Fisica

Può sembrare un libro di curiosità, invece è un libro di fisica. Ogni nostra esperienza quotidiana, ogni fenomeno comune, che spesso guardiamo senza passione, nasconde infatti segreti che alla luce delle leggi della fisica diventano improvvisamente comprensibili e molto più affascinanti di quanto avremmo mai sospettato. Helen Czerski ci coinvolge col sorriso in decine di storie comuni, dalle onde del mare ai cucchiaini da caffè, per raccontarci quanto può essere bella la fisica, che danza tutt'intorno a noi, se solo ci fermiamo a osservarla. Le più grandi teorie, le più complesse e affascinanti congetture, si nascondono infatti negli oggetti più insospettabili e comuni. I venti antartici possono essere spiegati con lo scoppio del popcorn nella padella; persino bere da una cannuccia può essere una buona lezione di fisica. Nel nostro bicchiere c'è un brulichio di molecole, un invisibile e turbolento sfrecciare e scontrarsi di infinite, minuscole biglie. È un gioco di pressione e temperatura nel quale si nasconde la legge dei gas, il comportamento dei liquidi e molto altro, e non ci si annoia mai. La fisica, insomma, fa parte della nostra vita di ogni giorno, basta saperla scovare per apprezzarla, soprattutto se in cattedra c'è Helen Czerski a raccontarcela col suo entusiasmo contagioso.

"Ogni cosa è collegata. E lo dimostrerò scientificamente." Ci sono parole che nascondono un mondo bellissimo, che sembrano precise come termini medici, eppure vengono usate da chiunque e nei momenti più disparati per affermare concetti spesso lontani dal contesto in cui queste parole sono nate. Prendiamo il termine "sincronicità", per esempio, che usiamo solitamente per indicare quegli eventi che si verificano nello stesso istante. Ci sono scienziati che hanno timore a usare questa parola, perché evoca concetti mistici o terreni troppo scivolosi. Ma la scienza non è a favore o contro concetti sincronici: semmai lo sono gli scienziati. Infatti c'è un fisico, che è andato contro tutto e tutti, a cui questa parola non faceva paura. Anzi, si è messo a indagarla. E lo ha fatto insieme allo psicanalista in attività più famoso del mondo, colui che quella parola l'aveva creata. Questa è la storia di un fisico così talentuoso che a trent'anni (anzi, meno) è stato collocato esattamente tra Einstein e Maxwell nella classifica dei fisici più importanti del ventesimo secolo: Wolfgang Pauli. Ma anche del personaggio più criticato, sbeffeggiato, deriso di tutto il mondo scientifico. Soprattutto per la sua seconda vita, che Pauli ha scelto di trascorrere nei quartieri più malfamati delle grandi città, girando per bordelli, bevendo whisky, prendendosi a botte con la gente più strana, e tornando sempre a casa alle prime ore del mattino. Ma, come se non bastasse, c'é un altro colpo di scena. Wolfgang Pauli andava in analisi da Carl Gustav Jung, il quale aveva chiesto una sola cosa in cambio: che Pauli gli spiegasse la fisica quantistica. Questa è una storia di inquietudine. Una storia in cui viene messo in discussione un modo di ragionare che ci è proprio, e che diamo per scontato. Quella raccontata in questo libro è la vera, incredibile storia di Pauli e Jung, della fisica quantistica e della sincronicità, della mente e dell'amore, e di come tutto sia straordinariamente legato insieme.

Il mondo dell'antimateria è così vicino al nostro che è praticamente impossibile distinguerlo dal mondo della materia. Si tratta di una vicinanza paradossale in quanto l'incontro tra questi due mondi porterebbe a una conflagrazione di estrema violenza e alla completa eliminazione di almeno uno dei due: incontrando l'antimateria, la materia si annichilirebbe quasi istantaneamente in uno scatenamento di energia che in una frazione di secondo raggiungerebbe una temperatura di circa un miliardo di gradi. Questo scenario catastrofico, e fortunatamente irreale, permette di chiarire il fatto che l'antimateria può esistere nelle nostre vicinanze solo in scarsissime quantità e che l'asimmetria materia antimateria è alla base della nostra stessa sopravvivenza. Eppure, agli albori dell'universo doveva esserci una pari quantità di materia e di antimateria: dov'è andata a finire tutta l'antimateria presente all'inizio dell'universo? Perché la natura si è presa la briga di creare un mondo specchio che oggi brilla per la sua assenza? Per cercare di rispondere a queste domande, Gabriel Chardin ripercorre qui la storia dell'universo, in particolare della sua tumultuosa giovinezza, e conduce il lettore alla ricerca dei mondi di antimateria, partendo dal Sistema solare per risalire verso le galassie e le sue altre grandi strutture.

Kurt Fischer racconta di aver scoperto la relatività da ragazzo, grazie ai libri della biblioteca della sua città natale. Quei libri, però, erano stati anche fonte di frustrazione: alcuni erano troppo semplici e superficiali, altri offuscavano il significato fisico della teoria in un intrico di simboli matematici incomprensibili. Relatività per tutti nasce dal desiderio di colmare questo divario con un libro capace di spiegare in modo chiaro la teoria einsteiniana senza rinunciare a una trattazione rigorosa: pochi concetti fondamentali - luce, energia, massa, spazio e tempo - sono usati per ripercorrere l'approccio fisico-geometrico adottato da Einstein.

Il nucleo è un minuscolo puntino materiale al centro dell'atomo, del quale possiede pressoché tutta la massa. Un puntino apparentemente insignificante che cela in realtà un intero mondo. Per esempio, la sua struttura e le interazioni che in esso avvengono sono all'origine dei tre tipi di radioattività che possiamo osservare e misurare. Inoltre, mentre nei processi chimici gli elementi si ridistribuiscono, nei processi nucleari gli elementi vengono invece trasformati gli uni negli altri, quasi riecheggiando sul piano scientifico quella che era una delle idee centrali dell'alchimia: la trasmutazione della materia. Lo studio della fusione nucleare, cui si deve l'enorme ammontare di energia prodotta nel Sole, ci svela come nascono, evolvono e muoiono le stelle. Infine, l'esistenza stessa del carbonio, l'elemento alla base delle molecole organiche, poggia sulla struttura del nucleo. Giorgio Chinnici esplora questi e altri temi, che si intrecciano con le storie delle grandi personalità della ricerca nella fisica, e ci conduce alla scoperta dei segreti del nucleo, colmando un vuoto nel panorama della divulgazione scientifica.

Questo testo concilia l'esigenza di un corso metodologico e formativo con l'integrazione della Fisica nel curriculum di studi biosanitari. I capitoli che riportano i concetti fondamentali della Fisica, con alcune applicazioni medico-biologiche, si alternano ai capitoli dedicati interamente alle applicazioni di tali concetti in campo biomedico e con alcuni accenni in campo ambientale. Queste applicazioni sono svolte con l'obiettivo di fornire esempi di una trattazione scientificamente rigorosa, in una forma schematica ed essenziale, di complessi problemi medici e biologici. Si analizzano tutti gli argomenti della Fisica classica, con cenni di Fisica atomica, molecolare e nucleare. L'ultimo capitolo descrive la radioattività naturale e le radiazioni ionizzanti impiegate nelle strutture sanitarie con le conseguenti misure di radioprotezione da adottare. Il testo rappresenta uno strumento flessibile sia per il docente, che può organizzare un programma del corso con la scelta di argomenti e di applicazioni ritenute più opportune, sia per lo studente, che può impiegare il testo come un utile manuale di riferimento per altri corsi e per la sua carriera futura.

Ma questo computer quantistico c'è o non c'è? Certo che c'è. Però è una piantina appena nata, piuttosto che una quercia possente. Impreciso come i vecchi computer degli anni Cinquanta, oggi il computer quantistico non è un sogno fantascientifico, ma una scommessa di imprese e grandi centri di ricerca. Di che cosa si tratta? Sono macchine per processare informazione codificata in oggetti nanoscopici, come atomi o fotoni. E quello è il regime della fisica dei quanti: questi computer promettono di fare certi calcoli in modo più veloce di qualsiasi altro computer concepibile. Sono difficilissimi da costruire, ma potrebbero dare un contributo profondo in ambiti come medicina, scienze dei materiali e sostenibilità. Perché no, anche a una comprensione più profonda di ciò che è reale. Questo libro è un monologo, incompleto e a ruota libera, sull'interfaccia tra informatica e fisica quantistica, e su come queste due discipline hanno cominciato a influenzarsi a vicenda. Portandoci a interpretare i computer come oggetti il cui comportamento è governato dalle leggi della natura, l'autore non pretende di insegnarci nozioni in modo sistematico. Vuole incuriosire. E, in ultimo, lasciarci col desiderio di continuare a perlustrare questo campo nuovo e affascinante.

Una chiara introduzione alla fisica moderna e contemporanea e alle sue sotto-discipline, pensata prima di tutto per gli studenti e le studentesse, per i futuri docenti, ma anche per tutti quelli che desiderano avvicinarsi per la prima volta alle sue concettualizzazioni e alle sue procedure formali matematiche e sperimentali. Si presenta in una maniera del tutto originale una metodologia che permetta di superare gli ostacoli all'apprendimento della fisica moderna e antica, attraverso il confronto tra fisica aristotelica e fisica moderna, tra storia e teorie matematiche, tra fisica dell'esperienza e fisica dell'esperimento. In questa luce, si presentano la teoria della misura, la cinematica, la dinamica, la termodinamica, l'elettromagnetismo, la relatività speciale e generale, la fisica quantistica, l'astrofisica e la cosmologia, evidenziando, al di là dei formalismi, le loro rivoluzioni concettuali.

Il suo acronimo (lqg) suona come uno dei tanti, criptici e intimidatori, che gremiscono la fisica contemporanea. In realtà, la «gravità quantistica a loop» - oggetto del nuovo libro di Jim Baggott - è una delle declinazioni più promettenti nell'ambito della «teoria quantistica della gravità». La quale, a sua volta, è uno dei tentativi più accreditati di rispondere a una sfida senza precedenti nella storia della fisica: l'armonizzazione di due teorie di grande successo ma tra loro inconciliabili. La prima è la relatività generale di Einstein, che descrive il comportamento della materia su larga scala in uno spazio-tempo curvo: base del modello standard cosmologico del big bang, ha avuto una delle conferme più spettacolari nella recente scoperta delle onde gravitazionali. La seconda è la meccanica quantistica, che descrive invece le proprietà e il comportamento della materia alle scale più piccole: sotto forma di teoria dei campi, è alla base del modello standard della fisica delle particelle, e in questo ambito l'ultima convalida sperimentale è stata la scoperta del bosone di Higgs. Il punto è che il «doppio trionfo» delle due teorie - costruite su interpretazioni incompatibili dello spazio e del tempo - è servito solo a far apparire l'universo ancora più elusivo e misterioso, se non più bizzarro. Compito della lqg è dunque inventare un nuovo, comune tessuto teorico. Ricostruendo i termini della sfida, Baggott si sofferma a lungo sugli scienziati che più si sono adoperati (e continuano ad adoperarsi) per vincerla, come Lee Smolin e Carlo Rovelli; e, pur senza nascondere fino a che punto sia ardua, ne sottolinea l'importanza fondamentale grazie a un pensiero di Laozi: «Anche un viaggio di mille miglia comincia con un primo passo».

Il quanto di sfida ripercorre le fasi che portano alla scoperta del quanto d'azione, un evento rivoluzionario che cambia il volto della scienza del xx secolo. Il focus di questa storia è il fitto intreccio degli eventi cha vanno dal 1859 al 14 dicembre 1900, giorno nel quale Max Planck presenta al mondo la nuova costante universale h, primo tassello di una futura fisica moderna. Fu proprio il fisico tedesco a risolvere la questione sollevata quarant'anni prima dal suo mentore Gustav Kirchhoff il quale, partendo dai suoi studi su come la luce è emessa e assorbita dalla materia, trasformò il problema ottocentesco di scegliere la fonte di luce ideale più conveniente per illuminare le strade nella sfida intellettuale di determinare il potere emissivo di un corpo nero. La soluzione dell'enigma che porta alla Teoria dei quanti del primo Novecento ha i tratti di un romanzo thriller e, se è vero che non c'è traccia della vittima, non mancano le sfide e gli "atti di disperazione" dei protagonisti.

Nel 2011, il risultato di un esperimento di fisica creò lo scompiglio tra la comunità degli scienziati. L'analisi dei dati del progetto OPERA mostrava il segnale di un qualcosa di apparentemente impossibile. Sembrava che i neutrini sparati dal CERN fino al rivelatore posto in una caverna sotterranea dei laboratori del Gran Sasso viaggiassero a una velocità maggiore di quella della luce, contravvenendo alla relatività di Einstein, che impone a tutti gli oggetti materiali un inappellabile limite di velocità. Il risultato, presentato dai ricercatori coordinati da Antonio Ereditato come un'anomalia in cerca di soluzione, ebbe una risonanza enorme, soprattutto mediatica. Alcuni mesi dopo i fisici di OPERA scoprirono che la causa dell'effetto osservato era di natura strumentale. Un problema tecnico, un «cavetto staccato» come si disse, uno degli incidenti che fanno parte integrante del lavoro dello scienziato. Il neutrino, la più misteriosa e affascinante tra le particelle elementari, impartì una lezione a tutti: agli scienziati, agli operatori dell'informazione e anche al grande pubblico. Una storia per certi versi emblematica, da raccontare e da ripercorrere, raccontata da un protagonista. Una storia iniziata tanto tempo fa, un secondo dopo il Big Bang...

Nel 1997 due gruppi di ricerca - uno diretto da Anton Zeilinger a Vienna, l'altro da Francesco De Martini a Roma - riuscirono a teletrasportare un singolo fotone, cioè a trasferire lo stato fisico da una particella a un'altra particella lontana dalla prima. Un'impresa che fino ad allora sembrava un'idea strampalata, concepibile solo in un film di fantascienza. Per ora nessuno sa se il teletrasporto si potrà realizzare anche per atomi e molecole, o addirittura per oggetti macroscopici; ma questo primo passo dischiude orizzonti inimmaginabili fino a pochi decenni fa. In questo libro, l'autore fa il punto sulla fisica quantistica, indicando i rivoluzionari effetti che contraddicono radicalmente la nostra esperienza sensoriale.