Il senso dell'umorismo dei fisici è particolare (il cartello è appeso sulla porta di un ufficio vicino alla biblioteca del CERN, di chi non ve lo dico. Qui qualche approfondimento sulla formula a cui il cartello fa riferimento).
relatività
Guerra eterna
Gli amanti del genere lo sanno bene: nonostante gli abiti futuribile, la fantascienza ha raramente come obiettivo il racconto di un domani possibile. L'ambientazione in un futuro immaginato è quasi sempre una scusa per riflettere su paure e tendenze del presente: questa caratteristica è la ragione che fa della fantascienza un genere unico e speciale. In molti casi, però, ne rappresenta anche la debolezza: proprio perché usano il futuro come un'allegoria del presente, molti romanzi di fantascienza invecchiano infatti male, e in fretta. È a ragione per cui, quando mi avvicino a un romanzo di fantascienza scritto decenni fa, sono sempre un po' timoroso.
Quando ho preso in mano Guerra Eterna di Joe Haldeman, proseguendo la mia lenta scalata verso la lettura di tutti i romanzi che hanno vinto tanto il Premio Hugo che il Premio Nebula, avevo proprio questa paura. Stiamo infatti parlando di un romanzo di fantascienza militare, scritto nel 1974 da un ex-militare reduce dalla guerra del Vietnam. L'obiettivo del romanzo, nemmeno molto nascosto, era chiaramente quello di denunciare l'assurdità di un conflitto ancora fresco nelle teste e nei corpi degli Americani, e di raccontare l'alienazione dei soldati che il conflitto avevano vissuto sulla pelle e che, rientrati beli Stati Uniti, faticavano a ritrovare un posto in una società. Le premesse per un racconto potenzialmente datato c'erano tutte. E invece.
Sarà che la guerra è ancora tristemente onnipresente nella nostra realtà globale. Sarà che i conflitti sono sempre assurdi, e non ci sono ragioni (politiche, etiche, economiche) che ne possano giustificare gli orrori. Sarà che la vita di un soldato in guerra non è cambiata molto nel corso secoli, dominata com'è dalla stessa paura della morte e meccanismi simili adottati per tenerla a bada. Sarà forse che Guerra Eterna è semplicemente un bel romanzo, ma io, nonostante l'ambientazione anche scontata e gli anni, l'ho trovato ottimo e piacevole da leggere.
In Guerra Eterna c'è la Terra di un futuro prossimo, e c'è una tecnologia che permette i viaggi interstellari. C'è una razza aliena di cui non sa praticamente nulla, se non che va combattuta e possibilmente sterminata prima che faccia lo stesso con l'umanità. C'è un'esercito di soldati d'elite, selezionati tra i migliori uomini e le donne del loro tempo, e addrestrati senza troppa pietà a essere perfette macchine da distruzione. E c'è, naturalmente, la guerra.
I soldati di Guerra Eterna si spostano tra i diversi campi di battaglia su navi spaziali che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce. Quando rientrano sulla Terra, e il protagonista del romanzo lo farà un paio di volte in pausa tra le diverse campagne del conflitto, hanno vissuto un tempo proprio molto più breve di quello trascorso invece sul pianeta madre, a causa degli effetti relativistici legati agli spostamenti a velocità quasi luminali. Mentre i soldati invecchiamo di qualche mese, sulla Terra passano i secoli, la società cambia radicalmente, e al ritorno l'integrazione è quasi impossibile. Haldeman sfrutta quello stesso fenomeno fisico, la dilatazione dei tempi, con cui anche il recente Interstellar ha giocato, ma quante differenze nell'uso narrativo! Se il film di Nolan glissa velocemente sullo spaesamento temporale, piuttosto neutro e indolore per il protagonista del film che attraversa i secoli senza invecchiare sensibilmente, Haldeman si fa completamente carico delle conseguenze del paradosso relativistico, e le usa per raccontare una società incapace di capire, accogliere e integrare i reduci dei conflitti, irreversibilmente separati dal mondo che hanno lasciato e che non possono più ritrovare. Come se il diverso scorrere del tempo e le sue terribili conseguenze (amici e parenti morti, impossibilità di relazioni se non con i compagni di viaggio e combattimento) non bastassero a incidere nello stomaco del lettore lo straniamento del reduce, Haldeman rincara la dose, immaginando il ritorno a una Terra dove la società è talmente diversa da quella da cui i soldati sono partiti da aver messo al bando l'eterosessualità, e da aver promosso e imposto l'omosessualità a comportamento dominante. Le ragioni accampate nel romanzo, legate al controllo delle nascite, sono veramente secondarie all'obiettivo narrativo: anche questa mossa serve a raccontare una distanza incolmabile, e una terra d'origine ritrovata più aliena che i mondi da cui si torna.
La guerra è sempre una schifezza. Nonostante per i protagonisti di Guerra Eterna ci sia una sorta di lieto fine, resta il finale a sottolineare quanto i conflitti siano sempre privi di senso. Nelle pagine conclusive del romanzo si scopre che la guerra, durata più di 1000 anni terrestri (perlomeno dal punto di vista di chi l'ha guardata da casa, da un campo e dall'altro), è iniziata con una scusa o un malinteso, e proseguita a causa dell'incapacità di comunicare delle due razze:
The 1143-year-long war had been begun on false pretenses and only continued because the two races were unable to communicate. Once they could talk, the first question was “Why did you start this thing?” and the answer was “Me?"
La guerra durata 1143 anni era cominciata con un equivoco, ed era continuata esclusivamente perché le due razze non erano in grado di comunicare. Non appena furono in grado di parlarsi, la prima domanda fu: "Perché hai cominciato?" e la risposta: "Chi? Io?"
Nella lista dei romanzi che hanno vinto sia il Premio Hugo che il Nebula ce n'è un altro di Haldeman: Pace Eterna. Scritto più di vent'anni dopo Guerra Eterna, pur non essendo tecnicamente un seguito di Guerra Eterna ne è il successore spirituale: magari lo leggo nelle vacanze estive.
Interstellar non è un corso di astrofisica teorica, ma non è questo il suo problema
Ieri pomeriggio sono andato a vedere Interstellar, l’ultima fatica di Chris Nolan. Stamattina ne ho parlato brevemente a Radio 3 Scienza, anche se i tempi erano veramente stretti, e il fatto di non poter fare troppi spoiler limitava molto la possibilità di spiegare perché il film non mi è piaciuto un granché. Ci provo qui. Non vi aspettate dettagliate spiegazioni scientifiche sulla dinamica dei buchi neri o sulla relatività generale: se cercate in rete ne troverete un mucchio, persino interessanti. In quanto fisico mi interessano, ovviamente (può veramente orbitare un pianeta al di fuori del raggio di Schwarzschild di un buco nero come quello rappresentato nel film, e avere quel fattore di dilatazione dei tempi? Forse no, se è statico; forse si, se ruota. E vado a spolverare i vecchi appunti di Ferrari...), ma non mi sembrano essenziali per discutere del film, che non è certo un corso di astrofisica teorica. Detto questo, che sia chiaro: non sono mica un critico cinematografico: è la mia opinione, e niente più.
Metto subito le mani avanti: io, prima di essere un fisico, sono un appassionato di fantascienza, e sono veramente cintura nera di sospensione dell’incredulità. Lo so benissimo che non si può viaggiare a velocità maggiori di quelle della luce, ma i motori warp di Star Trek o quelli FTL di Battlestar Galactica mi stanno benissimo, così come accetto senza problemi i salti nell’iperspazio utilizzati dalle astronavi di una buona metà delle opere di fantascienza della storia, da Asimov a Guerre Stellari. E anche nei film di Nolan, che in generale apprezzo, mi sta bene che il presupposto della storia sia palesemente inventato. Pensate a Inception: come funziona l’apparecchio che permette di manipolare ed esplorare i sogni degli altri? Non ha importanza: basta ammettere che esiste e funziona secondo certe regole, e la storia che ne segue è appassionante e profonda.
E dunque, se Interstellar non mi è piaciuto un granché, non è certo perché la scienza alla base della storia non è credibile. Quello, secondo me, è l’ultimo dei problemi del film. Anzi, lo sforzo di basare la narrazione su fondamenti scientifici solidi è encomiabile, e persino ben riuscito: magari non sempre, ma in buona parte. Il problema è che, secondo me, questo sforzo è usato male, e poi abbandonato di botto a due terzi del film per dare spazio a un paio di soluzioni hollywoodiane mielose e insopportabili.
Riassunto breve del film (se non lo avete visto, smettete di leggere qui). La Terra di un futuro prossimo ha un sacco di problemi, le coltivazioni agricole muoiono di parassiti infestanti, e il clima è diventato globalmente ostile (probabilmente a causa del riscaldamento climatico, ma questo non viene veramente mai detto). L’umanità vive un periodo cupo, immersa in tendenze persino antiscientifiche (le missioni spaziali del passato sono state purgate dai libri!), il suo destino è chiaramente in bilico. La popolazione tira a campare ma non sopravvivrà a lungo, a meno di non trovare un nuovo pianeta da colonizzare. Nonostante il governo (statunitense?) non sembri in grado di gestire la situazione, una versione clandestina della NASA ha messo in piedi un programma di esplorazione interstellare allo scopo di trovare una nuova casa all’umanità. I viaggi interstellari, però, non sono roba semplice da realizzare: solo per andare dalla Terra a Saturno ci vanno due anni, figuriamoci per arrivare al primo sistema stellare con un pianeta che assomigli almeno un po’ alla Terra. Stiamo parlando di decine di anni luce, centinaia di anni di viaggio.
Per fortuna, e molto convenientemente, nei dintorni di Saturno la NASA ha avvistato un wormhole, una distorsione dello spazio-tempo che collega, con una scorciatoia, due luoghi distanti dell’universo. Chi lo ha messo lì? Mistero, per adesso. Sempre altrettanto convenientemente, dall’altra parte del passaggio, in un’altra galassia, sembra ci siamo una dozzina di pianeti abitabili, e la NASA segreta ha già mandato alcune navicelle guidate da altrettanti intrepidi e solitari esploratori a verificare la fattibilità della colonizzazione. Tocca allora al protagonista, ex-pilota riconvertito all’agricoltura, andare a raggiungere quei coloni che hanno mandato indietro notizie promettenti (perché naturalmente la NASA segreta non aspettava altro che un ex-pilota capitasse per caso nel suo covo per affidargli la sua missione principale. Ma tralasciamo). Peccato che al di là del wormhole ci sia un enorme buco nero, attorno al quale, sempre per convenienza narrativa, ruotano tre pianeti candidati alla colonizzazione. Non è banale andare a verificarne la qualità, perché nei pressi di un buco nero il tempo scorre più lentamente che altrove, e un visitatore che si rendesse, anche se per breve tempo, nella nuova casa dell’umanità potrebbe, al rientro, scoprire che l’umanità si è estinta da tempo. L’eroe ci prova comunque, e seguono una serie di problemi tecnici, qualche morto, gente che invecchia e gente che resta giovane, una caduta nel buco nero, e finalmente la magica e originalissima soluzione all’enigma: sono gli stessi umani del futuro ad aver piazzato il wormhole per auto-salvarsi nel presente (siamo in pieno paradosso in stile Terminator! E con i paradossi non si discute. E però, come diavolo hanno fatto gli umani del futuro a essere già nella galassia buona…). È dunque lo stesso protagonista ad essersi auto-convocato dal futuro (o da un luogo fuori dal tempo, non si capisce bene) per la missione salvifica, modificando a distanza di spazio e tempo la gravità locale della sua casa nei campi. Fuochi d’artificio, luci sgargianti, i buoni si salvano, qualche lacrima e titoli di coda.
Iniziamo dalle cose che mi sono piaciute. Visualmente, Interstellar è veramente bellissimo. La rappresentazione del wormhole è molto credibile, oltre ad essere bella, così come è credibile la distorsione dello spazio nei pressi del buco nero. Il buco nero, poi, è veramente un’opera d’arte, con il suo disco di accrescimento che appare dietro e di fianco per la deformazione gravitazionale dello spazio. Non a caso, la descrizione fisica di questi due oggetti è stata curata con attenzione, e con l’aiuto di un esperto del campo, il fisico teorico Kip Thorne: la fisica che sta dietro alle deformazioni spazio-temporali è ben spiegata. Poco importa che i wormhole, per come li conoscono gli scienziati, siano instabili: magari nel futuro qualcuno avrà trovato il modo di stabilizzarli, probabilmente utilizzando un qualche genere di materia con energia negativa (che, di nuovo, poco importa se esista o meno). Così come poco importa se la dilatazione temporale sperimentata sui pianeti che orbitano intorno al buco nero di Interstellar sia credibile (si parla di un’ora pari a sette anni, valore piuttosto alto ma che pare possibile nel caso di un buco nero che ruota): è funzionale al dramma della storia (una figlia che invecchia più in fretta del padre), esagerata forse, ma va bene. E qui arrivano le cose che non mi sono piaciute. Perché la vera domanda è: tutta questa scienza, che più di un personaggio del film si prodiga a cercare di spiegare, serve a raccontare una storia credibile e avvincente? Secondo me, no.
Il primo problema sono le trascuratezze. In un film che fa uno sforzo così evidente e deliberato di usare della scienza “vera” come fondamento del suo racconto, gli errori grossolani nelle cose più semplici sono fastidiosi. Sei in grado di costruire una navetta spaziale capace di attraversare indenne un wormhole, e poi mi metti il silos di lancio di fianco agli uffici, per garantirti di venire fritto dai reattori alla partenza del razzo che la porta in orbita? Con tutta la tecnologia che hai, mi fai dei robot monolitici che sembra debbano cadere da un momento all’altro, solo per fare un omaggio (uno dei molti, forse troppi) a “2001 Odissea nello spazio”? Era veramente il design più efficiente e credibile? Mi atterri su un pianeta che ha delle onde di marea alte chilometri a causa dell’attrazione gravitazionale del buco nero intorno a cui orbita, ma tu (e la tua astronave) questa forza di marea non la sentite per niente? Questo mare, poi, è profondo dappertutto circa cinquanta centimetri, salvo diventare di colpo sufficiente profondo da attutire una caduta chilometrica? E, già che ci siamo, perché mai un pianeta che ruota intorno a buco nero dovrebbe essere ospitale per la vita umana? Da dove prende l’energia? Non c’è mica una stella a riscaldarlo! E non mi rispondere: dal disco di accrescimento del buco nero, quella cintura che gli brilla intorno, perché finiamo per litigare. I dischi di accrescimento dei buchi neri sono caldi, molto caldi (parliamo di milioni di gradi!), ma in genere non abbastanza da sostentare la vita su un pianeta. Anche se lo sono sicuramente abbastanza per fondere la tua navetta se ci fai surf sopra, mentre invece nel tuo caso nessuno sente il minimo calore. E il tuo pianeta abitabile, non viene mai bombardato da nessun detrito che cade nel buco nero? Perché sta alla frontiera del disco di accrescimento, che altro non è che un flusso di materia in caduta libera nel buco nero.
Che poi si possa cadere dentro un buco nero, sopravvivere senza essere fatti a pezzi e anche uscirne, è veramente molto discutibile. Ricordate il problema delle forze di marea? Ecco, qui è molto più importante. Il protagonista e il suo fido robot dovrebbero essere “spaghettificati” nela caduta. E da una spaghettificazione non si esce molto in forma, in genere. Ma si sa, in questo caso basta usare al parola magica “quantistico”, e i problemi spariscono, cosa che Intestellar puntualmente fa (esistono in effetti delle teorie che dicono che, nonostante la relatività generale dica che sia impossibile, un po’ di informazione possa sfuggire a un buco nero, proprio a causa di effetti quantistici): se la relatività generale deve essere accurata, con la meccanica quantistica possiamo fare le magie. Sulle cinque dimensioni che concludono la questione non entro nemmeno: potevi farmi un accenno a Kaluza e Klein, a Randall e Sundrum, o anche solo arrotolarmi un foglio di carta come hai fatto per il wormhole: possibile che solo la relatività abbia dignità di scienza in questo racconto, e al resto siano riservate le supercazzole? E comunque, anche accettando la premessa: per trasmettere le informazioni sul buco nero e le sue proprietà al di fuori del buco nero e attraverso lo spazio e il tempo, usi veramente il codice Morse? Quanto tempo ti ci va per trasmettere tutto?
Per finire, resta il problema più importante: la trama. Nolan costruisce un racconto che si fonda sul dramma di un tempo che scorre in modo diverso per persone in luoghi e condizioni diverse, e poi si dimentica della sua stessa premessa, per abbozzare una soluzione scontatissima (il paradosso temporale, noi stessi che dal futuro ci auto-salviamo) decorata da frasette da bacio Perugina (“l’amore è l’unica cosa che possa viaggiare al di là di spazio e tempo”) e da una scazzottata vecchio stile col cattivo di turno. Un padre attraversa letteralmente lo spazio-tempo per ritrovare la figlia invecchiatissima sul letto di morte, e sembra avere la reazione emotiva di una cabina telefonica, accettando senza battere ciglio di non assistere alla sua dipartita. Tanto lui ha di meglio da fare, deve raggiungere la bella scienziata conosciuta nel viaggio precedente, che sta studiando un nuovo pianeta da colonizzare. Naturalmente, in questo caso la questione del tempo che scorre diversamente nei diversi posti viene convenientemente abbandonata. A proposito, qualcuno mi spiega perché non si potevano mandare delle sonde meccaniche a esplorare questi benedetti pianeti?
Potrei andare avanti, la lista delle incongruenze è ancora lunga. Per dire, vogliamo parlare del “piano B”, quello che non prevede di salvare l’umanità sulla Terra ma di ripopolare i pianeti con i gameti congelati – o gli embrioni? Non ho mica ben capito - trasportati nella navetta? Nel caso, chi si occuperà della gestazione? Non ho visto incubatrici futuribili, e di donne a bordo ce n’è una sola. E l’allevamento dei bambini una volta nati, la loro crescita, l’educazione? Mah… Ma il problema del film è veramente altrove: nella scontatezza della storia, nei dialoghi noiosi, nelle soluzioni banali e forzate, negli errori grossolani. Pare che Kip Thorne, il fisico teorico che ha lavorato come consulente alla realizzazione, abbia scritto un libro su “La scienza di Interstellar”, dal quale è probabilmente possibile imparare qualcosa sui wormhole, la relatività generale e i buchi neri. Quello che mi manca è invece un tomo su “Il plot di Interstellar”: per capire quello, temo, non basta un dottorato.
Domande sui neutrini
Abbastanza inaspettatamente, il mio ultimo articoletto sui neutrini superluminali apparentemente misurati da OPERA ha avuto un discreto successo. "Da un grande potere potere derivano grandi responsabilità", diceva lo zio Ben morente a Peter Parker, e anche io qui mi sento in dovere di fare fronte in modo adeguato alle carriolate di domande che continuano ad arrivare da lettori vecchi e nuovi di questo blog. Il che significa che sto cercando di rispondere a tutti i commenti che avete postato che richiedono una risposta. Non sempre rapidamente come vorrei, ma, lo sapete, questo blog è un'attività da pausa pranzo e notte insonne.
Però. Tenete conto che sono un fisico sperimentale, non un teorico, e dunque sono più a mio agio a scavare nelle sottigliezze delle misure piuttosto che nelle loro possibili interpretazioni teoriche. Mi lancio volentieri anche nelle seconde, ma mi chiedono più riflessione, e dunque più tempo.
Nei prossimi giorni contavo di scrivere qualche articoletto che affrontasse queste domande, che mi sembrano ricorrenti:
- Come si produce un fascio di neutrini?
- Come si rivela il passaggio di un neutrino?
- Le misure di OPERA sono compatibili con quelle dei neutrini astronomici emessi dalla supernova SN1987a?
- È possibile che una particella viaggi a una velocità maggiore della luce nell'ambito della teoria ella relatività? Il buon vecchio Einstein non ne esce a pezzi? Se fosse, significa che esiste qualcosa che potrebbe viaggiare nel tempo?
Se ne avete delle altre che vi premono, non esitare a segnalarle qui sotto. Farò il possibile, come sempre.
Quello che vi chiedo di non fare è di scrivermi privatamente attraverso la maschera di contatto (o uno dei miei indirizzi email, nel caso lo aveste) per farmi delle domande o chiedere spiegazioni. Non perché non voglia rispondervi, ma perché penso che da una discussione pubblica nei commenti possano guadagnare tutti i lettori, anche quelli silenziosi che non commentano mai (ma leggono, anche i commenti). E, tra l'altro, succede spesso che un lettore competente risponda prima di me (lettori competenti, sentitivi liberi di rispondere a piacere! Se doveste scrivere delle fregnacce, non esiterò a correggere!).
I pettegolezzi viaggiano più veloci della luce
I pettegolezzi, si sa, viaggiano più veloci della luce.
È più di una settimana che la notizia di una misura nella migliore delle ipotesi anomala, e persino straordinaria e rivoluzionaria, viene bisbigliata più o meno sottovoce nei corridoi degli istituti di fisica delle particelle del mondo. Su questo sito ovviamente non se n'è parlato, perché i pettegolezzi non mi sono mai piaciuti, e perché, per capire bene il senso e la portata di una misura, un fisico vuole vedere i dettagli. Dettagli - ovvero un articolo - che per adesso (mentre scrivo sono circa le 23 di giovedì) non ci sono ancora, nonostante un paio d'ore fa la notizia abbia fatto il giro del mondo. Perché a quanto pare ci sono fisici che preferiscono parlare direttamente con le agenzie di stampa o i giornali piuttosto che aspettare che il loro stesso lavoro appaia sugli arXiv o che il loro istituto di riferimento, sia esso il CERN o l'INFN, abbia tirato fuori il comunicato stampa. Fisici anche notoriamente amanti della ribalta, come lo Zichichi che nel pomeriggio non ha trovato di meglio che telefonare a Il Giornale, o lo stesso spokesperson dell'esperimento di cui stiamo parlando, Ereditato, che in serata ha scelto la Reuters per lanciare la sua bomba.
Di cosa stiamo parlando? Ve ne accenno le linee generali, giusto per non lasciarvi nel buio. Poi, siccome l'uscita dell'articolo in questione è prevista per stanotte, la press release del CERN per domattina, e il seminario di presentazione dei risultati è previsto al CERN domani pomeriggio alle 16 (con trasmissione in webcast, se interessa), ne riparliamo con calma nei prossimi giorni.
Vi ricordate delle misure dei neutrini di cui vi avevo raccontato da Mosca qualche settimana fa? Il fascio di neutrini muonici spediti dal CERN verso i laboratori del Gran Sasso, che laggiù sperano di misurare una trasformazione di questi neutrini? Se non vi risuona niente nella mente, andate a rileggervi questo articolo. Nelle gallerie del Gran Sasso l'esperimento OPERA misura le rare interazioni dei neutrini del muone spediti dal CERN, sperando di vedere invece qualcosa che sarebbe la traccia di un neutrino del tau, segno dell'avvenuta trasformazione in volo del sapore dei neutrini.
Se questo è lo scopo principale di OPERA, ci sono altre misure che quell'esperimento può tentare di fare, tra le quali misurare quanto tempo ci mettono i neutrini del fascio del CERN ad arrivare fino al Gran Sasso. Ed è apparentemente da questa misura che arrivano le notizie straordinarie. OPERA avrebbe misurato un tempo di percorrenza del tratto CERN-Gran Sasso che deporrebbe a favore di una velocità dei neutrini maggiore della velocità della luce. Ve lo ripeto, nel caso non fossi stato chiaro: questi neutrini, in barba a tutta l'eleganza e alla potenza formidabile della teoria della relatività, viaggerebbero a una velocità superluminale. Se il fenomeno si rivelasse reale, sarebbe probabilmente la più grande scoperta del secolo, e ci porterebbe a riscrivere una porzione di fisica gigantesca. Per quello che ne sappiamo oggi, nessun oggetto può viaggiare più veloce della luce, senza violare per esempio il principio di causalità postulato dalla teoria della relatività (ovvero, il verso in cui l'informazione può trasmettersi nel tempo, che la relatività ci dice poter andare solo in avanti). Se riuscite ad assaporare l'ampiezza delle conseguenze, immagino sarete scossi.
Ovviamente potrebbe ben darsi che la Natura non sia governata perfettamente dalla Relatività così come l'abbiamo concepita e sviluppata noi uomini, ma da qualche tipo di teoria diversa e più complessa, che permetta con qualche meccanismo ancora ignoto a qualcuno dei suoi componenti di muoversi a velocità superluminali. Perché no? Esistono teorie di campo che prevedono campi tachionici (ovvero, con velocità maggiori di quella della luce) e che ne risolvono gli effetti collaterali in vari modi sui quali sorvolo. Non sarebbe la prima volta che la Natura ci sorprende (pensate agli esperimenti di inizio 1900, e la rivoluzione di Relatività e Meccanica Quantistica), e onestamente penso sarebbe una bellissima cosa ritrovarsi a fare il fisico per mestiere nel bel mezzo di una rivoluzione epocale della nostra comprensione del mondo. E, come se non bastasse, già nel passato qualcuno aveva provato a giustificare il risultato bizzarro di certi esperimenti sul decadimento beta del Trizio con dei neutrini superluminali. Dunque, perché no? Ma il punto saliente non è questo.
Il punto saliente è piuttosto: questa misura di OPERA è affidabile e credibile? Spedire dei neutrini generati con un acceleratore verso un rivelatore a 730 km di distanza non è l'unico modo per misurane la velocità. Per esempio, è possibile farlo anche studiando i neutrini emessi nell'esplosione di una supernova, ed è stato fatto. Fino ad adesso, la velocità dei neutrini provenienti da supernova è risultata assolutamente compatibile con velocità inferiori di pochissimo a quelle della luce. Certo, quelli sono principalmente neutrini elettronici, gli altri neutrini muonici, e chissà, magari solo un certo sapore di neutrino può viaggiare più veloce della luce nell'universo in cui ci troviamo a vivere, ma giustificare teoricamente la cosa sarebbe più complicato (non che i teorici si spaventino di fronte a queste sfide). OPERA poi non è l'unico esperimento che può fare una misura della velocità dei neutrini: negli Stati Uniti MINOS, che misura i neutrini generati dall'acceleratore di Fermilab, può far la stessa cosa. Nel passato MINOS aveva riportato un risultato forse analogo: una velocità dei neutrini leggermente maggiore di quella della luce, ma superiore di talmente poco da non essere statisticamente distinguibile da un errore sperimentale della misura. Stando a quello che si dice - lo ripeto, l'articolo non si è ancora visto - OPERA avrebbe una misura ben più significativa dal punto di vista statistico. Cosa che però non chiude la questione, perché una misura può essere estremamente precisa ma molto poco accurata allo stesso tempo: un errore sistematico non compreso può facilmente generare un risultato del genere (per chiarirci, un errore sistematico si commette quando il proprio strumento ha un difetto di misura costante: immaginate per esempio un calibro ultrapreciso, che però ha la scala sbagliata e misura sempre sistematicamente un millimetro in più). OPERA non è stato espressamente disegnato per misurare la velocità dei neutrini: né il suo apparato di misura del tempo è incredibilmente preciso, né lo è quello del fascio dei neutrini del CERN, né lo è la misura della distanza tra i due. Ma chi può giudicare, senza dettagli? In ogni caso, anche se il risultato d OPERA si dimostrasse inattaccabile (o perlomeno, che nessuno riesca a scovarci un problema), prima di crederci sarà almeno necessario che MINOS (e magari anche T2K in Giappone) confermino in modo altrettanto preciso e significativo il fenomeno.
Cosa dire ancora? A quest'ora, nulla. Domani, con articolo letto e studiato e dopo il seminario, potremo riparlarne con più serietà, e con più dettagli. Come diceva Carl Sagan, affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie. Buonanotte.
Prerequisiti
Ogni tanto qualcuno fa capolino tra i commenti di questo blog, e - più o meno gentilmente, più o meno logorroicamente - inizia a sostenere che la meccanica quantistica è sbagliata, che la relatività generale non dice niente del mondo che ci circonda, che il Modello Standard delle interazioni fondamentali è fondamentalmente sbagliato (e non - notate bene - che ha i limiti che tutti i fisici quadratici medi conoscono, e per superare i quali lavorano), e simili profonde argomentazioni. Qualcuno di questi visitatori si spinge persino a sostenere di avere una teoria favolosa che risolverebbe tutti questi problemi: in generale si tratta di personaggi che segnano punteggi altissimi nell'indice delle bufale, ma per ora tralasciamo questo aspetto.
In generale cerco di rispondere gentilmente, persino di interloquire sui contenuti, ma immancabilmente la discussione si arena. La ragione è sempre la stessa: per quanto possa sembrare il contrario, non stiamo mai parlando della stessa cosa. Io parlo di scienza costruita su solide teorie matematiche che si è confrontata per decenni con complessi risultati sperimentali; questi personaggi raramente hanno un'idea di cosa sia una solida teoria matematica o una verifica sperimentale. Spesso non hanno proprio idea di che cosa parlano, dicono "meccanica quantistica", o "relatività" perché sanno che la fisica moderna di inizio secolo scorso (eh si! Queste teorie hanno più o meno un secolo. E c'è stata persino dell'evoluzione in mezzo, sapete?) le ha generate, e nel migliore dei casi - voglio essere ottimista e generoso - ne hanno un'infarinatura da ultimo anno del liceo (non me ne vogliano gli ingegneri: persino la relatività speciale che si studia nei corsi di fisica moderna dei primi anni dell'università spesso non è molto diversa da quella che si può studiare alle superiori).
Insomma, per tagliare corto, all'ennesimo intervento di questo genere ieri sera mi sono detto: adesso scrivo un bell'articoletto, magari persino incazzoso, in cui faccio la lista di quello che bisogna umilmente sapere per potersi permettere di (tentare di) criticare una di queste teorie. Faccio per mettermi a scrivere (ne stava venendo fuori una sorta di lista di argomenti di un corso di laurea in fisica, solo un dito meno noiosa) quando sono capitato su questa serie di vignette del sempre ottimo Abstruse Goose, e ho deciso di sospendere la scrittura e semplicemente di condividere la striscia. Perché, partendo dall'esempio specifico della teoria delle stringhe, il fumetto dice esattamente quello che volevo dire, solo molto meglio.
Istruzioni: partite dalla prima vignetta e cliccate pazientemente. Quando sarete alla sesta vignetta fate una pausa, riflettete bene, e ripetete mentalmente dieci volte: "non scriverò mai più sul blog di nessuno che la <inserite qui una teoria fisica affermata a scelta> non funziona senza prima aver passato almeno 8 anni della mia vita a comprenderne i dettagli". Poi cliccate pure fino all'ultima vignetta, e meditate su quelle che sono le vostre letture giornaliere. La pratica di ogni disciplina scientifica richiede certamente audacia e anticonformismo, ma in misura certamente inferiore alla pazienza e all'umiltà. Non ci sono scorciatoie.
Protoni quasi veloci come la luce
Facciamo una piccola pausa nel percorso di scoperta di come funziona LHC, o meglio, un digressione. Perché lo so che vi piacciono le foto dei macchinari e gli schemini colorati che metto insieme per tentare di farmi capire, ma so anche che ci sono dei loschi figuri la fuori che di tanto in tanto vorrebbero anche vedere delle formule e dei numeri. E allora, siccome da un po' l'angolo delle Formulette langue, diamo loro un po' di soddisfazione.
Nella puntata precedente vi ho raccontato di come sia fatto il complesso degli acceleratori del CERN, e di come i protoni, una volta estratti dalla bottiglietta dell'idrogeno e spogliati del fido elettrone, vengano accelerati sempre più nei passaggi nelle diverse macchine. In quell'articolo vi ho dato l'evoluzione delle energie all'uscita di ogni diverso acceleratore, misurate in elettronvolt. Ma a quale velocità viaggiano i protoni a ogni passaggio?
Per fare i conti ci serve qualche formula di cinematica relativistica semplice semplice. Iniziamo con il dire che le energie che ho citato (e che vi ripeto tra un attimo) sono energie cinetiche, che per convenzione chiameremo 
. Come già sapete, l'energia totale 
di una particelle comprende sia la componente legata al moto (l'energia cinetica appunto), che quella immagazzinata nella sua massa 
:
Come sempre, da bravi fisici pigri, assumiamo che la velocità della luce sia la nostra unità di misura fondamentale, e dunque che 
e massa e energia si misurino nelle stesse unità. Adesso (e qui dovete fidarvi. Prima o poi ne chiacchiereremo insieme a Oliver) sappiate che:
dove 
si chiama in gergo fattore di Lorentz, che si esprime anche come:
è la frazione della velocità della luce 
a cui viaggia dunque una particella di massa con energia .
Con l'aiuto delle tre formulette lì sopra, e sapendo che la massa del protone vale = 0.938 GeV, riuscite a calcolare a quale frazione della velocità della luce si muovono i protoni all'uscita di ciascun tratto del loro viaggio verso LHC?
Prerequisiti per riuscire nell'impresa: un po' di algebra da scuola media, e una calcolatrice (a meno che vi ricordiate come estrarre le radici quadrate a mano). La risposta su questi stessi schermi tra qualche giorno. Eccovi di nuovo il sommario delle energie cinetiche massime in ogni acceleratore del complesso del CERN, buoni calcoli!
| Acceleratore | K [GeV] |
|---|---|
| LINAC2 | 0.05 |
| PS Booster | 1.4 |
| PS | 25 |
| SPS | 450 |
| LHC | 7000 |
Aggiornamento: la soluzione per i pigri è qui.
La radiazione di sincrotrone: un sacco di energia persa ad ogni giro
Quando LHC andava ancora di moda, tra le tante richieste di spiegazione sganciate su queste pagine ce n'era una ricorrente: perché accelerate protoni, e non per esempio elettroni? In effetti gli elettroni sono più leggeri, ed essendo particelle veramente elementari (cioè non composte da altre particelle, per quel che ne sappiamo. I protoni invece sono composti da quark), sarebbe bello poterli usare in collisioni alle energie di LHC: sarebbe tutto molto più pulito, con meno "detriti" in giro ad ogni collisione, dunque con misure più facili e precise.
C'è però un impedimento non trascurabile, che si chiama radiazione di sincrotrone. Una particella carica che viaggi su una traiettoria circolare emette questo tipo di radiazione, emissione che comporta una perdita di energia. In regime relativistico, a ogni giro la particella in questione perde:
dove 
è la carica dell'elettrone (o del protone, è la stessa), 
la sua velocità (misurata in unità di velocità della luce nel vuoto, come abbiamo già discusso), e
misura - tra le altre cose - il rapporto tra la massa della particella e la sua energia (anche per questo fattorello, se avete un minuto riguardatevi questo articolo).
Allora, adesso immaginate di prendere un elettrone e un protone, e di accelerarli fino a che abbiamo la stessa energia . Immaginate di fare il tutto dentro lo stesso acceleratore, quindi con il medesimo raggio di curvatura 
: potete allora calcolare il rapporto tra le perdite di energia per radiazione di sincrotrone nei due casi (il bello di calcolare un rapporto è che potete buttare via un sacco di termini, grazie al fatto che ed sono gli stessi, e che il rapporto tra le velocità 
è praticamente uguale a uno in un regime ultrarelativistico):
Ecco la cruda verità: a parità di energia un elettrone perderebbe diecimila miliardi di volte più energia per giro che un protone a causa della radiazione di sincrotrone. Che è la ragione per cui, volendo salire in energia usando lo stesso tunnel, dopo LEP (un acceleratore di elettroni e positroni) è stato costruito LHC (un acceleratore di protoni).
Avendo voluto continuare a collidere elettroni cone si faceva a LEP, ma a energia più alta, avremmo dovuto usare cavità acceleratrici veramente troppo potenti, o scavare un tunnel circolare dal diametro molto maggiore (cosa non esattamente agevole). Oppure optare per una geometria lineare, ed eliminare del tutto il problema della radiazione di sincrotrone, idea che in effetti sta dietro ai progetti per i potenziali successori di LHC.
Massa, velocità, energia. La formula più famosa del mondo e il teorema di Pitagora
Secondo articoletto della categoria Formulette (e pazienza per la radiazione di sincrotrone che avevo promesso: sarà per un'altra volta). Oggi vi propongo di giocare un po' con la formula di fisica più famosa del mondo. Che - credo sarete d'accordo - è senza dubbio questa:
La si trova dappertutto (insieme al faccione irriverente dell'Einstein degli ultimi anni), simbolo dei trionfi (e anche dei disastri, se pensate all'energia nucleare) della fisica moderna del 900.Cosa dice questa formula? Ci rivela la geniale scoperta di Einstein: un corpo di massa a riposo è un incredibile serbatoio di energia , che può essere calcolata come il prodotto della sua massa per il quadrato della velocità della luce .
Quello che è un peccato è che la formula più famosa del mondo - così come è scritta lassù - ha almeno due difetti. Primo, vale solo per corpi a riposo: appena ci si sposta in un sistema di riferimento in cui il corpo in questione si muove, beh, non vale più (tra un minuto vediamo perché questo è un bel limite alla comprensione); la formula generale, quella che vale per un corpo qualunque sia la sua velocità 
, è questa:
che è di certo meno facile da mettere sulle magliette o negli spot pubblicitari. Secondo, usa delle unità di misura innaturali, che aggiungono una complicazione probabilmente inutile alla formula, e, di nuovo, alla comprensione.
Iniziamo dalle unità di misura. La relatività speciale di Einstein ci dice che nulla si può muovere a una velocità maggiore di quella della luce . A pensarci bene, se esiste una velocità limite, allora sarebbe sensato misurare ogni velocità in termini di questa velocità massima. Avrebbe molto più senso (perlomeno quando si fa fisica, forse non in autostrada) dire che un corpo viaggia a un centesimo della velocità della luce, piuttosto che a 3000 chilometri al secondo. Se decidiamo di usare questa convenzione (come tutti i fisici delle particelle fanno), possiamo ribattezzare la velocità come:
Se un corpo viaggia alla velocità della luce, avrà 
. Se va a 3000 chilometri al secondo, avrà 
. E naturalmente misurare le velocità in unità di equivale a dire che , per cui la nostra formula iniziale (quella che vale per tutte le velocità) diventa:
Un po' più semplice, no? Siccome non ha dimensioni (nel senso che è un numero puro, senza unità di misura), il trucchetto ci permette di misurare le masse e le energie (e i momenti, come vedremo tra un attimo) nella stessa unità di misura (scegliete voi quelle che vi piacciono: ai fisici delle particelle piacciono gli elettronvolt). Adesso facciamo un po' di magia con l'algebra (ce la potete fare!). In relatività il momento di un corpo si calcola come 
, per cui se manipolate un po' l'ultima formuletta (fate il quadrato, moltiplicate a destra e sinistra per 
, ...) potete ottenere questa qui:
che, detto tra noi, dovrebbe prendere il posto di formula più famosa del mondo!
E adesso, non sentite un formicolio dietro alle orecchie? Sono sicuro di si! Cosa vi ricorda l'ultima formula che abbiamo scritto? Dai, un piccolo sforzo... ma certo: il teorema di Pitagora! Eh si, possiamo scrivere la formula più importante della relatività ristretta come fosse il teorema di Pitagora. Ganzo! Provate a dirlo ad alta voce: il quadrato dell'energia di un corpo è uguale alla somma dei quadrati della sua massa e del suo momento.
Che cosa possiamo imparare da questa filastrocca? Guardate questa figura:
Nel caso (1) il corpo è fermo: la sua energia è completamente determinata dalla sua massa. Se il corpo in questione si muove (per esempio si tratta di Oliver che va a spasso) ha un momento molto più piccolo della sua massa (2), e la sua energia è ancora quasi completamente determinata dalla sua massa solamente. E' il caso dei movimenti di tutti i giorni, della fisica classica: piccole velocità e grandi masse. Ma se il momento della particella è molto più grande della sua massa (2) come nel caso delle particelle negli acceleratori (che sono leggere, almeno rispetto a Oliver) che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce, beh, l'energia della particella è praticamente tutta determinata dalla sua velocità! E nel caso estremo di particelle senza massa (4) come il fotone, beh, queste viaggiano sempre... alla velocità della luce.
Adesso provate a usare questa figura per capire che cosa succede in un acceleratore di particelle. Prendete due particelle leggerine (diciamo sue protoni, come in LHC) e acceleratele a velocità prossime a quella della luce: siete nella condizione (3). Poi le fare sbattere l'una contro l'altra, e, come già sapete, avete a disposizione nello scontro la somma delle energie. Ovvero un'ipotenusa blu bella lunga. Adesso immaginate che nello scontro saltiate dalla condizione (3) a quella (2) (o anche (1), se volete): con l'energia a disposizione potete produrre particelle moooolto più pesanti (con un cateto verde molto più lungo), ma che si muovono decisamente più piano (un cateto rosso più corto). Questo è quello che fanno i collisionatori: trasformano energia cinetica (che è facile accumulare, accelerando particelle leggere) in massa. Producendo particelle più pesanti di quelle di partenza! E, naturalmente, potreste farlo anche saltando da (4) a (2), usando due fotoni energetici per produrre particelle massive. Non è forte?
Un grazie a L.B Okun a cui ho preso in prestito l'idea del teorena di Pitagora. Questo articoletto é un regalo per Anna, che si sbatte per poter insegnare la fisica (moderna e non) alle scuole superiori.
