Neanche Hawking

Neanche Hawking sa che cosa c’è
dietro a quel punto che più nero non ce n’è;
può sudare, lui ha pensato
ma lì non si è fermato.
 
Un amico suo ha capito,
e si è anche divertito,
che se un libro è un buco nero
allora è proprio strano per davvero:
le sue storie variegate
sono tutte condensate
non sulle pagine all’interno

ma sulla copertina che è all’esterno.bla

Basta il nome “buco nero”
a indicare che è un mistero:
che succede se ci cado, dov’è che me ne vado?
Divento un fuoco d’artificio
o uno spaghetto come al pastificio?
 
E se ci verso una tazza di tè, di lei che ne è?
Il liquido è assorbito ma il calore è sparito?
E se fosse latte freddo la sua colazione?
Che ne sarebbe di quest’informazione?
 
Tante cose noi sappiamo,
molte più ne ricerchiamo;
la spinta è la curiosità
la compagna la creatività.

Essere o non essere, vita da gatti (di Schroedinger)

Essere o non essere, questo è il problema, giusto? No, c’è di peggio, perlomeno per un fisico. Il problema è essere e non essere allo stesso tempo.
“Ok, allora smetto di leggere questo articolo perché non sono un fisico e non sto capendo niente.”
Un momento, please: posso spiegare, non è (complicato) come sembra. Ripartiamo con un altro incipit, uno un po’ più facile. C’era una volta un gatto, che non sapeva se era vivo oppure no; pardon, lui lo sapeva benissimo, erano gli altri a non saperlo.
“E meno male che ricominciavi facile!”
Un attimo ancora di pazienza, che fretta c’è? Tanto il gatto non scappa: non può andare da nessuna parte perché è stato chiuso in una scatola con del plutonio.
“Ok, adesso basta sul serio: chiamo la protezione animali!”
Ah perché, non l’ho detto?
“Che cosa?”
Che è un esperimento fittizio.
“Fi’ che?”
Fittizio, immaginato, teorico, uno di quei “che succederebbe se …?” che i fisici teorici usano per ovviare alle ristrettezze dei fondi alla ricerca 😉
“Cioè? non solo voi fisici sprecate soldi con delle elucubrazioni ma in più ve la cantate e ve la suonate?”
Primo: non so cantare. Secondo: teoria non vuol dire fantasia. In fisica, come nelle altre scienze sperimentali, una teoria dei fenomeni naturali rappresenta l’insieme delle spiegazioni di quei fenomeni, in particolare le spiegazioni più accurate delle quali si dispone fino a prova contraria.
“Va bene ma che ne è del gatto? L’avevamo lasciato da solo, chiuso dentro a una scatola: se non è morto per il plutonio sarà schiattato per mancanza d’aria. Non possiamo andare a controllare?”
E qui casca l’asino, anzi il gatto. Che intendi per “andare a controllare”?
“eh, che … si va e si vede.”
Cioè, spiegati meglio?
“Ma come, non sei uno scienziato? Mi pari un po’ lento.”
Preferisco rigoroso: “x” sta a “y” come io sto a me, come ama dileggiarmi mio cugino. Se non chiarisci cosa intendi, come fai ad essere smentito? In fisica chiarire vuol dire definire. Quando tu dici “si va e si vede”, quel vedere implica una tua interazione col sistema.
“Abbasso il sistema!”
Il sistema fisico è quello che stai osservando: la scatola con dentro il gatto.
“Io non sto osservando proprio niente.”
Proprio niente niente no: stai osservando me mentre parliamo. In questo caso però non interferisci con quello che sono e come mi comporto: sei un osservatore passivo. Se invece vai dove abbiamo riposto il gatto, che fai per vedere se è vivo o morto?
“Vado e scuoto la scatola”
Mo la chiamo io la protezione animali!
“Allora lo chiamo: micio, micio, micio?”
Non ti sente.
“Perché, è un gatto sordo? Non potevi pensare un gatto standard?”
Veramente non l’ho pensato io ma un certo Schroedinger.
“Chi è, un ministro della Merkel?”
No, è un fisico del ‘900.
“Lo conosco: aveva mica un gatto?”

Schrödinger

Spiritoso. Comunque mi pare di sì ma non gli ha fatto niente di male. Se n’è servito solo a livello teorico, per dare un’idea concreta di un problema, un’immagine che ci parlasse in maniera chiara.
“Ma se non ho capito ancora niente!”
Ok, arriviamo al sodo. Per verificare lo stato di vita del gatto devi aprire la scatola: così facendo, agisci sul sistema diventandone parte: non sei più un osservatore passivo. Questa tua azione determina una conseguenza: è come se il sistema “scegliesse” la condizione nella quale manifestarsi a te solo nel momento in cui interagisci con esso. Prima di allora il gatto potrebbe essere sia morto …
“Io non ho fatto niente, giuro!”
che vivo …
“Sono riuscito a salvarlo!”
Non ti agitare, parliamo solo di probabilità: ed è qui che casca il gatto.
“Non era già caduto prima? avrà pure nove vite ma il tuo parte svantaggiato.”
Stai buonino, ché ora ti rispondo.
“Veramente io non ti ho chiesto niente.”
Lo so ma io te lo voglio dire lo stesso. Quando ami qualcuno vuoi dirlo a tutti, giusto?
“Ti sei innamorato di un gatto? protezioneeeeeeeee”
Stolto! Volevo solo spiegarti perché ti dico tutte queste cose; poi giuro che concludo. Dicevo: quando sei innamorato di qualcuno o profondamente appassionato di qualcosa, ne parli senza che te lo si chieda, perché è una cosa bella da condividere e può servire da invito a sperimentare altrettanto. Tornando all’esperimento, l’esimio Signor Schroedinger si era posto il problema del gatto per capire meglio il mondo delle particelle: in particolare, se la natura probabilistica della realtà microscopica confligga o no con quella deterministica del mondo macroscopico.
“Ahhhh, ora sì che è chiaro!”
Ci sto arrivando. Il nodo della questione è appunto che per noi un gatto è vivo oppure morto: si può trovare nell’una o nell’altra delle due condizioni in maniera mutualmente esclusiva. Per le particelle microscopiche invece la vita è incerta: possono sia “essere” che “non essere” qualcosa, con diversi gradi di probabilità per ognuna delle condizioni. Quale sia effettivamente lo stato di una particella lo si sa, in parte, solo osservandola, il che implica un’interazione con essa. Solo in parte perché questa interazione rende, sì, apparente una condizione della particella ma ne modifica altre. Si riesce quindi a conoscere una caratteristica della particella a scapito di un’altra, che resta indeterminata. Questo costituisce il principio d’indeterminazione di Schroedinger, uno dei pilastri della fisica nel micro-mondo dei quanti di energia e materia, dove regna la probabilità. In questo nuovo mondo, il gatto, in quanto insieme di particelle quantistiche, dovrebbe mostrare delle caratteristiche di indeterminazione: ne consegue, quindi, che prima di venire osservato, il gatto è sia un po’ vivo che anche un po’ morto, allo stesso tempo. Non è che il gatto abbia fatto indigestione di pesce andato a male: è solo che sia la vita che la morte sono equiprobabili, fifty-fifty.

Schroedinger_Ket

Ecco allora perché è famoso il gatto di Schroedinger: perché incarna un paradosso. Dall’esperienza quotidiana sappiamo bene che lo stato del gatto non è per niente incerto o ambiguo: o è vivo (essere) oppure è morto (non essere). Dal canto suo, il plutonio o, meglio, i suoi atomi possono essere e non essere allo stesso tempo: finché non si va a vedere non lo si può sapere. Nella fattispecie dell’esperimento a scatola chiusa del gatto, una sostanza radioattiva, non necessariamente il plutonio, si trova nel contenitore insieme all’animale; completa il tutto un dispositivo che, se rileva radioattività, fa scattare un martelletto che rompe una fiala di veleno che uccide il gatto …
“Che alla fiera dell’est mio padre comprò.”

Schroedinger_Cat

Eh eh eh, vedo che stavi seguendo. Guarda, mi è venuto in mente un esempio che fa al caso nostro. Hai presente quei biscotti al burro tipici del nord Europa?
“Quelli nelle scatole di metallo tonde?”
Proprio loro; ti ricordi che ci si faceva con quelle scatole una volta finiti i biscotti?
“Mia nonna ci metteva gli attrezzi per cucire.”
Pure a casa mia. Ecco, se ti trovi davanti una di queste scatole chiusa, fino a che non la apri non puoi sapere cosa ci sia dentro: conterrà ancora i biscotti oppure sarà già stata riconvertita a un altro uso”
“Ah, mo ho capito; giuro!”

Biscotti_Schroedinger

Va be’, allora annamo a inzuppa’ i biscotti in un po’ di caffè ché te vedo provato; poi semmai riprendiamo il discorso.
“No guarda, non c’è bisogno: mi compro un cane.”
Va be’, mi rifaccio su chi legge, che ringrazio per la paziente attenzione e per i commenti. Vi propongo di guardare il video qui di seguito in cui Sheldon, pardon, il Dottor Sheldon Cooper spiega a Penny cosa è il gatto di Schroedinger.
Se voleste saperne di più, non esitate a chiedere ché vi rispondo … oppure no … oppure tutt’e due? chi vivrà vedrà (e saprà).

Lascia che ti parli di Einstein … anzi, lascia che te lo balli ;-)

Per spiegare la maggior parte dei fenomeni intorno a noi non serve scomodare Einstein ma basta accontentarsi di Newton. Quando però usiamo un navigatore GPS andiamo a beneficiare di uno dei fenomeni per i quali Einstein serve eccome: si dà il caso infatti che il tempo e lo spazio non siano così ovvi come avremmo continuato a credere fidandoci di Newton, sono bensì dinamici e interconnessi, costituendo un’unica entità: lo spaziotempo. Anche una massa come quella della Terra è sufficiente a deformare questo tessuto spaziotemporale.
In maniera semplificata, la situazione è analoga a ciò che succede quando noi ci sediamo su di un divano: la piega del cuscino è più evidente vicino al punto in cui sediamo e, se mettiamo un oggetto lungo il pendio da noi creato, questo scivola verso di noi, seguendo la curva che abbiamo creato. Questa caduta lungo il pendio del divano è analoga alla caduta degli oggetti che, una volta scivolatici di mano, restano in balia dell’attrazione gravitazionale della Terra: la gravità, capì Einstein, non è altro che il risultato della curvatura dello spazio creata dalla presenza di massa. Essendo spazio e tempo un tessuto deformabile, lo spaziotempo, ne consegue che anche il tempo può essere “deformato”, ovvero scorrere a un ritmo diverso a seconda di dove “sieda” l’osservatore: in particolare, il tempo scorre più lentamente via via che si avvicina ad una massa (non tenere conto di questa differenza renderebbe inutilizzabile il sistema di navigazione satellitare GPS).

Dali_Time_Painting

Quando ero all’Università del Maryland per un periodo di ricerca ho sperimentato un modo nuovo di descrivere alcuni di questi effetti: l’arte, in particolare tramite uno spettacolo di ballo. I due atti della performance si basano rispettivamente su: incontri tra stelle e buchi neri, il primo, spazio, tempo e loro dinamicità, il secondo. Entrambe le situazioni non si verificano in maniera drammatica nel nostro cortile cosmico, il Sistema Solare: mentre da una parte questo è un bene per la tranquilla sopravvivenza dell’umanità, dall’altra fa sì che gli scienziati siano ancora in attesa di inaugurare l’astronomia gravitazionale, uno dei numerosi lasciti del genio di Einstein.

Il primo atto della performance è una gioiosa successione di incontri di diversi oggetti astrofisici, da cui la varietà dei colori dei costumi. Dal canto loro, i veli sono sia artistici che strumentali alla scienza che c’è dietro. Quando due oggetti celesti massicci si incontrano a distanza ravvicinata, producono l’uno sull’altro un effetto del tutto simile alle maree sulla Terra: il lato del nostro pianeta che è più vicino alla Luna si solleva perché è più attratto da quest’ultima, proprio in virtù della sua posizione di prossimità alla sorgente del campo gravitazionale; anche il lato della Terra più lontano dalla Luna si solleva, lui però perché meno attratto. I veli lasciano la libertà di accentuare queste deformazioni che, nel caso riguardino stelle poco compatte, possono deformare la stella fino a disgregarla, dando origine a delle scie di materiale stellare.

Vere

Vere “étoiles”: qui le ballerine compiono evoluzioni ispirate a quelle di stelle compatte e buchi neri, quando questi si incontrano nell’universo. (Copyright Stan Barouh http://stanbarouhphotography.smugmug.com/Theater/University-of-Maryland-School)

L’ultimo degli incontri stellari del primo atto avviene tra due ballerine, il cui moto a spirale è accompagnato da una colonna sonora abbastanza peculiare. Come accennavo poco fa, l’astronomia gravitazionale è un campo d’investigazione ancora in fase di maturazione per mancanza di segnali rilevati: per essere sicuri di distinguere i segnali di interesse dal rumore cosmico e degli strumenti di misura, gli scienziati li simulano per sapere meglio cosa cercare. Quello che si sente mentre le due ballerine compiono evoluzioni, che le portano ad avvicinarsi sempre più, è proprio il segnale tipo dovuto all’avvicinamento e la fusione di due stelle compatte o due buchi neri.

Il secondo atto è del tutto diverso: qui le ballerine descrivono lo sfondo sul quale si verificano i cataclismi cosmici di cui sopra, lo spaziotempo. Si potrebbe dire che, mentre con Newton e la sua mela la scenografia è fissa e statica, con Einstein il palcoscenico partecipa alla narrazione cosmica al pari delle ballerine, pardon, degli astri. Gli effetti di questa nuova narrativa possono suonare folli, come il fatto descritto precedentemente, che il tempo può scorrere a un ritmo diverso a seconda di dove ci si trovi. Questo diverso ritmo del tempo è reso apparente dalla diversa velocità con la quale si muovono le ballerine nel secondo atto. Il tipo di evoluzioni che compiono invece simboleggia un altro ingrediente.

Lo spaziotempo è una membrana deformabile, come quella di un tamburo: alla fine del primo atto abbiamo sentito uno dei possibili suoni di questo particolare tamburo, nel secondo atto si descrive la membrana stessa. I costumi neri e stretch sono stati scelti proprio per rappresentare la neutralità della scenografia cosmica e la sua elasticità. Con questi costumi le ballerine possono enfatizzare allungamenti e torsioni: tali sarebbero gli effetti ai quali un astronauta sarebbe sottoposto se, galleggiando come una boa nello spaziotempo, si ritrovasse troppo vicino a un gorgo come quello di un buco nero.

Ballerine alle prese con la rappresentazione artistica del tessuto spaziotemporale. (Copyright Stan Barouh http://stanbarouhphotography.smugmug.com/Theater/University-of-Maryland-School)

Ballerine alle prese con la rappresentazione artistica del tessuto spaziotemporale. (Copyright Stan Barouh http://stanbarouhphotography.smugmug.com/Theater/University-of-Maryland-School)

Partecipare a questa esperienza è stato per me un regalo: ho potuto assistere da vicino a come il carattere estetico e la ricchezza espressiva tipiche delle arti possano dare una vitalità quasi tangibile a concetti e formule che, sebbene affascinanti per gli esperti del campo, sono spesso visti come aridi e inutili dai non-specialisti. Ritengo che il processo del quale ho fatto parte sia fondamentale per la diffusione della passione per le scienze, prima ancora che delle conoscenze a queste associate. Pertanto è con piacere e orgoglio che chiudo questo post linkando all’articolo della rivista IoDonna dove si fa riferimento a questo mio progetto di comunicazione scientifica.