Ogni tanto bisogna ammettere che la fisica consegue successi piuttosto notevoli, quelli che a me stupiscono maggiormente sono proprio quelli che consistono nella effettiva scoperta sperimentale di oggetti che erano stati pre-visti solo teoricamente: cito qui soltanto la scoperta del pianeta Nettuno a partire dalle perturbazioni dell’orbita di Urano (se volete una gustosa storia di litigi tra austeri scienziati su chi è arrivato primo, leggetevi questo) e la scoperta del positrone, teorizzato da Paul A. M. Dirac nel 1928 e rivelato quattro anni dopo da Carl D. Anderson al Caltec (California Institute of Technology) a Pasadena.

Questa del neutrino (lo volevano chiamare neutrone, in un primo tempo, parola già usata per varie altre congetturate particelle, ma fu Enrico Fermi che propose il nome neutrino, data la sua piccolezza, perché in italiano suona ovviamente diminutivo, non così in francese, ad esempio; prevalse la proposta di Fermi, che diede così il suo, ehm, piccolo contributo) fu una storia assai tormentata perché si trattava di un oggettino assai difficile da maneggiare (parola inadeguata se mai ce ne fu una), tanto che ad esempio per lungo tempo si è discusso se abbia o meno una massa. Voi direte, ma se non ha massa, cioè se ha massa uguale a zero, cosa diavolo è? Niente paura, siamo abituati ad oggetti di massa zero, tipicamente i fotoni, ovvero le particelle di luce, non hanno massa, soltanto energia. Non si capisce? No, certo, non si capisce, la fisica del Novecento non è “intuitiva”, il vero grande stacco dalla fisica precedente è questo, la perdita dell’ausilio di quella che chiamiamo intuizione. Einstein fu uno dei primi a percorrere questo nuovo cammino e ben cosciente ne era, quando scrisse nell’autobiografia scientifica:

«Perdonami Newton; tu trovasti proprio l’unica via che alla tua epoca era possibile per un uomo dotato della più alta forma di pensiero e di creatività. I concetti che tu creasti guidano ancor oggi il nostro pensare nella fisica, anche se oggi sappiamo che, se vogliamo tendere ad una comprensione più profonda delle interconnessioni, essi devono essere sostituiti da altri ben più lontani dalla sfera dell’esperienza immediata.»

Però, sembrerebbe, funziona (il condizionale è d’obbligo, come dicono sempre i nostri impavidi giornalisti che non si vogliono compromettere); funziona nel senso che il neutrino, a partire dal 1953, suo anno di nascita reale, è stato sempre più studiato, in particolare da fisici italiani, nei Laboratori del Gran Sasso. Sapete perché si fanno i laboratori sotto le montagne (ce n’è uno anche sotto il Monte Bianco)? Per schermare gli esperimenti dai raggi cosmici che ogni istante ci bombardano sulla superficie della Terra, ma ai quali per fortuna la nostra specie si è tranquillamente adattata; i raggi cosmici costituirebbero un “fondo” molto ingombrante, ma, nel caso di cui stiamo parlando, mamma Maiella li ferma, così che passano solo i neutrini: questi infatti non vengono minimamente fermati anche da masse assai cospicue, come l’intera massa della Terra, essi attraversano impunemente qualsiasi materiale e questo d’altra parte è quello che rende particolarmente difficile rivelarli. (Certo, qualcuno l’avesse spiegato a Maria Stella nostra tragica e imbarazzante ministra della ricerca scientifica, avrebbe evitato le ennesime risate nazionali e internazionali nei confronti del nostro governo. Ma poi, quei 45 milioni di euro di spesa per il tunnel fantasmatico, chi glieli avrà detti, alla Maria Stella? O a chi li avranno dati?).

Un filone di esperimenti che da qualche tempo va avanti ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, fiore all’occhiello del nostro Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ‒ oltre a quello, assai importante, dello studio dei neutrini provenienti dal Sole ‒ è quello di misurare i neutrini provenienti dal Cern di Ginevra. Ridotto all’osso, funziona così: il Cern produce neutrini con certe reazioni in un momento preciso, li spara nella direzione esattamente adeguata a venire rivelati dai Laboratori del Gran Sasso, questi arrivano dopo poco meno di 2,5 millisecondi e gli scienziati misurano il tempo esatto di arrivo. Poi si fa quello che tutti faremmo, si divide la distanza percorsa per il tempo impiegato a percorrerla e si ottiene la velocità.
La straordinaria sorpresa è stata che questa sembra risultare maggiore della velocità della luce, nel senso che i neutrini arrivano circa 60 nanosecondi (= miliardesimi di secondo) prima di quando arriverebbe un raggio di luce (se potesse attraversare anche lui la Terra, il che non è). Per farvi qualche idea quantitativa, tenete conto che la luce in un secondo fa circa 300.000 km (valore approssimato, ovviamente, ma va benissimo per farsi un’idea degli ordini di grandezza implicati, il valore oggi accettato per la velocità della luce nel vuoto è 299.792,458 Km/s) e quindi in un nanosecondo percorre 30 centimetri, così che quell’anticipo di 60 nanosecondi corrisponde a una distanza di 18 metri, non proprio poco; questo ci fa anche capire che non occorre una misura della distanza al millimetro per avere un risultato attendibile.

E comunque, proviamo pure a fare l’azzardo ‒ assai provvisorio ‒ di credere che si sia scoperto che i neutrini “vanno più veloci della luce”. In che misura questo è uno sconvolgimento dell’assetto esistente della fisica? In che misura?
Verrebbe da rispondere in grandissima misura, naturalmente, il limite della velocità della luce sembrava un diktat insormontabile della relatività einsteiniana; però, proviamo a guardare la cosa da questo punto di vista: perché la luce, perché proprio la luce costituiva per Einstein (e per Mileva Marić, non dimentichiamolo) questo segnale privilegiato? All’età di 16 anni, Einstein racconta, si era immaginato di cavalcare un raggio di luce e si era chiesto cosa mai potesse accadere a chi viaggiasse in quel modo; e ‒ dice nell’autobiografia ‒ aveva trovato la cosa del tutto impossibile e paradossale, fino a fargli capire che nessuno mai avrebbe potuto raggiungere una tale velocità. Il fatto è che nessuno ha in verità mai capito dove stesse di preciso questo paradosso. Provate a pensare alle onde del mare, e immaginate di viaggiare esattamente sulla cresta di un’onda, come un fuscello, o un abile surfista che vi si mantenga in perfetto equilibrio. Cosa ci sarebbe di strano? Vedreste, rispetto a voi, l’onda ferma e così pure tutte le altre onde, ammettendo di trovarvi in presenza di un ideale mare perfettamente “regolare”. E allora? Cosa ci sarebbe di strano? Naturalmente nel caso della luce (che è sì un’onda, o così si pensava allora, ma elettromagnetica) stareste su una “cresta” del campo elettrico, o di quello magnetico, che entrambi oscillano, oggetti molto più astratti delle profumate e assai concrete onde marine, ma mica ci faremo fermare dall’astrattezza, no?

Einstein invece era completamente stregato dalla luce (guardate che io dico sempre luce, mentre dovrei dire onda elettromagnetica, per essere davvero generale) e decise di porre la luce a fondamento di tutta la sua teoria; e del resto la luce era il segnale per eccellenza, non c’erano in giro particelle, tutto quello zoo che abbiamo adesso: di modi per trasmettere qualcosa a distanza c’era il suono e la luce. Si capisce subito che non si può fare affidamento, fondare una teoria, sul suono, che ha bisogno dell’aria per propagarsi, e che invece la luce offre un servizio assai migliore, perché se anche, come si pensava fino al 1905, essa si propaga in un mezzo, l’etere, questo mezzo è così sottile da essere presente ovunque nell’universo, così da consentire propagazione ovunque (ricordate questo? e successivi…). E così, Einstein arrivò a porre la luce come un primum, che non necessita di una spiegazione meccanica, cioè non occorre più sforzarsi di dire che cosa è, leggete qua:

«Quanto più la teoria elettromagnetica si è sviluppata tanto più s’è spostato sullo sfondo il problema della possibilità di ricondurre i problemi elettromagnetici a problemi meccanici; ci si è così abituati a trattare i concetti di campi elettrico e magnetico, densità spaziale di carica elettrica, ecc., come concetti elementari, che non necessitano di alcuna interpretazione meccanica.» (Einstein 1909).

A voi sembra un’argomentazione scientifica «ci si è così abituati…»? Mah, ormai poteva dire quello che voleva, naturalmente.
E allora, i neutrini? Messe in atto tutte le debite prese di distanza e adottate le opportune cautele, che del resto sono ben presenti anche ai fisici che hanno deciso di divulgare la notizia di un fatto cui stanno lavorando da molti mesi, si potrebbe azzardare questo commento: ai tempi di Einstein la cosa che andava più veloce di tutte era la luce e dunque tutto è stato fondato su quella; se adesso si scopre che i neutrini vanno più forte ancora, beh, fondiamo la nuova teoria della relatività sul neutrino, che male c’è? Naturalmente c’è parecchio lavoro teorico da fare, non è come cambiare un numeretto in una formula, ma non sembra infattibile, anzi probabilmente è promettente di molte novità interessanti. Per il momento tocca stare a vedere cosa fanno i fisici sulla cresta dell’onda ‒ stavolta l’onda della fama e del successo, che quindi godono dei faraonici stanziamenti del nostro ineffabile ministero ‒ e soprattutto se confermano le analisi dei dati oppure no. La storia andrà avanti ancora un pezzo.

Si chiama ancora Banato una regione al centro dei Balcani che comprende oggi una parte della Vojvodina – regione della Serbia – una parte della Romania, comprendente la città di Timişoara (ungher. Temesvár, considerata la capi- tale del Banato), e una piccola porzione dell’Ungheria meri- dionale. È stato per secoli luogo di incontro – e talvolta di scontro – di almeno una decina di diversi popoli e di migrazioni e meticciato. Era parte, alla fine del XIX secolo, del vasto impero Austro-ungarico e in quanto tale caratterizzato da una efficiente burocrazia e da una certa cura nell’istruzione pubblica. Titel è quella cittadina della parte sudorientale della Vojvodina dove nacque nel 1875 Mileva Marić, figlia dell’agricoltore benestante Miloš Marić: era la primogenita e la preferita dal padre che fu attento alle sue qualità e alle sue esigenze durante tutta la sua esistenza. Mileva era leggermente zoppa e considerata bruttina, ma aveva capacità intellettuali senza alcun dubbio eccezionali. Talmente si distinse nelle scuole elementari e medie inferiori che il padre la mandò al Reale Liceo serbo di Šabac, in Serbia e fuori dai confini dell’impero Austro-ungarico che a quel tempo non ammetteva le donne agli studi superiori.

Dotata di una volontà ferrea, Mileva decise poi, sempre appoggiata dal padre, di proseguire gli studi a livello universitario: dovette a questo scopo andare in Svizzera, a Zurigo, a quel tempo unico luogo in Europa dove le donne erano ammesse a questo livello di studi. Conseguita definitivamente la maturità, nella primavera del 1896, alla Scuola Federale di medicina di Berna, e dopo qualche incertezza, nell’autunno dello stesso anno superò l’esame di ammissione al Polytechnikum e fu ammessa alla sezione VI A, matematica e fisica; nel suo anno di corso era l’unica donna. Tra gli altri iscritti al medesimo corso, sempre nell’autunno 1896, vi erano Albert Einstein (di quattro anni più giovane di lei) e Marcel Grossman.

La passione di Mileva e Albert fu anzitutto una passione intellettuale, ognuno dei due ammirava profondamente l’altro per le sue doti, per le sue capacità e per la facilità nell’apprendere ed elaborare nuovi argomenti; quando questa passione assunse connotati diversi, e quando Albert ebbe un posto stabile all’Ufficio Brevetti di Berna, i due si sposarono, civilmente, a Berna, il 6 gennaio 1903. Nel maggio 1904 nacque Hans Albert, il loro primogenito.

Testimonianze dirette della stima che Einstein aveva per Mileva sono le lettere, di recente ritrovate, nelle quali egli spende parole non equivoche rivolgendosi a lei (“tu sei l’unica al mio livello”, “solo con te non mi sento solo”, ecc.).

Sono gli anni della gesta- zione di una teoria, che verrà in seguito infelice- mente denominata da Planck teoria della relatività (in seguito Relatività speciale, per distinguerla da quella proposta sempre da Einstein nel 1916 che sarà detta relatività generale), destinata a cambiare una fase nell’evoluzione della fisica. Non vi è a oggi dubbio alcuno che Mileva Marić abbia letteralmente collaborato con il marito, al suo livello, per dare forma alla teoria, curandone soprattutto gli aspetti matematici, così come al resto della cospicua produzione scientifica, normalmente attribuita al solo Einstein, nel celebre annus mirabilis, il 1905. Va forse ricordato che nella motivazione del Nobel assegnato ad Einstein nel 1921, non si faceva cenno alla relatività, ma alla sua teoria, sempre pubblicata nel 1905, dell’effetto fotoelettrico.

Questa teoria propone una soluzione radicale e in apparenza delirante ai problemi che abbiamo visto nella barca in cielo. La radice della soluzione è questa: che la luce è un fenomeno assolutamente fondamentale nell’universo, che essa riveste un ruolo affatto speciale e che quindi gode di proprietà uniche. Gode tra l’altro anche della seguente strabiliante proprietà: se un osservatore Tizio misura la velocità della luce e trova un certo valore c, un altro osservatore Caio, che si muove rispetto a Tizio con una certa velocità V, misura come velocità della stessa luce lo stesso valore c. Sarebbe come dire che se la velocità di un treno viene misurata rispetto alla banchina e rispetto ad un altro treno che corre sulle rotaie parallele a 100 Km/h, i due risultati sono uguali.

Un vero scandalo, qualsiasi fisico, ma anche una qualsiasi persona di buon senso, allevato nelle idee, che sono quelle intuitive, della fisica classica, si ribella a una tale assunzione e la ritiene indifendibile.
Eppure questa fu l’idea chiave.
Siccome questa idea cozza aspramente contro tutto quel che la fisica classica riteneva come acquisito, è evidente che se si vuol mantenere una teoria complessivamente coerente, si dovrà pagare il prezzo di cambiare qualcosa di piuttosto profondo nella concezione classica. Ma ai creatori della teoria non importava, l’idea di mantenere alla luce il suo ruolo e significato fondamentale era più forte e li spinse a cercare delle modifiche della teoria classica che permettessero di alloggiare in una nuova teoria coerente al suo interno quell’assunzione così strana.

Era necessario modificare la teoria classica in alcuni dei suoi aspetti fondamentali, e per far questo si attaccò l’idea di simultaneità: fino a quell’istante nessuno aveva mai messo in discussione il concetto di eventi simultanei, in quanto aventi luogo nello stesso istante. Ma il punto fu proprio questo, cosa vuol dire allo stesso istante? Se si tratta di due eventi che vedo qui nei miei dintorni, non c’è problema nell’idea di vederli accadere nello stesso istante, ma se si tratta di due eventi lontani tra loro nello spazio, visto che io per avere notizia di eventi lontani ho bisogno della luce, bisogna tener conto del fatto che essa si propaga con una velocità molto alta, ma finita (non infinita, come ancora pensava Cartesio). Di nuovo vedete che il ruolo della luce è assolutamente basilare in tutta la costruzione: l’unico mezzo che considero per conoscere eventi lontani da me è quello di ricevere da essi segnali luminosi, non altri tipi di segnali; e questo naturalmente perché non conosciamo altri tipi di segnali che si propaghino nel vuoto.
Nel vuoto?
Ma non c’era l’etere?
Eh già, ma adesso l’esistenza dell’etere non sembra più compatibile con la nuova teoria: se infatti la luce fosse un’onda nell’etere, essa avrebbe velocità fissa rispetto all’etere, e se io mi sposto rispetto all’etere dovrei rilevare una velocità diversa, e invece non è così. Dunque l’etere viene dichiarato nell’articolo del 1905, firmato dal solo Einstein, come überflüssig, superfluo, gentile eufemismo per dire che non ci può proprio più stare.
Dunque la barca ha perso il suo cielo, l’etere era detto dai fisici medievali di Parigi (XIV secolo) la sostanza del cielo.

Ma allora la luce, se non è più un’onda d’etere, che cosa è? Sentite questa straordinaria risposta che fornì Einstein stesso in un articolo del 1909, scritto per giustificare questa strana situazione nella quale l’etere è stato ufficialmente abolito, ma la luce c’è ancora:

« Oggi però dobbiamo guardare all’ipotesi dell’etere come ad un punto di vista superato [überwundenen], [ … ] Il maggior progresso che l’ottica teorica ha compiuto dall’introduzione della teoria ondulatoria consiste certo nella geniale scoperta da parte di Maxwell della possibilità di concepire la luce come un processo elettromagnetico. Questa teoria prende in considerazione, in luogo delle grandezze meccaniche, quali la deformazione e la velocità delle parti dell’etere, gli stati elettromagnetici dell’etere e della materia, e riduce in questo modo i problemi ottici a problemi elettromagnetici. Quanto più la teoria elettromagnetica si è sviluppata tanto più s’è spostato sullo sfondo il problema della possibilità di ricondurre i problemi elettromagnetici a problemi meccanici; ci si è così abituati a trattare i concetti di campi elettrico e magnetico, densità spaziale di carica elettrica, ecc., come concetti elementari, che non necessitano di alcuna interpretazione meccanica. » Vedete come cambiano le cose nella fisica: le domande cambiano. Le vecchie domande “si portano sullo sfondo”, non interessa più il problema di che cosa sia la luce, essa diventa un primum..

Per quanto riguarda gli sconvolgimenti prodotto da questo nuovo modo di affrontare i problemi di base della meccanica, qualcosa vi dirò, sempre cercando di lasciar stare le formule, anche perché non saprei come metterle in wordpress, nella prossima puntata, nella quale verrà anche spiegato quell’avverbio infelicemente usato più sopra riferito a Planck.
Una barca in cielo si trova qui.