Fisica dell'impossibile

Michio Kaku, Migliori A., Orrao S.

• Editore: Codice Edizioni
• Anno: 2010
• ISBN:
  9788875781965
• Argomento: Scienze fisiche
• Categoria: Teoria quantistica

Riusciremo un giorno ad attraversare i muri, costruire astronavi in grado di superare la velocità della luce, leggere nella mente delle altre persone, muovere gli oggetti con la forza del pensiero e spostarci nello spazio e nel tempo? La risposta sembrerebbe scontata, e verrebbe naturale aggiungere che un conto è la scienza e un conto è la fantascienza. Eppure Michio Kaku, abile divulgatore e uomo di scienza, avverte: attenzione a trarre conclusioni affrettate, perché l'impossibile è un concetto relativo. D'altronde un secolo fa nessuno avrebbe scommesso sull'utilizzo dei raggi laser, sulla televisione o sulla capacità dell'uomo di scindere l'atomo e ricavarne energia. Teletrasporto e viaggi nel tempo, telecinesi ed esistenza di civiltà extraterrestri, fino alla possibilità di piegare la luce per nascondere oggetti e persone: Kaku prende spunto dal ricco e affascinante immaginario della fantascienza - Philip Dick e Asimov, letteratura e cinema, Tolkien e "L'uomo invisibile" - per esplorare i concetti fondamentali (e i limiti) delle leggi della fisica come le conosciamo oggi, e dimostrare che magari tra cento anni quelle di Lost potrebbero rivelarsi idee molto meno strampalate di quanto pensiamo ora.

Parte I. Impossibilità di classe I

Capitolo 1

I campi di forza

1. Quando uno scienziato importante ma anziano afferma che qualcosa è possibile, ha quasi sempre ragione. Quando dice di qualcosa che è impossibile, con ogni probabilità si sta sbagliando.

2. L’unico modo per scoprire i limiti del possibile sta nell’andare un po’ oltre e avventurarsi nell’impossibile.

3. Ogni tecnologia abbastanza progredita è indistinguibile dalla magia.
Le tre leggi di Arthur C. Clarke

«Alzate i deflettori!».

È il primo ordine impartito dal comandante Kirk all’equipaggio in tantissimi episodi di Star Trek, allo scopo di attivare i campi di forza che proteggeranno l’astronave Enterprise dal fuoco nemico.

In Star Trek il ruolo dei campi di forza è così cruciale che la loro tenuta dà un’indicazione dell’andamento della battaglia. Mano a mano che si sottrae energia ai campi di forza, lo scafo dell’Enterprise subisce danni sempre più elevati, fino al punto in cui la resa diventa inevitabile.

Ma allora che cos’è un campo di forza? Nella fantascienza si tratta di una cosa fin troppo semplice: una barriera sottile, invisibile ma impenetrabile, capace di deflettere laser e missili. A prima vista, un campo di forza sembra così facile da far pensare che il suo utilizzo come protezione sui campi di battaglia sia imminente. Ci si aspetta quasi che da un giorno all’altro arrivi un inventore intraprendente ad annunciare la scoperta di un campo di forze difensivo. La verità, però, è molto più complicata.

Un campo di forza potrebbe influenzare in maniera profonda ogni aspetto della nostra vita, proprio come la lampadina di Edison rivoluzionò la civiltà moderna. I militari potrebbero usare i campi di forza per diventare invulnerabili grazie a uno scudo che i missili e i proiettili nemici non riuscirebbero a penetrare. In teoria si potrebbero costruire ponti, strade e autostrade semplicemente schiacciando un bottone. Intere città potrebbero sorgere in un batter d’occhio in pieno deserto, con grattacieli composti interamente da campi di forza. Questi, innalzati sopra le città, potrebbero permettere agli abitanti di modificare gli effetti del clima – tempeste di vento, uragani – a piacimento. Si potrebbero costruire città sottomarine, proteggendole sotto il manto sicuro di un campo di forza. Il vetro, l’acciaio e il cemento potrebbero essere sostituiti completamente.

Eppure, strano a dirsi, un campo di forza sembra essere una delle cose più difficili da creare in laboratorio. In effetti ci sono scienziati che lo ritengono davvero impossibile, se prima non se ne modificano le proprietà.

Michael Faraday

Il concetto di campo di forza nasce dal lavoro di un grande scienziato britannico dell’Ottocento, Michael Faraday.

Nato da una famiglia di modeste condizioni (il padre faceva il fabbro), cominciò a guadagnare qualche soldo come apprendista rilegatore nei primi anni di quel secolo. Affascinato dagli enormi progressi nella conoscenza di due nuove forze, l’elettricità e il magnetismo, il giovane Faraday divorava tutti i libri sull’argomento, riuscendo ad assistere alle lezioni del professor Humphrey Davy della Royal Institution di Londra.

Un giorno, nel corso di un esperimento di chimica, il professor Davy si danneggiò gravemente gli occhi, e assunse Faraday come assistente. Questi si conquistò progressivamente la fiducia degli scienziati della Royal Institution, e fu autorizzato a fare esperimenti per proprio conto, anche se non mancavano le persone che mantenevano nei suoi confronti un atteggiamento sdegnoso. Con il passare del tempo il professor Davy divenne sempre più geloso del talento del suo giovane assistente, che era diventato l’astro nascente dei circoli sperimentali e aveva finito per eclissare la fama dello stesso Davy. Alla morte di quest’ultimo, nel 1820, Faraday poté finalmente realizzare una serie di scoperte sensazionali che resero possibile la costruzione di generatori capaci di fornire energia a intere città, cambiando il corso della civiltà mondiale.

L’elemento chiave delle grandi scoperte di Faraday era rappresentato da quelli che chiamò “campi di forza”. Se vicino a una calamita si sparge della limatura di ferro, quest’ultima si disporrà in modo ordinato a formare una specie di ragnatela che si estende in ogni direzione. Si tratta delle linee di forza di Faraday, che descrivono graficamente il modo in cui i campi di forza dell’elettricità e del magnetismo permeano lo spazio. Se si disegna il campo magnetico terrestre, ad esempio, si vede che le linee escono dalla zona del polo Nord e rientrano nel pianeta nella regione polare opposta. Analogamente, se si tracciassero le linee del campo elettrico di un parafulmine durante un temporale, si noterebbe che le linee di forza si concentrano sulla sua punta. Per Faraday lo spazio vuoto non era affatto vuoto, ma era pieno di linee di forza grazie alle quali era possibile far muovere un oggetto situato a una certa distanza. (Cresciuto nella povertà, Faraday non aveva avuto modo di imparare la matematica, e dunque i suoi quaderni non sono pieni di equazioni ma di disegni che mostrano le linee di forza. Per ironia della sorte, la sua mancanza di conoscenze matematiche lo portò a creare gli splendidi diagrammi di linee di forza che oggi troviamo in tutti i testi di fisica. Spesso, nella scienza, un’immagine fisica è più importante della matematica che la descrive.)

Gli storici hanno fatto molte ipotesi sul cammino che portò Faraday a scoprire i campi di forza, uno dei concetti più importanti di tutta la scienza. In effetti tutta la fisica moderna è scritta nel linguaggio dei campi di Faraday. Il 1831 fu l’anno della scoperta fondamentale, che cambiò per sempre il corso della civiltà. Un giorno, muovendo una calamita nei pressi di una bobina di filo elettrico, Faraday notò che poteva indurre nel filo una corrente elettrica senza neanche toccarlo. Voleva dire che un campo invisibile, generato dal magnete, poteva attraversare lo spazio vuoto e spingere gli elettroni presenti nel filo, inducendo una corrente.

I “campi di forza” di Faraday, ritenuti fino ad allora scarabocchi inutili, rappresentavano forze reali, materiali, in grado di muovere oggetti e di generare energia. È probabile che la luce che state usando in questo momento per leggere questa pagina sia alimentata dalle scoperte di Faraday sull’elettromagnetismo. Un magnete in rotazione crea un campo di forza che fa muovere gli elettroni in un filo, dando origine a una corrente elettrica. Questa stessa elettricità può poi essere usata per accendere una lampadina. Lo stesso principio permette di generare l’elettricità che alimenta le città di tutto il mondo. L’acqua proveniente da una diga, ad esempio, fa girare una turbina che contiene un enorme magnete, il quale a sua volta mette in moto gli elettroni in un cavo, generando una corrente elettrica che viene trasportata dalla rete dell’alta tensione fino alle nostre case.

In altre parole, i campi di Michael Faraday sono le forze che fanno muovere la civiltà moderna, dai bulldozer elettrici ai computer, da internet agli iPod.

I campi di forza di Faraday hanno ispirato i fisici per più di un secolo e mezzo. Einstein ne fu così influenzato da scrivere la sua teoria della gravitazione in termini di campi di forza. Io stesso ne sono stato ispirato. Anni fa riuscii a formulare la teoria delle stringhe in termini di campi di forze di Faraday, fondando così la teoria di campo delle stringhe. In fisica, quando si dice di qualcuno che “pensa come una linea di forza”, si tratta di un gran complimento.

Le quattro forze

Uno dei più grandi successi della fisica negli ultimi duemila anni è stato l’aver isolato e identificato le quattro forze che governano l’universo. Ognuna di loro può essere descritta nel linguaggio dei campi introdotto da Faraday. Purtroppo, però, nessuna di loro possiede realmente le proprietà che vengono attribuite ai campi di forza in quasi tutta la fantascienza. Le forze sono:

1. La gravità, la forza silenziosa che tiene i nostri piedi incollati a terra, che impedisce alla Terra e alle altre stelle di disintegrarsi e che tiene insieme il Sistema Solare e la galassia. Senza la gravità, la rotazione terrestre ci proietterebbe nello spazio a 1600 km/h. Il problema è che la gravità si comporta proprio all’opposto dei campi di forza che troviamo nella fantascienza. La gravità non è repulsiva, ma attrattiva; rispetto alle altre interazioni, è debolissima, e infine fa sentire il suo effetto attraverso distanze enormi, astronomiche. In altre parole, è quasi il contrario di quelle barriere sottili, piatte e impenetrabili dei libri e dei film di fantascienza. Ad esempio, ci vuole tutto il pianeta Terra per attirare al suolo una piuma, ma basta un dito per sollevarla, annullando l’effetto dell’attrazione terrestre. L’azione del nostro dito può opporsi alla forza di gravità di un pianeta che pesa più di sei milioni di miliardi di miliardi (1024) di chili.

2. L’elettromagnetismo (EM), la forza che illumina le nostre città. I laser, la radio, la televisione, i dispositivi elettronici, i computer, internet, l’elettricità, il magnetismo – sono tutte conseguenze della forza elettromagnetica. Si tratta probabilmente della forza più utile che l’umanità abbia mai imparato a controllare. Diversamente dalla gravità, può essere attrattiva o repulsiva. Esistono diverse ragioni, però, che la rendono inadatta al ruolo di campo di forza. Anzitutto è facile da neutralizzare. Le materie plastiche e altri isolanti, ad esempio, possono penetrare senza problemi in un campo elettrico o in un campo magnetico. Un pezzo di plastica scagliato contro un campo magnetico lo attraverserebbe senza problemi. In secondo luogo, l’elettromagnetismo agisce a grandi distanze ed è difficile da focalizzare su un piano. Le leggi dell’interazione elettromagnetica sono descritte dalle equazioni formulate da James Clerk Maxwell, e queste non sembrano ammettere tra le soluzioni i campi di forza.

3. e 4. Le interazioni nucleari forti e deboli. L’interazione debole è responsabile del decadimento radioattivo. È la forza che riscalda il centro della Terra, che è radioattivo. È la forza che sta alla base dei vulcani, dei terremoti, e della deriva dei continenti. L’interazione forte mantiene unito il nucleo dell’atomo. Dall’interazione forte nasce l’energia del Sole e delle altre stelle: è lei che tiene acceso il cosmo. Il problema è che l’interazione forte è a corto raggio, poiché non va al di là delle dimensioni di un nucleo. Essendo così strettamente legata alle proprietà dei nuclei, è estremamente difficile da controllare. Attualmente, l’unico modo per manipolarla consiste nel disintegrare le particelle subatomiche in un acceleratore o nel far esplodere le bombe atomiche.

Non è detto che i campi di forza della fantascienza debbano necessariamente obbedire alle leggi fisiche a noi note; ci sono scappatoie che potrebbero permettere ugualmente la creazione di un campo di forza. Tanto per cominciare, potrebbe esistere una quinta forza, finora mai osservata sperimentalmente. Una forza del genere, ad esempio, potrebbe avere un raggio d’azione dell’ordine di qualche centimetro, anziché estendersi su distanze astronomiche. (I primi tentativi di rivelarne la presenza, però, hanno avuto esito negativo.)

C’è poi la possibilità di riprodurre alcune proprietà di un campo di forza servendosi di un plasma. Il plasma è il “quarto stato della materia”. Gli stati della materia che conosciamo bene sono tre: solido, liquido e gassoso. Lo stato della materia più comune in tutto l’universo, tuttavia, è il plasma, un gas di atomi ionizzati. In un plasma, gli atomi sono privi di tutti i loro elettroni, e quindi, essendo elettricamente carichi, possono essere controllati facilmente con campi elettrici o magnetici.

I plasma sono la forma più abbondante di materia visibile dell’universo: formano il Sole, le stelle e il gas interstellare. Ci sembrano estranei perché sulla Terra sono rari, ma possiamo vederli sotto forma di fulmini, nel Sole e nei televisori al plasma.

Le finestre al plasma

Come si diceva poco fa, se si riscalda un gas a una temperatura abbastanza alta si ottiene un plasma, che può essere modellato servendosi di campi elettrici e magnetici. Ad esempio gli si può dare la forma di un foglio, o di una finestra. Questa “finestra al plasma” può essere usata per isolare dal vuoto una regione di spazio contenente aria. In teoria potrebbe costituire un’interfaccia pratica e conveniente per far sì che l’aria presente all’interno di un’astronave non si disperda nello spazio circostante.

Nella serie TV Star Trek un campo di forza del genere viene usato per separare la zona di attracco delle navette dal vuoto dello spazio esterno. Non è solo un modo furbo di risparmiare sui componenti della scenografia, ma si tratta anche di una soluzione tecnicamente possibile.

La finestra al plasma è stata inventata dal fisico Ady Herschcovitch nel 1995 al Brookhaven National Laboratory di Long Island come soluzione al problema della saldatura dei metalli con fasci di elettroni. La lancia da saldatura ad acetilene fonde e salda i metalli emettendo un getto di gas caldo. Un fascio di elettroni, però, può saldare i metalli in modo più veloce, pulito ed economico dei metodi ordinari. La saldatura con i fasci di elettroni, tuttavia, presenta un problema: va fatta nel vuoto. Si tratta di un vincolo piuttosto scomodo, perché comporta la necessità di avere una camera a vuoto che può raggiungere le dimensioni di una stanza.

Per risolvere il problema, Herschcovitch ha inventato la finestra al plasma. Alta poco più di un metro e con un diametro inferiore a 30 centimetri, la finestra al plasma riscalda il gas a 6500 °C, creando un plasma che viene confinato mediante campi elettrici e magnetici. Come in tutti i gas, le particelle esercitano una pressione che impedisce all’aria di entrare nella cella, preservandone il vuoto. (Se nella finestra al plasma si usa l’argon si ottiene una luce bluastra, come quella dei campi di forza di Star Trek.)

Le finestre al plasma hanno numerose applicazioni, dai viaggi nello spazio all’industria. Accade spesso che alcuni processi industriali abbiano bisogno del vuoto per effettuare operazioni di microfabbricazione e di “dry etching” ma lavorare nel vuoto può essere costoso. Con una finestra al plasma, invece, il vuoto può essere mantenuto semplicemente schiacciando un bottone.

Sarebbe possibile usare la finestra al plasma per realizzare uno schermo impenetrabile? Potrebbe reggere un colpo di cannone? Forse in futuro si riuscirà ad aumentare l’energia e la temperatura delle finestre al plasma a tal punto da poter vaporizzare un proiettile in arrivo. Per realizzare un campo di forza più realistico, sulla falsariga di quelli che troviamo nella fantascienza, bisognerebbe combinare più tecnologie, formando una serie di strati. Ogni strato, da solo, potrebbe non bastare a fermare un proiettile, ma l’insieme potrebbe farcela.

Lo strato più esterno potrebbe consistere in una finestra al plasma supercarica, scaldata a temperature tali da poter vaporizzare i metalli. Come secondo strato si potrebbe optare per uno schermo di fasci laser ad alta energia, un intreccio di migliaia di laser capace di riscaldare gli oggetti che lo attraversano a tal punto da vaporizzarli. Parlerò più in dettaglio dei laser nel prossimo capitolo.

Dietro questa cortina laser si può immaginare un reticolo di “nanotubi di carbonio”, tubi piccolissimi composti da un singolo strato di atomi di carbonio ma molto più forti dell’acciaio. Attualmente il record mondiale di lunghezza di un nanotubo di carbonio è di circa 15 millimetri, ma è possibile che un giorno si possano produrre nanotubi di carbonio di qualunque lunghezza. Se si riuscisse a formare un reticolo di nanotubi si potrebbe costruire uno schermo ultraresistente, in grado di respingere praticamente ogni cosa. Lo schermo sarebbe invisibile, dato che ogni nanotubo di carbonio ha dimensioni paragonabili a quelle di un atomo, ma il reticolo sarebbe più resistente di qualsiasi tipo di materiale ordinario.

E così, combinando una finestra al plasma, una cortina di laser e uno schermo di nanotubi di carbonio, si potrebbe immaginare di creare un muro invisibile quasi totalmente refrattario a qualsiasi tentativo di penetrazione.

Eppure anche un simile schermo multistrato non riprodurrebbe tutte le proprietà di un campo di forza da fantascienza – perché sarebbe trasparente a un raggio laser, che quindi potrebbe attraversarlo indisturbato.

Per fermare un raggio laser lo schermo dovrebbe possedere anche una forma avanzata di “fotocromatismo”. Si tratta del processo che permette alle lenti degli occhiali da sole di scurirsi quando sono esposte alla radiazione ultravioletta. Il fotocromatismo si basa su molecole che possono esistere in due o più stati. Quando sono nello stato normale le molecole sono trasparenti, ma quando vengono esposte alla radiazione UV passano immediatamente al secondo stato, che è opaco.

Un giorno o l’altro potremmo essere capaci di utilizzare la nanotecnologia per produrre una sostanza resistente come i nanotubi e dotata di proprietà ottiche che cambiano in presenza di luce laser. Uno schermo del genere, quindi, potrebbe fermare anche un impulso laser, oltre ai fasci di particelle o ai proiettili di un cannone. Attualmente, però, non esistono sostanze fotocromatiche in grado di fermare un raggio laser.

La levitazione magnetica

Nelle storie di fantascienza i campi di forza non servono unicamente a deviare gli impulsi sparati delle armi a raggi, ma anche come piattaforma antigravitazionale. Nel film Ritorno al futuro, Michael J. Fox si sposta su un “hoverboard”, una specie di skateboard in grado di librarsi per aria. Le leggi fisiche che conosciamo ci dicono che un dispositivo antigravitazionale del genere è impossibile (lo vedremo nel Capitolo 10). In futuro, però, le hover-automobili e gli hoverboard magnetici potrebbero diventare una realtà. Se si riusciranno a realizzare i “superconduttori a temperatura ambiente”, forse si potranno far levitare oggetti di ogni genere utilizzando l’energia di un campo di forza magnetico.

Se prendiamo due magneti e ne avviciniamo i poli nord, questi si respingono. Se ruotiamo uno dei due magneti, avvicinandone il polo sud al polo nord dell’altro, la forza diventa attrattiva. Questo stesso principio, per cui poli di ugual segno si respingono, può essere sfruttato per sollevare pesi enormi. Vari paesi si sono già lanciati nella costruzione di una nuova generazione di treni a levitazione magnetica (maglev), che si muovono sospesi sui binari utilizzando magneti ordinari. La presenza di un cuscino d’aria elimi...

Indice dei contenuti

• Copertina
• Prefazione
• Ringraziamenti
• Parte I. Impossibilità di classe I
• Parte II. Impossibilità di classe II
• Parte III. Impossibilità di classe III
• Epilogo Il futuro dell’impossibile
• Bibliografia