Fuori dalla bolla!

Sebbene ancor oggi si utlilizzino le leggi di Newton per pianificare le rotte dei veicoli spaziali, è indiscutibile il fatto che, qualora non si tenga conto di una "correzione relativistica", i nostri navigatori - che "fanno il punto" servendosi dei segnali inviati da una costellazione di satelliti in orbita terrestre -, diverrebbero nel giro di qualche giorno completamente inattendibili.

Un aspetto meno noto circa le differenze tra le due teorie è che mentre in quella di Newton la gravità emerge soltanto dalla massa di un corpo, Einstein ci informa che questa emerga - oltre che dalla massa / energia - anche dalla pressione.

Che cosa significa?

Immaginiamo di pesare una molla in uno stato di riposo: comprimendola, varierà il suo peso?

In base alle leggi identificate da Newton la massa della molla rimane la stessa, il suo peso risulterà invariato e l'attrazione gravitazionale esercitata non cambierà dopo la compressione.

Secondo Einstein invece la molla si troverà a pesare di più, e per due diverse cause:

L’energia trasferita alla molla nell’atto di comprimerla ne aumenta il peso.

Comprimendo la molla vi introduciamo energia.

A parità di massa, l'energia fornita contribuisce a curvare lo spaziotempo, generando gravità.

E=mc^2 (Energia eguale a massa moltiplicato per un coefficiente il cui valore è pari alla velocità della luce al quadrato), ci informa sull'equivalenza tra le due grandezze e indica l'energia totale relativistica del sistema.

Gli eventi di Hiroshima e Nagasaki hanno dimostrato come massa (di uranio o plutonio) sia convertibile in energia; ma anche l'energia può esser trasformata in massa.

Succede tutti i giorni negli acceleratori di particelle, dove queste ultime vengono accelerate da potenti campi magnetici, fornendo così loro energia cinetica.

Collidendo vengono generate particelle più pesanti (cioè dotate di una massa maggiore).

Ma c'è una seconda causa, che come vedremo, determina importanti conseguenze: l'aumento di pressione.

Senza considerare l'effetto di quest'ultimo sulla gravità non saremmo ad esempio in grado di spiegare perché, in determinate condizioni, gli astri con una massa superiore ad un certo limite siano destinati a collassare in buchi neri.

Vediamo perché.

Le stelle sono costituite da atomi (in maggioranza di idrogeno ed elio) tenuti insieme dalla forza di gravità.

Nate da un collasso di una nube di idrogeno, raggiungono un equilibrio nel momento in cui l'aumento di temperatura (causato dalla crescente pressione dovuta al collasso gravitazionale) innesca i processi nucleari di fusione al loro interno.

Questi a loro volta producono una spinta indirizzata verso l'esterno che viene bilanciata dalla gravità (attrattiva) generata dalla massa del corpo celeste.

Tale equilibrio è destinato a rompersi una volta esaurito il combustibile nucleare: riducendosi la pressione positiva esercitata verso l'esterno, prevale la gravità e la stella inizia a collassare.

Le dimensioni così diminuiscono, la pressione positiva aumenta di nuovo bilanciando la gravità ed il collasso rallenta.

Tuttavia le equazioni di Einstein ci informano del fatto che una pressione positiva contribuisce a generare gravità attrattiva: aumenta cioè la forza che agisce in senso contrario, che per esser a sua volta bilanciata necessita di ulteriore pressione positiva.

Si genera una spirale dove proprio la pressione positiva, la forza su cui fa affidamento una stella per contrastare l'attrazione gravitazionale, contribuisce ad un aumento dell'attrazione verso l'interno, così da rendere inevitabile il completo collasso gravitazionale e la formazione di un buco nero (qualora la massa della stella superi un certo valore).

Abbiamo appena visto come massa e pressione positiva (molla compressa) contribuiscano positivamente alla gravità, e quindi comportino un aumento di peso.

Ma una molla, oltre che compressa, può esser stirata, ed invece di espandersi verso l'esterno essa cercherà di tornare alla forma iniziale contraendosi.

Che succede allora?

Viene esercitata una pressione negativa (o tensione) che invece di generare gravità attrattiva può produrre gravità repulsiva, qualcosa che le leggi di Newton non prevedono esista, e la cui presenza è l'unica spiegazione del fatto che il nostro universo non sia finora collassato.

Il modello originale proposto dalla Relatività Generale di Einstein raccontava di un universo composto da materia in movimento ma sostanzialmente immutabile nel suo complesso.

Einstein si rese subito conto che un universo composto da materia, la quale esercita gravità attrattiva, avrebbe visto tutte le galassie attirarsi l'un l'altra ed in breve tempo collassare in un punto.

Introdusse così, nell'equazione che porta il suo nome, un nuovo termine indicata con la lettera greca Λ (lambda), oggi conosciuto col nome di "costante cosmologica".

Valore di tale costante doveva, nelle intenzioni di Einstein, bilanciare esattamente l'attrazione gravitazionale evitando il collasso della materia.

Sappiamo poi che Einstein si sbagliava, e che è il Big Bang ad aver fornito una "spinta" all'espansione dello spazio causando così l'allontanamento delle galassie, ma non è questo il punto (infatti, se fosse solo l'energia conferita dal Big Bang, l'espansione avrebbe dovuto rallentare per effetto della gravità, così come un sasso lanciato per aria sale di quota ma sempre più lentamente prima di invertire la rotta).

Infondendo un'energia uniforme nello spazio, una costante cosmologica genera gravità repulsiva.

Oltre a fornire alla trama dello spazio un'energia uniforme (determinata dal valore della costante), contribuisce a riempire lo spazio di una pressione negativa uniforme che genera gravità repulsiva.

Attenzione a non confondersi!

La pressione negativa non attira verso l'interno, dunque non è in contrasto con la gravità repulsiva; la pressione uniforme, indipendentemente dal segno, né spinge né tira.

Un esempio sono i nostri timpani che si flettono soltanto quando la pressione presente all'esterno e all'interno non sia uniforme; perché si modifichino è necessario che da una delle due parti sia minore.

La spinta repulsiva è dunque la forza di gravitazione generata dalla presenza della pressione negativa uniforme.

Rimane da spiegare come al momento del Big Bang lo spazio fosse momentaneamente permeato da una pressione negativa enorme ed uniforme.

Ma qui entra in gioco il meccanismo dell'inflazione...

giovedì 11 aprile 2024

Peter Higgs, la persona dietro lo scienziato.

Nelle ore successive alla sua scomparsa, moltissimi articoli sui media e post sui social ricordano Higgs per il suo grande lascito, il bosone che porta il suo nome ed il meccanismo che "spiega l'origine della massa di tutte le particelle" (come ben spiega Andrea Parlangeli in un post comparso oggi sul suo profilo FB - e che vi invito a leggere - le cose non stanno proprio in questi termini: il meccanismo di Higgs spiega l'origine soprattutto di elettroni e quark, ma esistono altri meccanismi per generare la massa, ad esempio utilizzando l'energia cinetica).

Non saprei cos'altro aggiungere sull'argomento scientifico, per il qual motivo scrivo questo post con l'intenzione di indagare cosa ci sia dietro un uomo dall'aria mite, un nonno paziente, che scrive equazioni su una lavagna trasparente; dietro quel sorriso appena accennato da persona imbarazzata, in difficoltà a relazionarsi con il prossimo, quasi a scusarsi della propria presenza.

L'atteggiamento ingessato, tenuto durante lo speach tenuto in occasione dell'assegnazione del Nobel, non fa che rimarcare l'impressione di qualcuno che, a discapito di quanto sta dicendo, attraverso una mancata gestualità sembri urlare "cosa ci faccio io qui?".

Nella ricerca dell'uomo Peter Higgs mi faccio aiutare dalle parole di Guido Tonelli che nel proprio saggio "La nascita imperfetta delle cose" racconta della sua amicizia con lo scienziato e dello stretto rapporto che ha legato lui, spokesman dell'esperimento CSM che insieme ad Atlas ha individuato il famoso bosone, con il teorico che ne ha previsto l'esistenza molti anni prima. Scopriamo così un uomo impegnato nel movimento pacifista, e non solo a parole! All'inizio del nuovo millennio vince il premio Wolf, un riconoscimento il cui prestigio è secondo solo al Nobel. Ma tale riconoscimento è assegnato in Israele dalle mani di Moshe Katsav (presidente di tale nazione), e Higgs è un sostenitore del diritto di uno Stato per il popolo palestinese: rifiuta perciò di recarsi in quel paese, ed il premio lo ritireranno soltanto Englert e Brout. Intervistato su cosa si provi ad esser lo scopritore del "pezzo mancante" al modello standard, il giornalista si sente rispondere "nulla di che, il mio contributo è stato minimo". Tonelli avanza l'ipotesi che dietro questo modo di essere Peter nasconda una storia d'amore finita male, quella con la moglie Jody cui era affezionatissimo, e che deve avergli fatto perder fiducia nel prossimo e causato una chiusura verso il mondo. Il Nobel arriva nel 2013 e premia i due fisici superstiti dopo quasi mezzo secolo dalla pubblicazione degli articoli che prevedevano l'esistenza di tale meccanismo. Higgs nel 1964 era arrivato alle stesse conclusioni di Englert e Brout, ma in modo indipendente .

Ne risultarono due diversi articoli pubblicati, che tuttavia rischiarono di rimanere ignoti ai più, non fosse che per l'intervento di Weinberg: quest'ultimo, con la propria autorità, fece rilevare l'importanza del ... "meccanismo di Higgs" per spiegare l'apparizione della massa a partire da un universo primordiale caldissimo composto solo da particelle che si muovevano alla velocità della luce. Meccanismo -> campo -> bosone di Higgs è oramai la denominazione comune utilizzata tra gli addetti ai lavori e non: Englert e Brout non "forarono" la sfera dei fisici delle particelle ed il loro nome sarà per sempre secondo. Siamo nel 2013 ed al Cern in oltre un anno di collisioni - i cui resti sono indagati dalle collaborazioni CMS e ATLAS - si sono accumulate abbastanza evidenze che dimostrano inequivocalmente l'esistenza del bosone di Higgs. In Luglio si tiene a Stoccolma la Conferenza della Società Europea di Física e sono invitati Higgs ed Englert; due caratteri agli antipodi, Englert che non ha mai fatto nulla per nascondere il fastidio provato nel sentire il nome Higgs legato ad una scoperta il cui merito va condiviso. Il miracolo succede al termine, in una saletta privata dove si tiene un rinfresco ... ma lascio alle parole di Tonelli il racconto di ciò che successe: una storia a lieto fine!

Stoccolma 23 Luglio 2013. ... nei venti minuti della passeggiata, Peter mi racconta, allegro, delle sue escursioni nei dintorni di Edimburgo e poi delle numerose, interminabili, marce della pace cui ha partecipato.

Poi, a un certo punto, mi chiede curioso: «Ma come siete riusciti a far lavorare in maniera coerente tremila fisici tutti insieme?».

E io mi diverto a raccontargli dei conflitti, delle litigate, dei dubbi che circolavano nella collaborazione quando abbiamo cominciato a vedere i primi segni della particella che porta il suo nome.

Quando gli racconto delle scommesse che avrei vinto, lui ride di gusto e aggiunge: «Francamente, il fatto che l'abbiate scoperta ha sorpreso anche me. Non ero per nulla certo che esistesse davvero».

La maggioranza delle persone considera Peter Higgs un carattere difficile, una specie di orso, laconico e noioso: niente di più lontano dalla realtà.

Questa fama negativa nasce, probabilmente, dal suo cattivo rapporto con i giornalisti.

Quando può, Peter cerca di evitarli, dal giorno in cui un tipo senza scrupoli gli ha giocato un brutto scherzo: ha pubblicato una sua intervista attribuendogli frasi aggressive che lui non aveva mai pronunciato.

Questa sua ritrosia ad accettare interviste ha fatto sì che gli sia stata costruita addosso una fama di misantropo completamente falsa.

Peter ha sempre avuto timore e diffidenza nei confronti dei giornalisti e anche ieri, durante la conferenza stampa, l'ho visto teso e in difficoltà.

La Conferenza della Società europea di física è la più importante dell'anno; questa edizione poi si tiene a Stoccolma, tre mesi prima della fatidica data dell'8 ottobre in cui l'Accademia reale delle scienze annuncia al mondo i vincitori del premio Nobel per la fisica.

Tutti sanno che a Lhc, nell'ultimo anno, abbiamo raccolto ulteriore evidenza che la nuova particella, scoperta nel 2012, ha caratteristiche in tutto e per tutto simili a quelle previste da Brout, Englert e Higgs nel 1964.

Le aspettative sono che l'Accademia reale delle scienze ne tenga conto e gli occhi di tutti sono già puntati sui due giovanotti chesono qui.

Tutti si aspettano che quest'anno sarà la volta buona.

Ieri François e Peter hanno iniziato i lavori con due lezioni quasi commoventi e gli organizzatori, in loro onore, hanno programmato una conferenza stampa nell'intervallo del pranzo, subito alla fine della sessione inaugurale.

Un giornalista chiede a Peter Higgs cosa si provi a essere considerato il padre di una particella cosi importante e lui risponde laconicamente: «Niente di particolare, perché il mio contributo è stato minimo».

Altri, alla ricerca di note di colore, insistono: «Ci racconti il momento dell'eureka»

E lui con un timido sorriso: «Era agosto e mi avevano appena respinto l'articolo che avevo scritto. Per un paio di giorni ho pensato di lasciar perdere. Poi ho aggiunto qualche frase in più, perché evidentemente non avevano capito».

I due sono troppo diversi, hanno caratteri opposti.

Tanto Peter è timido e laconico quanto François è spumeggiante e travolgente.

L'uno parla rigido, impalato, muovendo a malapena i muscoli delle labbra e tirando fuori, a fatica, poche parole.

L'altro si agita, usa le mani e il corpo intero per illustrare i concetti che espone.

Racconta storie, fa battute e, talvolta, si lancia in un fuoco d'artificio di parole che sembra non debba finire mai.

Ma questa non è la sola differenza.

François Englert è di origine ebraica: durante la guerra è sopravvissuto all'Olocausto, ma la sua famiglia è stata colpita duramente.

Era un bambino quando i nazisti invasero il Belgio e scampò al massacro perché restò nascosto per anni.

È un enfant caché, quei bambini ebrei fatti passare per cristiani e ricoverati in orfanotrofi o presso famiglie molto coraggiose.

Porta nel suo animo tutte le ferite di quel periodo terribile e forse il suo entusiasmo, la gioia di vivere che trasuda da tutti i pori, è la reazione di chi ha vissuto troppo a lungo nel terrore.

Sopravvissuto a quei giorni orribili, ha visto molti membri della sua famiglia emigrare in Israele, Paese che visita spesso e con cui ha un rapporto molto speciale.

Tutto il contrario di Peter Higgs.

Fin dagli anni '60, Peter partecipa alle marce per il disarmo e a favore della pace.

È un attivista convinto e il suo impegno politico lo ha portato spesso a manifestare per la creazione di uno Stato di Palestina.

Nel 2004 gli viene comunicato che ha vinto il premio Wolf, un riconoscimento prestigioso, assegnato in Israele dalla fondazione omonima e secondo per importanza soltanto al premio Nobel.

E stato conferito congiuntamente a lui, a François Englert e a Robert Brout.

Ma la cerimonia prevede che i vincitori lo ricevano dalle mani di Moshe Katsav, all'epoca presidente di Israele, e Peter non ha dubbi: si rifiuta di volare a Gerusalemme.

Alla cerimonia di consegna saranno presenti solo i due amici belgi: Englert e Brout.

La famiglia di François è molto numerosa, è arrivato al terzo matrimonio, ha uno stuolo di figli e nipoti sparsi ai vari angoli del mondo.

Peter, invece, ha avuto una sola moglie, l'amatissima Jody, una lettrice americana di Urbana, nell'Illinois, che lavorava nella stessa università di Edimburgo.

Appena la vide fu amore folle.

I due condividevano tutto: visione del mondo, passione politica, impegno civile.

Lui aveva poco più di trent'anni e lavorava giorno e notte. La moglie adorata lo accudiva, lo aiutava, lo incoraggiava.

Erano una coppia perfetta e si amavano alla follia.

Ridevano, giocavano, facevano progetti per il futuro, litigavano, si rappacificavano.

La nascita del primo figlio avvenne proprio nel periodo in cui l'articolo che Peter aveva pubblicato cominciava a essere apprezzato e lui era chiamato a fare seminari e a presentare i suoi risultati nelle università più prestigiose.

Sembrava un momento di felicità perfetta.

Poi, poco a poco, qualcosa impercettibilmente cominciò a sgretolarsi.

Le prime incomprensioni, una sensazione di estraneità, la consapevolezza di un incantesimo che si rompe.

Il giovane fisico aveva risolto tutti i problemi che lo affliggevano, aveva pubblicato un articolo che sarebbe rimasto nella storia, ma la giovane moglie scelse un'altra strada. E fu così che qualcosa si ruppe.

L'urlo delle emozioni nascoste e l'angoscia per l'abbandono precipitarono quella mente brillante nella depressione.

Il giovane fisico si rinchiuderà sempre più spesso in casa, i legami con gli amici si diraderanno, tutto diventerà difficile, e il suo lavoro non produrrà mai più alcun risultato di rilievo.

Peter e François, insomma, hanno caratteri e personalità agli antipodi.

François ha sempre reagito con un certo fastidio a quel nome, il bosone di Higgs, che tutti usano da quando Steven Weinberg l'ha reso popolare e che rischia di oscurare il lavoro fatto da lui e da Robert.

E Peter, si vede dallo sguardo, è a disagio nell'interagire con François e con quel suo turbinio di gesti e parole.

È evidente a tutti che i due non si prendono.

L'incontro con i giornalisti è appena finito e andiamo in una saletta sul retro, dove ci aspettano tramezzini e frutta da divorare in fretta prima che la conferenza ricominci. E lì, mentre sono seduto con Peter e François a mangiare il nostro panino, succede qualcosa di assolutamente inaspettato.

I due iniziano a parlare, si raccontano, con me in mezzo a fare da muto testimone.

Ho l'impressione di assistere a una chiacchierata che è stata come trattenuta per quasi cinquant'anni.

E scopro che non si erano mai incontrati prima d'ora, se non in pubblico e di sfuggita, e che non avevano mai avuto il tempo di parlare e raccontarsi come erano arrivati a scrivere quegli articoli, quali dubbi avevano e quali aspettative.

E' come se ricominciassero tutto da capo, da quell'estate del 64 in cui la loro vita ha preso una svolta decisiva.

Io ascolto, li lascio conversare, mi sento privilegiato ad assistere a questa sorta di riconciliazione affettuosa fra due personalità che sicuramente non si sono amate.

Ora i due ragazzi del 64 parlano e ricordano e si commuovono.

Ci vengono a chiamare perché la conferenza ha ripreso i suoi lavori, ma i due non ne vogliono sapere di smettere.

Avrebbero ancora un sacco di cose da dirsi.

Guido Tonelli "La nascita imperfetta delle cose"

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lunedì 6 maggio 2024

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Nel peso di una molla compressa la differenza tra la teoria della gravità di Newton e quella di Einstein.

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