia” di Bologna, il giornale è edito e appartiene alla Conferenza Episcopale Italiana (CEI). Com’è ovvio è un quotidiano di ispirazione cattolica scritto per i cattolici. Riceve le sovvenzioni statali.

  • “Il Resto del Carlino”:

È uno dei quotidiani più antichi, simbolo di Bologna, ottavo quotidiano nazionale, e insieme alla “Nazione” di Firenze e al “Giorno” di Milano formano la rete QN, Quotidiano Nazionale. Tutti e tre appartengono alla “Poligrafici Editoriale”, a sua volta controllata dal gruppo “MonRif”, guidato da Andrea Riffeser Monti, discendente di Attilio Monti, famoso imprenditore italiano nel campo della raffinazione e alberghiero. Curiosità: perché “il Resto del Carlino” si chiama così? Nel 1885 a Firenze si vendeva un giornale chiamato “Il Resto al sigaro”. Prezzo nelle tabaccherie di 2 centesimi. Un sigaro costava 8 centesimi e quindi per i negozianti era facile collegare la vendita dei due prodotti. Doppio affare in un colpo solo. Un gruppo di amici bolognesi decise di esportare l’idea a Bologna. Allora andavano per la maggiore titoli di giornali scanzonati come “La striglia”. Si scelse dunque “Il Resto …del Carlino”. Il Carlino era stata una moneta dello stato Pontificio coniata dal XIII secolo al 1796. Con l’Unità d’Italia la moneta da 10 centesimi di lire continuava a circolare chiamata Carlino. I puntini di sospensione erano ironici: a Bologna “dare il resto del carlino” significava “regolare i conti”.

  • “Il Messaggero”:

È il più diffuso giornale del centro Italia, il sesto a livello nazionale, di impostazione laica di centro-sinistra, appartiene alla “Caltagirone editore”, di proprietà della famiglia Caltagirone, famosi imprenditori nel campo delle costruzioni, grandi opere, cementifici. Oltre al “Messaggero”, la famiglia Caltagirone possiede anche “il Mattino” di Napoli, “il Gazzettino” di Venezia, il “Nuovo Quotidiano di Puglia”, per dirne alcuni.

  • “Il Sole 24 ore”:

È il più autorevole quotidiano economico italiano, il quarto per diffusione, fondato nel 1865. È edito dal “Gruppo 24 Ore”, di proprietà di Confindustria. La linea editoriale è diretta espressione dei principali gruppi industriali italiani. Nel CDA troviamo diverse figure di spicco dell’industria e della finanza.

  • “Milano Finanza”:

Uno dei quotidiani economici più conosciuti in Italia, tratta esclusivamente di temi economici-finanziari ed è edito da “Class Editori” di Paolo Panerai. Class Editori possiede e pubblica anche “Italia Oggi”, anch’esso noto quotidiano incentrato su temi politico-economici, numerosi periodici incentrati sui temi dell’informazione finanziaria e del lusso come “Capital” e “Class”, numerose Tv, radio, siti web e l’agenzia di stampa “MF-DowJonesNews”. Nel CDA dell’editore siede tra gli altri Maurizio Carfagna, consigliere di amministrazione di Mediobanca.

Quando i giornali sono così, legati a corda doppia ad un gruppo o a un’azienda, come si può dire che siano indipendenti? Quando quasi tutti appartengono a banche, industriali, partiti, imprenditori, assicurazioni e questi hanno interessi in comune e rapporti d’affari come accade nel mercato piccolo e chiuso dell’Italia, come possono i cittadini accedere alle informazioni ed essere certi che esse siano “libere”?

Non solo, ma questa situazione mette a rischio la democrazia, perché senza buona informazione non ci sono cittadini informati, senza i quali non c’è democrazia. Non a caso l’Italia è al 52° posto come libertà di stampa nel mondo, migliore del 77° di un anno fa, ma molto lontano dall’optimum.

Quasi tutto è perduto. Con rammarico si può notare che il giornalismo d’inchiesta, una volta in mano a professionisti (si pensi a “Mauro De Mauro”), è finito nelle mani di “Report”, “Striscia la notizia” e “Le Iene”. E se per il primo, pur con tutte le sue pecche (secondo me a volte pur di aver ragione racconta mezze verità), è comunque gestito da giornalisti di un certo livello, gli altri due sono quasi sempre alla ricerca dello scoop e dell’ascolto.

Ci sono infatti due recenti notizie, una di “Striscia” e una dei “Men in Black de noantri”.

Quella del telegiornale “satirico” di Canale 5 non voglio neanche commentarla, mi sembra una mera ricerca del sensazionalismo (ingresso non autorizzato a Linate con accesso alla pista), mentre quella delle Iene è abbastanza grave.

Secondo loro, in Abruzzo sarebbe in corso un esperimento nucleare segreto capace di mettere a rischio l’intero territorio. Secondo il servizio, dalle viscere del Gran Sasso, dove nel 1982 è stato costruito l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, il più grande laboratorio sotterraneo del mondo, potrebbe arrivare la minaccia nucleare. L’inviata de “Le Iene” spiega come la cima più alta dell’Appennino ospiti anche una delle sorgenti d’acqua più pure d’Europa, che offre da bere a mezzo Abruzzo, ed è proprio in queste acque si trovano i laboratori dove molto spesso si fanno esperimenti utilizzando sostanze nocive. L’ultimo in programma, e secondo i comitati locali tenuto nascosto per la sua pericolosità, è il Sox.

A quel punto, vista la quantità di “imprecisioni” dell’articolo, che non riporto, l’Istituto ha dovuto diffondere una nota, che invece riporto integralmente.

Il servizio delle Iene andato in onda ieri sera contiene numerose falsità e poche verità presentate in modo parziale e fazioso. Cercheremo quindi di fare chiarezza su alcuni punti che destano preoccupazione in lei come in molte altre persone che abitano il territorio.

I Laboratori Nazionali Del Gran Sasso – INFN hanno a cuore la sicurezza dell’acqua del Gran Sasso. La sicurezza dell’acqua in particolare, e dell’ambiente in generale, è una condizione necessaria ai Laboratori per svolgere le proprie attività di ricerca. Soprattutto perché i nostri Laboratori sono parte del territorio abruzzese: molti nostri ricercatori e molte delle persone che vi lavorano sono abruzzesi, vivono nel territorio e bevono l’acqua che esce dai loro rubinetti. E l’INFN pone la massima attenzione al rispetto della legge: tutto è fatto nel rispetto delle norme e con le autorizzazioni necessarie. Quindi anche nel caso del nuovo esperimento SOX si è seguito rigorosamente l’iter di legge. L’autorizzazione all’impiego è stata ottenuta da Ministero dello Sviluppo Economico, Ministero della Salute, Ministero dell’Ambiente, Ministero del Lavoro, Ministero dell’Interno (Protezione Civile) e di ISPRA (Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale).

SOX non è un esperimento nucleare che prevede la manipolazione di atomi, come accade per esempio in una centrale nucleare, ma un esperimento scientifico che usa una sorgente radioattiva sigillata, come quelle che vengono usate, sia pure con una diversa potenza e differenti finalità, negli ospedali delle nostre città per eseguire esami diagnostici e terapie. SOX è infatti un esperimento per lo studio dei neutrini che utilizza 40 grammi di polvere di Cerio 144. Il Cerio 144 produce decadimenti radioattivi spontanei, non reazioni nucleari di fissione. SOX quindi non ha niente a che vedere con un reattore nucleare, non può esplodere, neppure a seguito di azioni deliberate, errori umani o calamità naturali. (Per saperne di più: https://www.lngs.infn.it/it/borexino)

Per garantire lo svolgimento in assoluta sicurezza dell’esperimento, senza nessun rischio per le persone e per l’ambiente, il Cerio 144, è isolato e totalmente schermato. La polvere di Cerio è chiusa e sigillata in una doppia capsula di acciaio, che a sua volta viene poi chiusa all’interno di un contenitore di tungsteno dello spessore di 19 centimetri, del peso di 2,4 tonnellate, realizzato appositamente per SOX con requisiti più alti rispetto agli standard di sicurezza richiesti, e in grado di resistere fino a 1700 °C. La sorgente rimarrà chiusa sotto chiave nel suo alloggiamento inaccessibile, per l’intera durata dell’esperimento, cioè 18 mesi. Il contenitore di tungsteno è indistruttibile: è resistente a impatto, incendio, allagamento e terremoto, secondo studi rigorosi che sono stati svolti come previsto dalla legge e verificati dalle autorità competenti. Quindi, tutti i rischi citati durante la trasmissione, dal terremoto all’atto terroristico, non sono realistici.

SOX, dunque, non rappresenta in alcun modo un rischio, né per la popolazione né per l’ambiente: non implica nessuna dose radioattiva per nessuno, e naturalmente neanche per le persone che lavorano nei laboratori, la dispersione del Cerio è impossibile anche in caso di incidente, la sorgente sarà sempre sorvegliata 24h/24 dal personale che di norma svolge l’attività di sorveglianza nei Laboratori.

Il problema che io ritengo veramente grave è che non solo questo sensazionalismo ha dato adito a un tamtam di notizie catastrofiche di ciò che potrebbe accadere, ma che la giunta della Regione Abruzzo, senza informarsi da alcuno scienziato, ma solo in base a quanto asserito dal servizio, ha intimato lo stop all’esperimento.

Ma perché affidare il giornalismo a mani inesperte e ignoranti? Possibile che non ci sia nessuno, in un’intera redazione, che non conosca la differenza tra decadimento radioattivo e fissione nucleare? Come si fa a pensare che Ricerca Nucleare e Centrale Nucleare possano avere lo stesso significato? È come se si pensasse che l’Olio Vergine è prodotto da olive che non si sono mai accoppiate!

Paradossalmente, però, la scuola italiana è stata sempre fra le migliori del mondo, soprattutto per chi voleva dedicarsi alla scienza. Non per caso giovani italiani brillano in tutti i migliori centri di ricerca del mondo.

Perché abbiamo una cosa che pochi altri paesi al mondo hanno: la cultura umanistica. Studiare Omero, Hegel e Leonardo offriva (perché le cose stanno velocemente cambiando anche lì) a chi poi si dedicava a studi scientifici uno strumento di pensiero più acuminato che passare ore a calcolare, come fanno gli studenti delle scuole scientifiche di punta del nord Europa.

Ovviamente ciò non significa che per essere un ottimo scienziato sia obbligatorio passare per il Liceo italiano, però io credo che sia un aiuto. Mi è capitato a volte di dovermi confrontare su argomenti non prettamente umanistici con persone di formazione molto differente.

Certo, puoi non sapere chi sia Ovidio e avere delle ottime capacità di pensiero, critico o analitico. Ma la visione di insieme unita alla capacità di prevedere e individuare problemi e poi saperli risolvere è chiaramente una cosa tutta italiana, grazie proprio a quel substrato culturale classico.

Purtroppo però, questo substrato non ha la sua controparte scientifica. E nelle scuole la scienza è drammaticamente carente. Come lo è nella società.

L’Italia resta pericolosamente un paese di profonda incultura scientifica, sia confrontato con gli altri paesi europei, dove la scienza è rispettata profondamente, come non lo è da noi, sia forse ancor più confrontato con i paesi emergenti, che vedono nella cultura scientifica la chiave del loro sviluppo.

In Italia, quando si dice la parola “cultura” si pensa a libri, opere liriche e a quadri. Ma quella è in realtà solo una parte. La cultura è l’intero sapere e gli strumenti concettuali di cui si dispone.

Se aziende italiane vendono dappertutto nel mondo, disegnatori italiani guidano lo stile del pianeta, se l’Italia è fra le dieci potenze economiche del mondo, è perché, nonostante la nostra caratteriale auto-disistima, siamo un popolo colto e intelligente. Ma l’incultura scientifica del paese è una nostra debolezza.

E mentre i paesi in via di sviluppo investono in ricerca scientifica e migliorano le università, noi le chiudiamo o affidiamo il compito di riformarle a persone senza cultura. Siamo forse l’unico paese tra quelli industrializzati ad avere un ministro dell’istruzione non laureato, quando poi magari per fare il concorso per bidello richiedono il titolo di studio…

Se pensiamo che la scienza moderna è nata in Italia, nel Rinascimento, grazie ad un uomo di una cultura immensa (non solo scientifica), Galileo Galilei, capiamo da dove veniamo. Le conoscenze che ci permettono di avere la “risonanza magnetica” (da cui però è stata tolta la parola “nucleare”, per non intimorire…) e tutte le scoperte scientifiche che ci permettono di vivere di più e meglio rispetto al passato vengono tutte da quella persona che visse quattrocento anni fa.

Sarebbe bello se in Italia fossimo orgogliosi anche di Galileo, non solo di Caravaggio. Mi piacerebbe che l’Italia si allontanasse dall’idea che la cultura sia solo arte antica, o culto sterile del proprio passato; che l’Italia desse alla cultura e alla cultura scientifica in particolare la dignità che deve avere nella formazione di una persona.

Ma per farlo, servirà un nuovo Copernico che tolga dal centro la visione attuale che abbiamo del passato per sostituirla con una che ci renda finalmente “acculturati”, e quindi liberi.

Lo spirito dei materiali

Scott: Mettiamola diversamente… Quanto deve essere spesso un pezzo del vostro “plexiglas” grande diciotto metri per tre per sostenere la pressione di cinquecento metri cubici d’acqua?

Nichols: È semplice, quindici centimetri. Abbiamo in lavorazione pezzi così.

Scott: Sì, ho notato… Adesso supponga, solo supponga, che io le possa mostrare il modo per fabbricare una parete che possa servire allo stesso scopo… Ma spesso solamente due centimetri e mezzo. Sarebbe una cosa molto interessante per lei, eh?

Nichols: Sta scherzando!

McCoy: Potrebbe il professore usare il suo computer?

Nichols: Prego. [Scott si siede davanti al computer]

Scott: Computer? Computer? Ah! [prende il mouse e lo usa come microfono] Salve, computer!

Nichols: Forse usando la tastiera…

Scott: La testiera… Pittoresco. [digita a velocità miracolosa la formula]

Nichols: Alluminio trasparente, vedo bene?!?

Scott: L’hai detto, amico…

Nichols: Aspetti, ci vorranno anni solamente per calcolare la dinamica di questa matrice!

McCoy: Sì, ma lei diventerebbe ricco al di sopra di qualunque brama di ricchezza!

Scott: Allora, pensa che questa cosa le interessi… O premo il tasto e cancello tutto quanto?

Nichols: No!!! No. [una signora fa per entrare nell’ufficio] Non ora Madeline!! [lei esce] Ma con esattezza, che cosa avete in mente?

McCoy: Be’, ci lasci parlare un attimo da soli… [prende in disparte Scott] Naturalmente ti rendi conto che se gli riveliamo la formula noi alteriamo il futuro?

Scott: No, perché? Chi ci dice che non è stato lui, l’inventore?

McCoy: Mhhh. Già…

(Star Trek IV – Rotta verso la Terra – 1986)

Uno dei film più divertenti della saga di Star Trek è quello che ho menzionato, ma oltre ad essere una miniera di citazioni, poiché l’equipaggio di Kirk e soci si ritrova negli anni ‘80 grazie ad un viaggio nel tempo, con tutto quel che ne consegue, ci fa capire come la fantascienza a volte sia aruspice della tecnologia del futuro. Per chi non lo sapesse, l’aruspice era, nell’antica Roma, il sacerdote designato all’esame delle viscere delle vittime nei sacrifici, dalle quali traeva indizi e vaticini sul futuro.

Dai satelliti geostazionari ai robot, dalla bomba atomica ai radar passando per il primo viaggio sulla Luna, la fantascienza ha spesso anticipato di molti decenni le conquiste della scienza del mondo “reale” e Star Trek, con 718 episodi televisivi, 13 film e 22 cartoni animati, è stata tra quelle che ne ha azzeccate di più.

Quando Gene Roddenberry, l’inventore della saga, iniziò a scrivere la sceneggiatura, aveva fondamentalmente due idee: creare un futuro di pace e con una visione ottimista, corredato da tecnologia che fosse quanto meno plausibile.

Certo, inventò il teletrasporto, ma quello lo fece per questioni di budget. Molto più veloce ed economico smaterializzare una persona che far atterrare una nave!

Ma le altre invenzioni, come ad esempio le “porte automatiche” scorrevoli (oggi presenti ovunque, nei supermercati, negli alberghi, negli aeroporti, ma anche nelle farmacie e presto, mi auguro, nelle case), o il “comunicatore”, dispositivo per comunicare a distanza precursore dello smartphone (era il 1966!!!), o ancora il “traduttore universale” di Uhura, prezioso per parlare con Sulibani, Tholiani, Klingon e Andoriani, ormai realtà anche portatile, non fecero altro che precorrere i tempi.

Già confrontando un qualsiasi tablet odierno con un computer di soltanto dieci anni fa, le differenze sono davvero stupefacenti. La tecnologia si è evoluta ad un ritmo impressionante, rendendo i dispositivi a nostra disposizione più piccoli, più potenti e molto più portabili. Tutto ciò anche grazie alla rapida evoluzione dell’hardware e all’impiego di nuovi materiali.

La citazione iniziale introduce l’argomento di cui vorrei parlare questa volta, un’altra predizione azzeccata di Star Trek, e cioè l’alluminio trasparente, ma visto che ci sono parlerò anche di altri materiali del futuro.

Lo avevo capito nell’89, quando, dovendo scegliere il ramo dell’ingegneria meccanica in cui specializzarmi scelsi appunto “materiali”, salvo poi fare tutt’altro nella vita (e il professore di metallurgia, bocciandomi tre volte, ha contribuito non poco).

Una volta scoperti i materiali, l’uomo ha imparato a combinarli tra loro e quando la chimica e la fisica hanno raggiunto un certo progresso, ha imparato anche a fabbricarne di nuovi. Ovviamente nell’antichità poteva accadere che un popolo scoprisse un metodo per rendere migliori i metalli e ne mantenesse il segreto per anni al fine di mantenere l’egemonia militare sui popoli vicini, ma di questi tempi le ricerche vengono condivise nella comunità scientifica.

Quasi sempre, almeno. Vediamo dunque, qualche materiale tra quelli che in futuro cambieranno la vita dell’umanità e le tecnologie che ne deriveranno.

Partiamo dall’aerogel.

È la sostanza solida meno densa che si conosca e venne creata nel 1931 come risultato di una scommessa tra Steven Kistler e Charles Learned, due scienziati americani: avrebbe vinto chi dei due avesse scambiato per primo il liquido di una “gelatina” con del gas senza causarne il collasso. Qualcuno lo chiama fumo ghiacciato o anche fumo blu ed è una miscela costituita da una sostanza allo stato solido e da un gas. Una specie di gel dove il componente liquido è sostituito con gas. Al 99,8% è aria, cosa che lo rende un fantastico isolante. Per esempio, un scudo di aerogel potrebbe facilmente difendere da un lanciafiamme, così come potrebbe esser una calotta calda sulla Luna o potrebbe diventare un componente delle armature militari del futuro.

I nanotubi di carbonio sono catene di carbonio tenuti insieme dal legame chimico più forte che esista: il legame sp². Hanno notevoli proprietà fisiche, compreso il trasporto balistico degli elettroni, cosa che li rende ideali nell’elettronica. Hanno una resistenza alla trazione circa 300 volte superiore a quella degli acciai ad alto tenore di carbonio. Per questa ragione si immagina potrebbero essere utilizzati per costruire ascensori spaziali.

Conosciuti anche come diamanti aggregati nanorod, gli iperdiamanti consistono in nanotubi aggregati di diamanti. Sono un materiale superduro, il più duro e meno comprimibile che si conosca (motivo per cui sono conosciuti anche come fullerite ultradura). Quando la nostra tecnologia arriverà all’impiego degli iperdiamanti potremo dire di vivere davvero in un futuro da fantascienza. Ci sono anche i diamanti sintetici, conosciuti anche come HPHT o CVD, che sono diamanti ottenuti attraverso un processo tecnologico. Ciò rende possibile disporre di un materiale da costruzione immensamente forte, costituito da carbonio, con un’alta conducibilità termica e con un punto di fusione ed ebollizione tra i più alti di tutti i materiali esistenti. Qualcuno immagina quanto migliorerebbe la potenza degli aerei da combattimento se fossero rivestiti con uno strato protettivo a base di diamanti sintetici.

I metamateriali sono materiali creati artificialmente con proprietà elettromagnetiche specifiche, le cui caratteristiche non dipendono solo dalla loro composizione chimica ma anche dalla loro struttura. Sono stati utilizzati per la creazione di mantelli invisibili alle microonde e per altri dispositivi dalle proprietà ottiche insolite. Sono ritenuti ideali per la creazione di ologrammi su schermi bidimensionali.

Le schiume metalliche sono composte da un materiale forte e leggero che si ottiene aggiungendo idruro di titanio in polvere all’alluminio fuso e lasciando raffreddare il tutto. Avendo un ottimo rapporto resistenza-peso, sarebbero il materiale ideale per costruire colonie spaziali o città galleggianti.

Il carbonio, portato a circa 1.000 °C, cambia struttura: si trasforma in un materiale ultra-forte, ultra-leggero, elastico come la gomma ed elettricamente conduttivo. Questa nuova struttura del carbonio offre non solo straordinarie proprietà, del tutto inattese, ma apre la strada a un nuovo campo di ricerca che potrebbe portare alla scoperta di classi di materiali mai osservati finora.

Il carbonio è già noto per essere un elemento dai “mille volti”: quando gli atomi si aggregano a determinate temperature e pressioni danno origine alla grafite; a temperature e pressioni superiori diventano diamante, il materiale naturale più duro; in alcune condizioni, quando viene “esfoliato” diventa grafene, un materiale monodimensionale – uno strato dello spessore di un atomo – le cui applicazioni sono alla base di una rivoluzione industriale.

Se lo si sottopone a temperature di 1.000 °C e a 250.000 volte la pressione atmosferica si ottiene un materiale che potrebbe essere utilizzato per le astronavi del futuro, tanto è resistente e leggero.

Chiamati anche vetri metallici, i metalli amorfi sono dei metalli con una struttura atomica disordinata (caratteristica del vetro). Sono due volte più forti dell’acciaio e possono disperdere l’energia di un impatto in modo più efficace. Hanno proprietà elettroniche tali che consentono di migliorare del 40% l’efficienza delle reti elettriche. Potrebbero costituire la prossima generazione di armature militari.

Ma i due più interessanti, che richiamano molto Star Trek, sono l’alluminio trasparente e l’e-textile.

Quest’ultimo è un materiale che permette di sviluppare abbigliamento che può visualizzare qualsiasi tessuto, proprio come un display. Inoltre, la composizione elettronica del tessuto è in grado di interpretare comandi vocali e touch per attivare, per esempio, una chiamata telefonica o la connessione a qualche server remoto. Le possibilità dell’e-textile sono illimitate.

L’alluminio, invece, il metallo leggero per eccellenza, potrebbe, a breve, essere prodotto in una versione trasparente che potrebbe far riconsiderare, soprattutto, il settore del packaging.

Già nel 2009, a dire il vero, alcuni scienziati di Oxford avevano ottenuto l’alluminio trasparente bombardandolo con impulsi laser, fino a “staccare” un elettrone dall’atomo, il tutto, però, senza intaccare la struttura cristallina tipica del metallo. Il risultato del processo? Un materiale che risultava visibile solo con elevatissime radiazioni ultraviolette. In caso contrario, la trasparenza era assicurata.

Potrebbe essere usato come anti-proiettile e impiegato nel settore del packaging per la produzione, ad esempio, di bottiglie infrangibili.

Ad oggi i costi per la realizzazione sono troppo alti ma, con il tempo e con l’avanzamento delle tecnologie, si confida nel calo dei costi tanto da poter essere impiegato in oggetti di uso comune come smartphone ed orologi.

A dire il vero esiste già un’azienda che dallo scorso anno produce ALON-OPTICAL CERAMIC che a tutti gli effetti viene presentato come alluminio trasparente, tanto che l’azienda così scrive: “Alluminio trasparente, una struttura policristallina fatta di atomi di alluminio, ossigeno e azoto. Apparve come una trovata fantascientifica quasi 30 anni fa, ma adesso è una realtà. È duro quasi quanto lo zaffiro, che dopo il diamante e il carburo di silicio è il più duro cristallo conosciuto”.

L’ossinitruro di alluminio (ALON, appunto) per resistenza e resistenza ai graffi è quattro volte superiore al vetro alluminosilicato. Inoltre, questo materiale è in grado di sopportare una temperatura massima di 2100 gradi Celsius.

Attualmente il punto debole delle blindature sono proprio le parti trasparenti. Il più promettente in questo senso è una ceramica policristallina, in particolare, le ceramiche a base di ossinitruro di alluminio. I ricercatori sostengono anche che l’ALON può essere utilizzato in numerose applicazioni militari e commerciali, come gli oblò delle navicelle spaziali.

Quindi chi sa, tra qualche anno ci potremo davvero vestire con tutine multimediali e viaggiare su astronavi di carbonio e alluminio… per andare lì, dove nessuno è mai giunto prima!

L’espansione dell’Universo

Quando frequentavo il corso di Fisica all’università, mi divertivo a trovare degli esempi pratici per poter spiegare meglio le cose. Ovviamente mi riferisco alla Fisica classica, quella di Newton, per intenderci.

Una volta ricordo che alla lavagna c’era un mio amico, Riccardo, che si era bloccato nello spiegare al professore il principio di Pascal.

Il principio di Pascal o legge di Pascal è una legge della fisica dei fluidi che stabilisce che, quando avviene un aumento nella pressione in un punto di un fluido confinato (contenuto in un contenitore, per capirci), tale aumento viene trasmesso anche ad ogni punto del contenitore (quindi la pressione è costante in tutti i punti del contenitore stesso).

Io feci un gesto e Riccardo capì al volo: mimai una botte, qualcosa che entrava dentro e la botte che esplodeva. A quel punto la spiegazione e le relative formule apparirono sulla lavagna…

botte di Pascal

“Basta poco, che ce vò”…

Ma se bisogna spiegare concetti più complessi? A volte non basta né l’immaginazione, né la conoscenza del mondo reale. Perché se è vero che per spiegare cose relative al mondo che ci circonda bastano fantasia e un po’ di senso pratico, quando si va al microscopico (o al macroscopico), le cose cambiano.

Per esempio, come spiegare il movimento degli elettroni nell’atomo, o, meglio, intorno al nucleo dello stesso?

Se uno ha presente il Sistema Solare, con i pianeti che ruotano attorno al Sole, allora non è difficile immaginarsi, per sommi capi, com’è fatto un atomo.

Però la questione degli elettroni che girano attorno al nucleo è un tantino più complessa di quella dei pianeti orbitanti intorno al Sole. Gli elettroni seguono infatti i principi di una teoria meglio nota come meccanica quantistica.

In parole povere, gli elettroni possono ruotare attorno al nucleo solo in determinate orbite e con determinati valori dell’energia. I diversi valori di distanza media dal nucleo atomico a cui le orbite degli elettroni possono trovarsi vanno dunque a definire i cosiddetti gusci elettronici.

L’atomo visto in questa prospettiva potrebbe essere quindi paragonabile a una matrioska di gusci sempre più piccoli. Se poi dovessimo spiegare dove si trova l’elettrone la questione è ancora più intricata.

Infatti non è possibile stabilire con precisione la posizione dell’elettrone senza alterare la posizione stessa: il principio di indeterminazione afferma che non è possibile determinare con precisione arbitraria e contemporaneamente due variabili quali posizione e quantità di moto di una particella.

Questo vuol dire che se misuriamo la posizione e la velocità di una particella, le grandezze che otteniamo sono caratterizzate da errori di misura: una conseguenza di tale principio è che per gli elettroni non si può parlare di traiettorie ma di spazi in cui la probabilità di trovare un elettrone è diversa da zero. Quindi una matrioska di nuvole…

Quello che vale, in termini di descrizione, per l’infinitamente piccolo, vale anche per l’infinitamente grande.

Ma prima di parlare di questo, parliamo di osservazione. Così come per l’elettrone dicevamo che esistono dei limiti nell’osservazione, in quanto la lunghezza d’onda dello strumento che usiamo per osservare è uguale o maggiore alla lunghezza d’onda della particella osservata, e per questo ne altera le caratteristiche, anche nell’osservazione “lontana” le cose non vanno meglio.

La luce, che è lo strumento che ci serve per osservare, ha una velocità finita, anche se incredibilmente elevata. Infatti viaggia a 300.000 chilometri al secondo.

Questo comporta che non vediamo mai le cose come effettivamente sono.

Mi spiego.

Noi vediamo un oggetto in quanto la luce che parte (o meglio, che viene riflessa) da quell’oggetto colpisce i nostri occhi. Poiché ci vuole del tempo affinché la luce copra la distanza tra oggetto e occhio, la cosa che osserviamo, in realtà, è l’immagine che aveva in passato.

Ovviamente la distanza è un fattore chiave. Se l’oggetto è vicino, si può tranquillamente affermare che lo vediamo in tempo reale. Quando però ci allontaniamo, per esempio, osservando oggetti che sono lontanissimi da noi, la luce, prima di arrivare ai nostri occhi, potrebbe metterci del tempo.

La luce che proviene dalla Luna, per esempio, impiega poco più di 1 secondo (1,28) per giungere a noi e questo comporta che quando guardiamo la Luna non la vediamo com’è ora, ma com’era un secondo fa.

Avete mai notato che quando ci sono i collegamenti via satellite nei telegiornali, tra la domanda del giornalista presente in studio e il cronista in collegamento passa qualche secondo? La trasmissione dei segnali elettromagnetici (anche la luce) ci mettono del tempo a rimbalzare sul satellite e ciò comporta un ritardo di risposta. Il concetto è questo.

Anche nel caso del Sole, più distante da noi della Luna, c’è una discrepanza tra quanto osservato e realtà. Infatti, la luce del Sole ci mette 8,33 minuti ad arrivare a noi.

A maggior ragione, più in là ci spostiamo, più tempo ci vuole perché la luce copra la distanza e più indietro nel tempo andremo. È una sorta di “viaggio nel passato” cosmica. L’attuale Stella Polare si trova a 323 anni luce, che vuol dire che la luce impiega 300 anni per arrivare a noi, quindi quella che vediamo è in realtà una sua immagine di come era 323 anni fa. È di uso comune indicare gli oggetti molto distanti appunto con l’unità di misura “anno luce”, cioè 9.460.730.472.581 chilometri, che è appunto la distanza che copre la luce in un anno. Più comodo dire 323 anni luce che 305.581.604.100.961 km, senza dubbio.

La galassia di Andromeda, che è quella più vicina a noi, è distante 2,538 milioni di anni luce. Quindi oggi la vediamo come era due milioni di anni fa! Potrebbe addirittura non esserci più, per quel che ne sappiamo.

Ci sono galassie osservabili anche lontane 12 miliardi di anni luce, la cui immagine che vediamo è quella che avevano quando ancora non esisteva il Sistema Solare!

Ma se la luce avesse una velocità minore? Sarebbe un vantaggio?

Non credo. Facciamo un esempio, prendendo in considerazione un mondo in cui la luce viaggi a 300 metri all’ora invece che 300 chilometri al secondo (i fisici mi perdonino, dimentico volutamente la relatività di Einstein).

Supponiamo di essere di fronte ad un trampolino su cui si stanno svolgendo i mondiali di salto con lo snowboard. Abbiamo quindi la zona di atterraggio a pochi metri e quella di partenza più lontana. Vedremmo prima l’atterraggio e poi la partenza (questo perché la zona di salto è più lontana dai nostri occhi di quella di atterraggio)! Non solo, guardando in direzione dei food truck sistemati più in là, vedremmo noi stessi arrivare in tribuna!

Ecco, ciò creerebbe non poca confusione. Poi, sarebbe una violazione del principio di casualità, quello secondo cui la causa precede l’effetto.

I fisici saranno contenti: non potendo violare quel principio, descritto da Einstein, l’uovo si rompe sempre cadendo dal tavolo e non fa il percorso al contrario.

Quindi, come spiegavo prima, guardando il cielo, gli oggetti più lontani ci inviano informazioni più vecchie di quelli più vicini. Quando ad esempio si osserva l’esplosione di una supernova, siamo certi che quel fenomeno si è verificato molto tempo prima del momento in cui si è compiuta l’osservazione, proprio come quando, davanti al trampolino, vediamo l’atleta prima saltare e poi atterrare.

Ma fino a che distanza possiamo guardare? Ovviamente, se supponiamo che l’Universo abbia una “data di nascita”, almeno per quel che riguarda l’emissione di luce, non possiamo che supporre di poter spingere lo sguardo fino a quella “data”, così come non è possibile vedere una foto di noi stessi scattata prima della nostra nascita.

Infatti, se immaginiamo di mettere su un tavolo le foto che ritraggono noi stessi, dalla più recente (nel punto più vicino a noi del tavolo) fino a quella scattata il giorno della nostra nascita (nel punto più lontano del tavolo), è chiaro che più guardiamo lontano più andremo indietro nel tempo, ma non sarà possibile vedere una foto antecedente l’ultima (anche perché non esiste).

Anche l’Universo prima di una certa “data” non esisteva e quindi non possiamo spingerci oltre con lo sguardo. Questo limite si chiama “Orizzonte Cosmico” e dovrebbe trovarsi all’incirca a 15 miliardi di anni luce, cioè la luce partita dagli oggetti che per primi sono nati è giunta a noi dopo un viaggio di 15 miliardi di anni (mese più, mese meno).

Ovviamente, dopo un viaggio così lungo, la luce è “stanca”, cioè si è fortemente indebolita e non rientra nello spettro della luce visibile; con un radiotelescopio, Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson, fisici americani, scoprirono, vincendo il Premio Nobel per la Fisica nel 1978, tale radiazione, chiamata “radiazione cosmica di fondo”, che è una radiazione elettromagnetica che rappresenta il residuo, raffreddato (3 gradi kelvin, cioè -270,15 gradi centigradi) e diluito, della vampata iniziale che ha dato il via all’Universo intero.

Ma non è finita qui.

L’Universo, oltre ad essere molto esteso, si sta espandendo, cioè, con il passare del tempo, diventa sempre più grande. Le domande a questo punto sono due: come si espande e soprattutto, dentro che cosa si espande?

Edwin P. Hubble, astronomo americano, affermò nel 1929 che esiste una relazione lineare tra lo spostamento verso il rosso della luce emessa dalle galassie e la loro distanza: tanto maggiore è la distanza della galassia e tanto maggiore sarà il suo spostamento verso il rosso (fenomeno per cui la luce o un’altra radiazione elettromagnetica emessa da un oggetto ha una lunghezza d’onda maggiore rispetto a quella che aveva all’emissione).

Si suppose allora che se le galassie si stavano tutte allontanando tra loro, al principio ci doveva essere un singolo punto che doveva riunirle tutte. Nacque così la teoria del “Big Bang”, che paragona l’Universo ad una bomba che esplode e che lancia le schegge in tutte le direzioni. Il concetto però è sbagliato perché fa pensare a un movimento delle galassie nello spazio a partire da un punto centrale. In realtà le galassie non si muovono attraverso lo spazio, né esiste un centro tutto intorno al quale la materia si espande, ma è lo spazio stesso che si dilata portando con sé le galassie.

L’analogia più appropriata, per spiegare l’espansione cosmica, è quella del panettone che lievita. Più precisamente, dovremmo pensare di trovarci all’interno di un panettone sconfinatamente grande: così grande che, come appunto l’Universo, non contempli alcun “fuori” (né possieda una saporita crosta di cioccolato). Quando un panettone lievita, gli acini di uva passa disseminati al suo interno si allontanano sempre più l’uno dall’altro.

Per spiegare invece come mai le galassie si allontano da noi ad una velocità proporzionale alla distanza, quindi sempre più alta quanto più la galassia è lontana faccio un altro esempio. In questo mi aiuta il fatto di essere stato militare.

Immaginiamo una fila di soldati posti alla distanza di un metro l’uno dall’altro ai quali venga dato l’ordine che la distanza che li separa diventi di due metri. Come si dovrebbero comportare i soldati per eseguire l’ordine? Semplice, il primo della fila dovrebbe rimanere fermo, quello che gli sta immediatamente a ridosso dovrebbe indietreggiare di un metro, il terzo della fila dovrebbe indietreggiare di due metri, il quarto di tre metri e così via.

Ora, se l’operazione dovesse essere portata a termine in un determinato tempo, diciamo in dieci secondi, è evidente che i soldati, per raggiungere la nuova posizione, dovrebbero retrocedere a velocità sempre maggiore a mano a mano che ci si allontana dal primo della fila il quale, come abbiamo detto, dovrebbe rimanere fermo. Il secondo della fila dovrebbe spostarsi di un metro in 10 secondi, il terzo di due metri in 10 secondi, il quarto di tre metri in 10 secondi e così via. Il centesimo della fila dovrebbe retrocedere di 99 metri in 10 secondi, manco fosse Usain Bolt.

Ma anche il più veloce dei soldati avrebbe un tempo limite, così come le galassie, che se si spostassero nell’Universo, non potrebbero superare la velocità limite che sappiamo essere quella della luce.

Se però i soldati fossero disposti su una specie di tapis roulant di gomma, potrebbero rimanere fermi e tuttavia allontanarsi tra loro se il tapis roulant venisse allungato sotto i loro piedi. Anche le galassie sono “ferme”, ma è lo spazio stesso che, dilatandosi, le “sposta”. Ed è per questo che, anziché parlare di “velocità” (che implica movimento), i cosmologi preferiscono il termine “recessione”.

Più affascinante ancora è il problema di che cosa ci sia al di là di quello che abbiamo chiamato l’Orizzonte Cosmico, cioè a distanze maggiori di 15 miliardi di anni luce. Niente, sembra essere la risposta più ovvia. Ma non è così.

Torniamo all’esempio delle foto: se oggi pretendessi di vedere una mia foto scattata 50 anni fa sarebbe impossibile, perché ne ho 49. Ma l’anno prossimo la potrò vedere! Nello stesso modo, essendo l’Universo nato 15 miliardi di anni fa, la luce può aver viaggiato solo per 15 miliardi di anni e quindi i segnali luminosi che sono partiti dalle remote regioni che si trovano al di là dell’Orizzonte Cosmico non hanno ancora fatto in tempo ad arrivare fino a noi.

Uso un altro esempio: se saliamo su una montagna, mano a mano che saliamo, l’orizzonte si sposterà sempre più lontano: allo stesso modo, l’Orizzonte Cosmico si va ingrandendo con il passare del tempo inglobando regioni cosmiche che attualmente ci sono ignote.

La cosa più ragionevole da pensare, quindi, è che al di là dell’Orizzonte Cosmico vi siano sconfinati spazi popolati di galassie (o di altre “robe”), esattamente come si può osservare vicino a noi.

Ciò, fra l’altro, si inquadrerebbe perfettamente con l’assunto fondamentale della cosmologia moderna, secondo il quale l’Universo non ha un centro o, per meglio dire, non ha, al suo interno, punti preferenziali.

Ma questo fatto, se da un lato ci delude e ci ferisce nel nostro orgoglio, dall’altro ci garantisce un futuro di scoperte: come diceva Italo Calvino, “Se alzi un muro, pensa a ciò che resta fuori!”

Onda su onda…

In condizioni normali, l’occhio percepisce l’immagine di un oggetto perché questo riflette una parte della luce che lo colpisce. La luce riflessa giunge all’occhio in modo da formare sulla retina un’immagine corrispondente punto per punto all’oggetto.

La nebbia è una sospensione di finissime goccioline d’acqua che diffondono la luce, cioè la deviano in tutte le direzioni. Se le goccioline sono poche, come nel caso di foschia, si perde poca visibilità perché la deviazione della luce è minima. Con nebbia densa, invece, un raggio luminoso subisce molte deviazioni e l’occhio non riesce a ricostruire efficacemente l’immagine.

Ecco perché non vediamo nella nebbia. Ma perché dico questo? “Non starai facendo un pezzo sulla nebbia?”, penserà qualcuno.

Tranquilli, non parlerò di nebbia, ma l’esempio che ho usato mi serve a far comprendere, in parole semplici, perché sia così difficile rilevare le onde gravitazionali. È più o meno come cercare di vedere nella nebbia.

Ogni tanto però, nella scienza ci sono avvenimenti che segnano una svolta e servono anche a comprendere meglio i fenomeni e le loro implicazioni.

Nei giorni scorsi ci sono stati due eventi che hanno avuto ampia risonanza nel mondo scientifico: il Premio Nobel per la fisica e una nuova scoperta, ancora più importante delle precedenti, della coppia Virgo-LIGO.

Il VIRGO è un grande interferometro con bracci lunghi 3 km, situato nel comune di Cascina, in provincia di Pisa, e fa coppia con il LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observer, cioè osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali), costituito da due tubi lunghi 4 chilometri e larghi poco più di un metro disposti a formare una gigantesca “L”, situato in due locations, la prima presso Hanford, nello stato di Washington, la seconda a Livingston, in Louisiana.

I due fatti sono collegati, poiché l’assegnazione del Nobel a Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne, per i “loro contribuiti decisivi legati all’osservatorio LIGO e alle onde gravitazionali”, ha riconosciuto il lavoro di quasi 40 anni per rendere possibile la prima osservazione delle onde gravitazionali, avvenuta il 14 settembre del 2015 e annunciata nel febbraio dell’anno seguente.

Il 26 febbraio 2016, trovandomi a Milano per lavoro, ho assistito alla conferenza di Marco Giammarchi, ricercatore dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e visiting professor all’Università di Berna, al planetario “Ulrico Hoepli” di Milano. Ancora non avevo ben capito le implicazioni che una scoperta del genere avrebbe potuto avere, ma quella conferenza fu straordinaria nel farle capire.

Ma se la prima scoperta del settembre di due anni fa aveva aperto la strada a un nuovo strumento di osservazione astronomica, l’annuncio di metà ottobre di quest’anno è ancora più entusiasmante.

Non solo perché ha “rilevato” la fusione di due stelle di neutroni, e questo ci permette di studiare questi oggetti che hanno una densità tale che un cucchiaino di una stella di neutroni ha la densità di una montagna terrestre (o del casatiello napoletano), ma anche perché si è trattato di uno degli eventi astronomici più documentati di sempre: è stata studiata la sua “onda d’urto” sotto forma di onde gravitazionali; individuati i suoi lampi gamma, appena due secondi dopo lo scontro; e nelle ore successive, è stato osservato nella luce visibile, all’infrarosso, negli ultravioletti, ai raggi X, fino a captarne le onde radio. All’appello mancano solo i neutrini (e questo è un risultato su cui si dovrà indagare).

Nel frattempo, Hubble ha misurato il moto e la composizione chimica del materiale del nuovo oggetto celeste, una kilonova: nelle nubi di detriti espulsi dalle stelle di neutroni in collisione sono state forgiate grandi quantità di alcuni degli elementi più pesanti dell’Universo, in pratica centinaia di masse terrestri di oro e platino (non una buona notizia per gli speculatori, perché se avessimo a portata di mano un pianeta fatto d’oro, il valore dello stesso scenderebbe a zero).

Per fare un paragone cinematografico, per la ricerca è come se fossimo passati da un film muto e in bianco e nero a un colossal in hd con tanto di colonna sonora d’autore.

Ma per la vita di tutti i giorni?

È forse sfuggita l’importanza che esse hanno e avranno, non solo per la scienza, ma anche per il nostro vivere comune. Basta infatti poco a riflettere, ad esempio, che la nostra civiltà è basata sulle onde elettromagnetiche; che ci danno la possibilità di comunicare come siamo in grado di farlo oggi. Ebbene, le onde gravitazionali sono, probabilmente, molto più importanti delle onde elettromagnetiche.

Vediamo perché.

Intanto diciamo che le onde gravitazionali sono difficilissime da osservare: se una stella distante 10.000 anni luce esplodesse la corrispondente onda gravitazionale deformerebbe il nostro metro di un milionesimo di miliardesimo di centimetro. Pari ad un centesimo del diametro di un nucleo atomico.

Come avevo già detto in passato, la forza gravitazionale, a differenza di quella elettromagnetica, che si presenta con un’attrazione e una repulsione, e delle forze nucleari, che hanno un raggio d’azione limitatissimo, è debolissima, ma si presenta come un’attrazione costante e continua da parte dell’oggetto con massa maggiore nei confronti di quello di massa minore.

In realtà, ciò accade perché l’oggetto di massa maggiore deforma lo spazio in modo proporzionale e quindi possiamo affermare che tutta la materia in spostamento provoca onde gravitazionali. Anche noi, camminando, le provochiamo, deformando lo spazio intorno a noi.

Questo necessita un cambiamento nel modo di pensare lo spazio, non come un posto vuoto, ma con una certa “consistenza”. Consistenza che cambia, ad esempio, al passaggio di onde gravitazionali.

L’ultima scoperta, la fusione delle due stelle di neutroni, ci ha portato alla consapevolezza di un paio di cose sulle onde gravitazionali che prima non immaginavamo neanche: intanto, le informazioni trasportate dalle onde viaggiano in teoria, all’infinito, senza essere modificate. Quindi possono, sempre in teoria, penetrare un buco nero.

Altra cosa interessante: a quanto pare si muovono alla velocità della luce, perché non ci sono masse associate e perché, nel vuoto, luce e gravità viaggiano alla stessa velocità. E le informazioni trascinate dalle onde gravitazionali sono, sempre in teoria, molto più affidabili di quelle delle onde elettromagnetiche, perché tutto è soggetto alla gravità, mentre, ad esempio, l’elettromagnetismo agisce solo su corpi dotati di carica.

A me queste cose fanno venire in mente tre esempi.

Comunicazioni: anche se deformano, di poco però, lo spazio intorno a loro, come dicevo, sono più affidabili delle onde elettromagnetiche.

Energia a basso costo: ricordate, quando spiegavo la fisica di Star Trek, di come sarebbe utile avere una fonte di energia quasi inesauribile? Con le onde gravitazionali potremmo andare in quella direzione.

Viaggi interstellari: le teorie che prevedono dimensioni nascoste nelle pieghe dell’Universo potrebbero finalmente essere confermate (o confutate) e ciò ci darebbe la possibilità di deformare lo spazio con le onde gravitazionali, così da viaggiare a velocità superiori a quella della luce.

Inoltre, la scoperta delle onde gravitazionali potrebbe dare, anche prima di quel che pensiamo, la risposta alla domanda che negli ultimi anni ha quasi bloccato la ricerca astronomica, cioè il mistero della massa mancante.

Infatti i nostri modelli ci dicono anche che là fuori dovrebbe esserci, nascosta da qualche parte, il doppio circa di materia ordinaria rispetto a quella osservata.

In conclusione: già ora le onde gravitazionali sono utili per vedere meglio tutto quello che l’Universo nasconde, spingendoci meglio verso distanze prima inimmaginabili.

Le altre utilità descritte, come telecomunicazioni, energia propulsiva cosmica, studio delle dimensioni nascoste dell’Universo, viaggi interstellari attraverso pieghe e curvature dello Spazio, sono oggi fantasie.

Ma erano fantasie anche quelle di Arthur C. Clarke, che nel 1951 nel romanzo “La sentinella”, che poi ispirò “2001, Odissea nello spazio”, predisse l’utilizzo di satelliti geostazionari per le comunicazioni, come erano fantasie quelle di H. G. Wells, di Isaac Asimov e di altri fantasiosi autori di romanzi. Fantasie che si sono realizzate, quindi chissà che le onde gravitazionali non ci portino delle sorprese!

Anche se in realtà l’unica invenzione di cui davvero avremmo bisogno è la piscina che fa ringiovanire, come quella di Cocoon…