PARADOSSI SCIENTIFICI

PARADOSSI SCIENTIFICI

I paradossi scientifici sono indubbiamente i più interessanti: si tratta di rompicapi o di enigmi che si possono quasi tutti risolvere con un po’ di conoscenze fondamentali delle leggi fisiche. Molti di essi si trovano nel sito all’interno di alcuni saggi di cui è autore il sottoscritto.

I paradossi scientifici hanno nomi famosi. Fra questi vi è ad esempio il gatto di Schrödinger in cui uno sfortunato felino viene rinchiuso in una scatola con un veleno che agirà quando un atomo radioattivo decadrà mettendo in moto un martello che romperà la fiala che racchiude il veleno. Fino a quel momento il gattino sarà contemporaneamente vivo e morto perché non è possibile sapere in anticipo quando un singolo atomo radioattivo si trasformerà. É possibile determinare con grande precisione il tempo necessario affinché la metà di un campione di atomi di un certo elemento decada radioattivamente, noto come “tempo di dimezzamento”, ma non quando lo farà un singolo atomo. La stessa cosa vale per gli uomini di cui si conosce la vita media di una popolazione, ma non quando morirà il singolo individuo. Per questo motivo conosceremo il destino del gattino solo quando verrà sollevato il coperchio della scatola.

    Meno noto è il diavoletto di Maxwell, un demone microscopico che si pone all’interno di un’altra scatola chiusa piena, in questo caso, di un gas a temperatura uniforme e costante. Il recipiente è diviso in due parti da una parete che il diavoletto apre e chiude in modo da fare entrare tutte le molecole veloci da una parte e tutte le lente dall’altra. Dopo questa operazione il gas contenuto dalle due parti del recipiente avrà temperatura diversa: maggiore quella in cui vi sono tutte le molecole più veloci e minore dove vi sono le molecole lente. Il che è come dire che una differenza di temperatura è stata creata senza spese di energia. Quindi, Maxwell postulò che fosse possibile trasferire calore dal contenitore più freddo a quello più caldo, in palese violazione del secondo principio della termodinamica.

    Un’analisi approfondita del problema mostra però che se il diavoletto di Maxwell obbedisse alle leggi della fisica e non fosse quindi dotato di poteri soprannaturali, il suo selezionare di molecole di velocità diversa comporterebbe necessariamente una spesa energetica. In altre parole il diavoletto dovrà usare qualche mezzo concreto per interagire con le molecole e qualunque sia questo mezzo dovrà cedere energia al sistema gassoso.

     Prima che Maxwell proponesse il suo, il matematico francese Pierre Simon de Laplace (1749-1827) inventò un proprio diavoletto con poteri molto superiori a quello del fisico inglese. Il diavoletto di Laplace conosce le posizioni e il moto non solo delle particelle gassose racchiuse in una scatola, ma di ogni singola particella dell’Universo e conosce anche perfettamente le leggi della fisica che ne governano le interazioni. Il che significa che il diavoletto onnisciente di Laplace potrebbe calcolare l’evoluzione dell’Universo nel tempo e riuscire a prevedere lo stato futuro di tutto ciò che esiste. Se così fosse esso sarebbe in grado di cambiare deliberatamente il corso delle cose. In realtà l’Universo non è deterministico come si pensava a quel tempo e pertanto non è possibile determinare con certezza posizione e movimento delle particelle più piccole della materia. Per descrivere il moto di una particella subatomica, ad esempio di un elettrone, è necessario ricorrere alla meccanica quantistica, una teoria probabilistica adatta a descrivere le regole della natura su scala microscopica.

    Molto famoso è anche il paradosso di Olbers che ha preso il nome dal medico e astronomo dilettante tedesco Heinrich Wilhelm Matthäus Olbers (1758-1840), ma diversi altri astronomi, compresi i celebri Johannes Kepler (1571-1630) e Edmond Halley (1656-1742) avevano riflettuto sul problema prima che Olbers pubblicasse la sua analisi nel 1826, nella quale egli si chiedeva per quale motivo il cielo notturno fosse buio.

    A quel tempo non si conoscevano le galassie e si pensava che l’Universo fosse sempre esistito e pieno di un numero infinito di stelle. Anche se l’Universo non fosse infinito (e potrebbe invece esserlo) è così grande che dal punto di vista pratico possiamo assumere che si estenda all’infinito. Inoltre, invece che di stelle esso è popolato da centinaia di miliardi di galassie che al telescopio apparivano come piccole macchie di luce, chiamate a quel tempo “nebulae” cioè nuvole di polvere. Ora, in qualsiasi direzione si guardi si dovrebbe vedere un piccolo oggetto luminoso, non dovrebbero esserci spazi vuoti, e il cielo dovrebbe essere più luminoso la notte di quanto il Sole lo renda di giorno. É vero che le sorgenti luminose lontane (ossia le galassie) sono più fioche di quelle vicine, ma sono anche in numero maggiore e una semplice legge geometrica stabilisce che la luce complessiva delle poche galassie vicine equivale a quella delle molte galassie lontane.

    In verità il cielo notturno è buio perché l’Universo non esiste da sempre e il numero delle galassie che contiene non è infinito. L’Universo al contrario è piuttosto giovane (essendo nato “solo” 14 o 15 miliardi di anni fa), il numero delle galassie che contiene è limitato e le stelle complessive presenti nell’insieme di tutte le galassie esistenti sono in numero minore delle molecole contenute in un sorso di acqua.

Il cielo di notte è buio perchè l’Universo si sta espandendo e ciò è conseguenza del fatto che un giorno lontano (ma non troppo) c’è stato il big bang. Le galassie lontane si allontanano in misura tale che la loro luce è spostata verso il rosso (il famoso red shift) e se sono molto lontane la loro luce finisce nell’infrarosso e quindi in una zona non visibile dall’occhio umano.