Dall'atomo ai confini del cosmo

Dall'atomo ai confini del cosmo FISICA Dall'atomo ai confini del cosmo L'impronta di Planck, Einstein, Bohr, Dirac e Fermi A scienza, guarda al futuro ma affonda le radici nel passato ed è prassi alquanto lartificiosa e non priva di rischi il separare il suo lungo camminò in compartimenti stagni e vederla solamente come una successione di scoperte isolate. Lo spazio che ci è concesso non permette tuttavia una analisi esauriente e converrà seguire il cammino della fisica avendo come riferimento eventi di alto significato simbolico e applicativo. Il secolo XX ha inizio con la formula per la radiazione del corpo nero ottenuta dal fisico tedesco Max Planck. In fisica il "corpo nero" è un corpo materiale ideale in equilibrio termodinamico con la radiazione circostante. Un ferro rovente può essere considerato in prima approssimazione come un corpo nero ed emette luce la cui composizione è descritta con grande accuratezza dalla formula di Planck. Nel derivare questo risultato Planck assunse che l'energia della radiazione luminosa o comunque di tutte le onde elettromagnetiche fosse emessa in pacchetti o quanti di entità proporzionale alla frequenza della radiazione. Nel 1905 Einstein estese l'analisi di Planck all'effetto fotoelettrico in un lavoro che aprì le porte alla meccanica dei quanti e che ricevette la conferma finale negli Anni 20 con la scoperta dell'effetto Compton. I quanti di Planck sono in sostanza fotoni o particelle elementari associate al campo elettromagnetico. La natura duale di particella e di onda dei fotoni apparve all'inizio come una anomalia indesiderata. Le ambiguità aprirono invece trionfalmente le porte alla meccanica quantistica sotto la spinta poderosa di Bohr, De Broglie, Heisenberg, Schroedinger, Dirac, Born e Pauli, per citare alcuni dei protagonisti più noti, e dello stesso Einstein che mantenne tuttavia un atteggiamento critico verso l'interpretazione corrente dei quanti. L'anomalia del fotone Tullio Regge fu risolta estendendo la dualità onda-particella a tutte le forme di materia (torneremo tra poco su questo argomento). Nel 1905 apparve sotto il titolo alquanto ingannevole di "Sull'elettrodinamica dei corpi in moto" un lavoro di Einstein che segna l'esordio della teoria della relatività. Sarebbe tuttavia ingiusto per le ragioni già esposte all'inizio d trascurare i contributi essenziali e antecedenti sia dell'olandese Lorenz che sia sommo matematico francese Poincaré. Nelle parole di Newton "il tempo scorre equabilmente" ossia con ritmo uniforme senza alcuna relazione con lo stato di moto di chi lo misura. La relatività nega questa assunzione e colloca i fenomeni fisici entro uno scenario sconvolgente in cui spazio e tempo si fondono in una struttura unificata e il tempo può scorrere in modo diverso per osservatori diversi ma senza mai incorrere in paradossi. La riuova concezione dei tempo e dello spazio ha condotto fra l'altro alla celebre formula E = me2 che regola tutti i fenomeni fisici in cui scompare materia con sviluppo di energia e che portò alla pila di Fermi. Nel 1917 Einstein estese la relatività ristretta in modo da includere anche il campo gravitazionale: questa relatività generale ha previsto i buchi neri, oggetti esotici nati da collassi stellari ed è stata applicata alla cosmologia portando al modello del Big Bang. Accanto alia meccanica dei quanti e alla relatività occorre rivalutare il cammino della meccanica statistica nata nel secolo XIX dal genio di Maxwell e rivelatasi essenziale in tutti! casi, e sono la regola, in cui si vuole analizzare il comportamento di porzioni di materia composte da un grandissimo numero di atomi o comunque di componenti elementari. Si collegano a questi sviluppi lo studio dei fenomeni che avvengono alle bassissime temperature e la scoperta della superconduttività. La prima metà del XX secolo è stata sconvolta da rivoluzioni concettuali profonde che sono apparse sulla scena della fisica a ritmo tumultuoso. L'uomo ha potuto controllare per la prima volta direttamente la struttura atomica della materia e prevederne il comportamento con ima precisione inaudita. L'atomo risultò composto da un nucleo che attrae attorno a se una nuvola di elettroni ma anche il nucleo è composto da protoni e neutroni, a loro volta questi sono composti da quark. Il sistema periodico di Men'deleyev ha ricevuto una spiegazione chiara e convincente entro il quadro della fisica atomica. La costruzione di giganteschi acceleratori e l'arrivo di possenti tecnologie ha permesso di vedere dettagli sempre più piccoli della materia, di sintetizzarne forme nuove ed esotiche e di costruire un modello globale che ne rappresenta fedelmente le proprietà. Questo sviluppo, che per Thomas Kuhn sarebbe stato di 'scienza normale" in contrasto alla "scienza rivoluzionaria" dell'inizio secolo, caratterizza la seconda metà del secolo XX. L'impatto di queste scoperte è grandioso e difficilmente valutabile e a sua volta si è riversato sulla ricerca aprendo nuovi orizzonti anche in discipline non direttamente collegate alla fisica. La stessa scoperta del Dna e stata resa possibile da metodi fisici di analisi delle strutture microscopiche mediante raggi X, oggi banali ma all'epoca altamente innovativi. Così come la dinamica stellare, le esplosioni delle supernove e la straordinaria architettura del cosmo sono state chiarite in questo secolo grazie a un ponte ideale gettato tra l'infinitamente grande e l'infinitamente piccolo. Tullio Regge Politecnico di Torino

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