Agli amici degli
Incontri Interdisciplinari
Carissimi,
Ci rivedremo venerdì 18 dicembre, alle ore 21, presso il Convento San Domenico, che ci ospiterà nella sua "sala rossa", cui si accede da Via San Domenico 1 (il cancello del Convento è subito prima del Collegio universitario San Tommaso, in fondo a Via San Domenico sulla sinistra ; al campanello suonare "Convento" se il cancello fosse chiuso).
Per facilitarvi : la sala rossa è quella le cui vetrate stanno proprio di fronte a chi entra dal cancello, finita la salita e gli scalini. La porta del Convento è alla destra della vetrata.
L'argomento da approfondire che abbiamo scelto la volta scorsa è:
l'energia.
Animerà la serata l'ing. Fabio Frattini, che ringrazio fin d'ora a nome di tutti.
Colgo l'occasione per augurarvi di cuore Buon Natale e un sereno nuovo anno. Gesù bambino benedica tutti noi, i nostri cari ed i nostri progetti di bene.
Un cordiale arrivederci a presto
Fra Sergio Parenti O.P.
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Breve resoconto dell'interdisciplinare del 18 dicembre 2009
a cura di fra Sergio Parenti O.P.
STIRPE - Prima che iniziamo, vorrei aggiungere una piccola cosa a quanto ho detto la volta scorsa. Vi dissi che se si stava a dieta senza fruttosio la risposta era minore, mentre con una dieta ricca la risposta era maggiore. Questo è un esempio di adattamento enzimatico: se non c'è bisogno di enzimi, l'organismo non li produce. Gli economisti dovrebbero studiare biologia. In natura l'esempio più clamoroso è forse quello del digiuno: l'organismo si mangia le proteine risparmiando però quelle che servono di più: quelle del cuore e quelle del cervello.
FRATTINI - Vi parlo dell'energia da ingegnere. Che cos'è l'energia? E' la capacità di un corpo o di un sistema a compiere lavoro. Che cos'è il lavoro? Tutto nasce dallo studio del moto dei corpi dal punto di vista di Galileo e poi di Newton. La cinematica studia il moto come appare. La statica studia l'equilibrio tra le forze. La dinamica studia il moto in relazione alle forze. Studiando la dinamica è saltato fuori il concetto di energia. Le grandezze (dimensioni) che intervengono sono le stesse: sono le forze, le lunghezze dei percorsi, la massa. Mentre l'energia è la capacità a compiere un lavoro, il lavoro è ciò che è compiuto.
Lasciatemi usare delle categorie aristoteliche e tomiste per spiegare. Usando le categorie di sostanza ed accidenti, l'energia è un accidente: una facoltà di un corpo a compiere lavoro. Questo corpo può aumentare la sua energia ma pure perderla: l'energia è dunque un accidente.
Prendiamo un caso semplice di un corpo soggetto al suo peso: esso può compiere un lavoro se e solo se il peso gli può far percorrere un percorso nella direzione della forza-peso. Se la forza non è sulla stessa direzione dello spostamento si intende lavoro il prodotto scalare tra la proiezione della forza sullo spostamento e lo spostamento stesso. La forza è un vettore: ha una intensità ma anche una direzione e un verso. Nel prodotto scalare interessa solo la quantità nel senso dello spostamento. L'oggetto spostato ha una massa. Si può arrivare a quantizzare l'energia nelle sue forme potenziale e cinetica. L'energia può avere le più svariate forme, ma sempre riconducibili a questi concetti di base. Il calore posseduto da un corpo si esprime attraverso la temperatura del corpo, che non è altro che il livello di agitazione che hanno le molecole di quel corpo. La temperatura è l'aspetto visibile di un movimento delle molecole.
Potremmo dire che l'energia potenziale è un'energia posseduta ma che non si esprime, mentre l'energia cinetica è quella in atto. Se ho un corpo di massa m che si sta muovendo ad una velocità v ha una energia. Può avere una energia potenziale perchè posta in un campo di forza conservativa (e non dissipativa: vedremo che cosa vuol dire) come la forza di gravità acquista una energia potenziale che può perdere o acquistare.
Il principio di conservazione dell'energia va visto in un sistema chiuso, che possiede una certa energia: per quanto gli aspetti di questa energia possano variare, la somma totale resta sempre la stessa.
Prima di Einstein si vedeva che andava perduta una parte di energia. Nei sistemi termodinamici si era introdotta una grandezza chiamata entropia, che sarebbe l'energia non altrimenti utilizzabile dal sistema, non in grado di trasformarsi in lavoro. Nella fisica classica non c'è trasformazione di massa in energia: il corpo è un oggetto che ha massa. Si ipotizzavano corpi ideali, puntiformi, ma dotati di massa. Einstein dice che massa ed energia sono aspetti della stessa entità. Nell'universo, che è sistema chiuso per definizione, vale la conservazione della massa-energia.
Nella fisica relativistica come in quella classica, l'energia può assumere qualsiasi valore. In quella quantistica no: l'energia può assumere solo i valori ammessi. Resta però valido il principio della conservazione della massa-energia.
Mentre il big bang, come teoria, ha degli aspetti osservabili (come la radiazione di fondo, le proporzioni di idrogeno ed elio nell'universo ed anche il fatto dell'espansione, anche se parte da una singolarità difficilmente spiegabile), i modelli statici di un universo non in evoluzione non li hanno.
Ma abbiamo una carenza di mezzi per indagare.
CASADIO - Noi possiamo applicare le leggi chimico-fisiche al 4% dell'universo, perché il resto è energia oscura e massa oscura.
SCHIAVO - Questo 4% è legato alla teoria del big bang o vale anche per le altre teorie?
FRATTINI - Vale anche per le altre teorie.
SCHIAVO - Però tu dici che la singolarità non sta in piedi.
FRATTINI - La funzione matematica mi descrive qualcosa di irraggiungibile, con estensione 0 e però energia e massa infinite.
CHERUBINI - Come la fisica newtoniana, anche quella relativistica è incompleta.
FRATTINI - La teoria della relatività ha predetto cose che abbiamo osservato, però resta una teoria che si basa su due postulati.
SCHIAVO - L'espansione dell'universo è un assioma o un dato?
FRATTINI - Un dato d'osservazione.
SCHIAVO - Un conto è che noi osserviamo, un conto è che l'universo sia di fatto in un certo modo.
FRATTINI - Può essere vero ciò che osserviamo anche facendo altre considerazioni. Ad esempio uno dice: ammettiamo che l'universo sia in espansione: ad un certo punto potrebbe ricollassare fino al big crunch da cui ripartirebbe un big bang.
SCHIAVO - Quale guadagno c'è tra la cosmogonia di Esiodo e quella del big bang? Io mi permetto di dubitare di queste teorie.
JULVE - Ci sono anche le tracce di altri elementi che abbiamo potuto osservare. Ad esempio sono ben definite le percentuali previste di Deuterio, Elio 3, Litio 7. Il modello standard prevede molte cose osservabili. Anche il grado di omogeneità dell'universo.
FRATTINI - Ho a disposizione dell'energia. Che cosa si forma? La radiazione residua non è omogenea: ci sono piccole variazioni che hanno dato origine alla teoria delle stringhe. Ma comunque le teorie hanno un qualche fondamento.
JULVE - Noi prendiamo subito la teoria più semplice che spieghi i dati osservabili.
PIFFERI - Prima del primo istante c'era energia?
FRATTINI - Qui siamo nel campo della pura ipotesi. Vedendo come sono le cose nel nostro mondo, c'è anche l'energia non disponibile. Per avere la capacità di compiere lavoro devo avere livelli diversi di energia. Se con l'espansione dell'universo si arrivasse ad un unico livello, si avrebbe la morte cosmica.
JULVE - Classicamente Aristotele ci portò su strade sbagliate, dalle quali ci siamo ripresi con Galileo e Newton.
FRATTINI - Più che Aristotele, è stato l'aristotelismo.
JULVE - D'accordo. Con Galileo e Newton si hanno i concetti di energia cinetica e di energia potenziale. Si è parlato anche di energia termica, che non va confusa con quella meccanica. Poi si è arrivato ad identificare l'energia termica con quella meccanica (l'agitazione). A livello microscopico, per lo meno, abbiamo la saldatura tra la termodinamica e la meccanica.
Quando si parla di elettrostatica e magnetismo abbiamo ancora un aggancio con la meccanica (le cariche si attraggono e compiono lavoro). Ma i campi elettrici o magnetici, da soli, senza esercitare forze su particelle, viaggiando nello spazio trasportano energia: rappresentano una sorta di energia in sé (energia radiante). Ma si può dire che li osserviamo quando viene assorbita agitando qualcosa, trasformandosi in energia meccanica.
SCHIAVO - Ci vuole sempre una massa che si muova.
FRATTINI - Dopo Einstein non è detto.
JULVE - Così comunque ci sembra di poter parlare di energia in modo quantitativo. In questa costruzione sono arrivate però le prime "sbornie". Che cosa vuol dire "massa"? Una resistenza all'accelerazione? Oppure ciò che attrae gravitazionalmente? Einstein ha unificato con la relatività generale i due aspetti: massa ed energia cinetica.
Ma la prima sbornia è venuta con la scoperta delle energie negative. Dirac, cercando di unificare la teoria relativistica con quella quantistica, dice che un oggetto ha quattro componenti, che sono numeri complessi: certi stati dell'elettrone hanno energia negativa. Questo rompe tutti gli schemi.
Si è risolta la questione dicendo che il mare di Dirac, il vuoto, è in realtà pieno di elettroni ad energia negativa, ed i buchi di questo vuoto hanno energia positiva e li chiamiamo positroni, con energia positiva, che ne sono le antiparticelle. Queste antiparticelle sono state scoperte.
Ma ci sono poi le energie esoteriche. Le cosmogonie orientali propongono concetti di energie e magnetismi. So di non poter dire che cosa sia la realtà, ma accetto solo ciò che è misurabile, anche se non posso negare tali cose. I nomi di energia e magnetismo vengono abusati in questo modo.
La fisica odierna in qualche modo sta però tornando ad un certo esoterismo. Oggi si parla di una espansione dell'universo non costante, ma accelerata. Ma i teorici per spiegare quello che osserviamo tirano fuori una materia oscura, che gravitazionalmente agisce: le galassie sembrano girare come se fossero in un disco rigido. Il 4% sarebbe di materia visibile, un 20% di materia oscura, ma poi ci sarebbe un tipo di sostanza cosmologica alquanto strana. Si ipotizza una "energia fantasma" per spiegare quanto osserviamo. Essa sarebbe un tipo di sostanza che ha una cosiddetta equazione di stato [quella che collega densità e pressione (a densità costante e crescita della temperatura, cresce la pressione)] che prevede valori negativi di pressione, temperature negative (inferiori allo zero assoluto)... Qui si va contro al buon senso. Non abbiamo la più pallida idea di quale particella possa essere associata a tale energia. Sembra di essere nell'esoterismo. Mi sento molto più umile di fronte agli esoterici tradizionali.
Si parla infine di conservazione dell'energia. Ma la pensiamo in termini di un universo chiuso con tre dimensioni spaziali ed una temporale. Ma se ci sono dimensioni extra, da esse potrebbe sfuggire energia. In certe reazioni tra particelle la conservazione dell'energia non quadra. C'è dell'energia mancante. Si ipotizza una particella che la porti via. Si ipotizzano dimensioni spazio-temporali extra...
DE RISO - Le tradizioni orientali sono antichissime e parlano di energie negative che si contrappongono a quelle positive.
JULVE - L'energia di cui parlava la fisica era molto ben definita e non prevedeva un annullamento per contrapposizione di energie negative a quelle positive. Non c'era analogia nell'uso della parola "energia". Gli esoterici di oggi usano le stesse parole della fisica per attingere al prestigio della scienza.
SARTI - L'universo ha quattro o dieci dimensioni? Quando lessi queste cose mi venne in mente un romanzo che descriveva un mondo a due dimensioni abitato da figure geometriche molto intelligenti. L'osservatore aveva tre dimensioni, e ciò che diceva era perfettamente incomprensibile agli abitanti intelligenti di quel mondo eccetto a qualche matematico che arrivava a concepire la possibilità di qualche dimensione in più. Potrebbe essere che noi facciamo fatica a pensare a dimensioni ulteriori solo perché i nostri sensi non sono attrezzati a coglierle?
Quanto alle esperienze esoteriche, conobbi un pranoterapista che affermava di impressionare anche senza luce, con le sole sue mani, la pellicola fotografica (lo studio era tappezzato di foto delle sue mani) e che faceva fermare un grosso orologio a pendolo quando esercitava la pranoterapia. Verificai quest'ultimo fatto. Allora gli feci fasciare il pendolo con carta di alluminio messa a terra: il pendolo non si fermò. Dunque l'energia che emanava dal suo corpo aveva a che fare con l'elettromagnetismo, visto che poteva essere schermata, però non era una energia elettromagnetica come noi conosciamo perché aveva effetto meccanico su qualcosa che non era capace di captare energia elettromagnetica. Meritava il nome di energia? Sì, avendo effetti meccanici e chimici. Cos'era?
Poi nel 1943 ero sfollato con una zia dai poteri notevoli a Bellaria. Mia zia mi disse all'improvviso che la nostra casa di Bologna era stata bombardata. Era stata bombardata proprio in quel momento.
Voglio dire che bisogna essere antiscientifici per ipotizzare che non esistano enti fisici diversi da quelli che conosciamo e da quelli che i nostri strumenti possono rivelare.
Poi noi usiamo la parola energia in molti significati: ad esempio parliamo di un comportamento energico. Esiste uno spazio che è proprio del nostro essere in cui noi siamo però come alla periferia, uno spazio che va oltre l'aspetto fisico ed arriva a dimensioni spirituali. Dobbiamo essere molto cauti nell'indicare delle frontiere, che potrebbero essere il risultato di operazioni convenzionali che noi facciamo per comodo.
JULVE - Sono totalmente d'accordo. Ma vedo anche degli abusi nell'usare i nomi presi dalla scienza per interessi terra terra.
PARENTI - Noi esprimiamo con lunghezze e tempi la velocità e l'accelerazione. Anche l'energia viene espressa con queste grandezze. Nell'universo Aristotelico almeno il moto del primo mobile era in qualche modo la causa del divenire di tutte le altre cose, ed in esso le lunghezze avevano una unità di misura fissa e per rapporto al suo moto aveva senso di parlare di un tempo uguale per tutti. Ma in un universo in espansione che senso ha ipotizzare un metro fisso? Anche per il tempo si può dire qualcosa del genere. Se definissi l'energia a partire dal calore (l'energia della radiazione d'onda) cambierebbe la metrica? Ma anche nella vita quotidiana, quanti di noi usano le grandezze di spostamento per definire l'energia o il lavoro? Forse solo alcuni, come il facchino. Ma agli inizi del '900 c'era ancora chi parlava di calorico. Non è che dovremmo rivedere tutto? Perché, se non siamo aristotelici, continuiamo a privilegiare il moto locale? Aristotele lo faceva perché credeva che lo spostamento fosse l'unico moto comune ai corpi celesti e terrestri. Perché restare aristotelici a tutti i costi? Quali sono le grandezze fondamentali? Perché non partire dalla crescita e diminuzione, oppure dal calore? Non si potrebbero privilegiare altre grandezze per definire?
JULVE - In parte non so rispondere. L'universo è in espansione. L'intensità di campo gravitazionale definisce la metrica spazio temporale.
PARENTI - Allora sarebbe il campo la grandezza principale?
JULVE - Nel momento attuale vediamo che le galassie si allontanano ad una velocità che cresce in modo proporzionale alla loro distanza da noi. Se con le attuali unità di misura faccio scorrere all'indietro la "pellicola", valuto l'età dell'universo col tempo ed il metro di oggi.
PARENTI - Se poi non valesse l'effetto Doppler, salterebbe tutto.
JULVE - Certo. In realtà l'evoluzione della materia secondo le sue leggi fisiche dipende dal tempo e dal metro locale, che non era lo stesso. Qui ho le idee confuse.
PARENTI - Poi ho una domanda. Noi pensiamo che energia, massa, temperatura siano solo positive. La distanza può essere negativa? Se ci vuole una contrarietà, per le misure ho bisogno del negativo, ma le misure delle grandezze non sono le grandezze. Per le cose è diverso: che cos'è contrario all'essere qualcosa? Perché non parliamo anche per la massa di massa negativa?
JULVE - L'antimateria attrae positivamente come ogni altra massa, sono le cariche che sono negative. La gravitazione è solo positiva.
SCHIAVO - Nell'affermazione dell'unità dell'energia trovavo qualcosa di metafisico (in senso deteriore) e non scientifico. Dopo, Frattini mi ha spiegato che il concetto di lavoro nasce all'interno delle considerazioni della meccanica classica. Anche il concetto di entropia mi sembrava abusato. Ma mi sembrava che l'identità delle energie fosse solo dal punto di vista formale, senza pretendere una unità sostanziale. Il passaggio nella scienza alla visione relativistica parla invece di materia ed energia come realtà unica anche contenutisticamente. Questo passaggio mi fa difficoltà. Come mi fa difficoltà il momento 0 del big bang: ci sono dei limiti nelle discipline.