Uno per tutti, tutti per uno: l’importanza dell’unificazione

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Uno per tutti, tutti per uno: l’importanza dell’unificazione

Il Natale è tempo di riunioni famigliari, ritrovi con amici, cene e banchetti. Nuclei sociali che si riuniscono per trascorrere insieme bei momenti, condividere ricordi e avvenimenti importanti dell’anno che si avvia alla conclusione. Eppure, zie fastidiose a parte, anche in fisica teorica esiste un importante concetto che prevede di riunire e mettere insieme due o più teorie per dare una descrizione elegante dei fenomeni studiati, cosa che comporta non pochi vantaggi.

Stiamo parlando del concetto di unificazione: in questo articolo vogliamo illustrarlo in modo semplice per darvi un’idea di come oggigiorno vengano costruite le teorie fisiche alla base della ricerca attuale in fisica.
Prima però dobbiamo capire cosa sia una teoria scientifica. Si chiama teoria un insieme coerente di concetti, princìpi e ipotesi che permettono di spiegare fenomeni naturali in termini di equazioni matematiche. E non solo! Una teoria deve essere persino in grado di fornire previsioni su ambiti non ancora esplorati della conoscenza, previsioni che vanno sottoposte alla verifica del metodo scientifico. Infatti, per chiamarsi tale una teoria deve essere anche falsificabile: se esperimenti condotti in modo indipendente forniscono risultati in contraddizione con quanto predetto, la teoria viene confutata (anche solo in parte).

 

 

Perché è proprio questo lo scopo del metodo scientifico: osservare il mondo che circonda, portarci a fare domande sui fenomeni che lo caratterizzano, fare ipotesi che ne diano una spiegazione, replicarli in laboratorio, in un ambiente controllato che permetta di condurre delle misurazioni, analizzare i dati ricavati. E infine verificare se le nostre ipotesi erano corrette.
Qui sta il bello della scienza: impariamo qualcosa sia che l’esperimento confermi le nostre idee, perché abbiamo una conferma della loro correttezza, sia che le dimostri errate, perché il processo esclude una strada e ne apre una nuova, da esplorare. In entrambi i casi si impara qualcosa.

L’unificazione è un processo che entra in gioco quando due teorie spiegano aspetti distinti che in realtà concorrono insieme nelle dinamiche alla base di un certo fenomeno, e fuse insieme in una unica teoria forniscono una descrizione più generale della realtà. In termini matematici, si giunge ad un modello che risulta più elegante: con meno equazioni si spiegano più cose in una volta.

Il primo esempio storico di unificazione lo troviamo nella Teoria della Gravitazione Universale elaborata da Isaac Newton nel XVII secolo. Fino a quel tempo, era diffuso il pensiero che le leggi che regolano il moto dei corpi sulla Terra fossero distinte da quelle che descrivono i movimenti dei corpi celesti. I fondamenti delle prime erano stati gettati da Galileo grazie ai suoi studi di meccanica: facendo esperimenti sulla caduta dei gravi, egli diede una base matematica per illustrare l’accelerazione di un oggetto in caduta libera. Scoprì che oggetti di massa diversa cadono alla stessa velocità poiché l’accelerazione a cui sono sottoposti è una costante, 9.81 metri al secondo quadrato sul nostro pianeta.

Newton, dopo lunghi e intensi studi e non dopo che una mela gli cadde in testa, come afferma la leggenda, si accorse che un satellite in orbita attorno alla Terra è equivalente ad un corpo in caduta libera che però mantiene una certa velocità parallelamente al terreno. La sua formidabile rivoluzione consiste nell’aver saputo unificare in un’unica equazione la descrizione dei moti di caduta terrestri con i moti di Luna e pianeti: due concetti che per lunghissimo tempo si ritenevano essere uno estraneo all’altro, si videro riuniti in un’unica teoria. Ciascuno di essi viene adesso interpretato come caso particolare di un’unica legge che in modo molto più sintetico, generale ed elegante descrive con una semplice formula la forza di attrazione F che si sperimenta tra due oggetti di massa M ed m, separati da una distanza R. Siano essi due pianeti posti agli estremi del Sistema Solare, una mela e la Terra, oppure il gatto e il vostro divano.

Possiamo esemplificare il concetto di unificazione tra teorie fisiche ricorrendo ad una situazione natalizia ideale: è un po’ come se ciascuno dei vostri parenti vi regalasse un diverso set di Lego, la cui scatola è però completamente bianca. All’interno trovate solo le istruzioni di montaggio. Vi dilettate a montare ognuno di essi, lo ammirate, lo studiate. E dopo un po’ inizia a balenarvi per la testa l’idea che, combinati insieme, agganciando questo a quell’altro, raggruppandoli e disponendoli in un certo modo, formino un meraviglioso diorama. Partendo da tanti pezzi diversi, create qualcosa di più grande, qualcosa che potenzialmente trasmette più informazioni di quanto potesse fare l’insieme non unificato dei singoli set, disposti a caso.

Un altro affascinante caso di unificazione lo abbiamo in tempi più recenti, e in particolare nella seconda metà del XIX secolo, con la teoria dell’elettromagnetismo del fisico James Clerk Maxwell.

Tutto iniziò molti secoli prima, quando i greci si accorsero che i pezzi di ambra, una resina fossile, dopo essere stati strofinati sui vestiti erano in grado di attrarre piccole pagliuzze e pezzetti di foglie secche. Avevano inconsciamente scoperto l’elettricità statica: non a caso il termine stesso “elettricità” deriva dal termine usato nell’antica Grecia per riferirsi all’ambra, elektron. Dovettero passare ancora molti secoli affinché si iniziasse a studiare questo peculiare fenomeno in modo sistematico: i progressi più importanti si devono al francese Coulomb, il quale nel XIX secolo formalizza per primo la teoria dell’elettricità sulla base dei suoi numerosi esperimenti.

Sempre in corrispondenza degli esperimenti di Coulomb si gettarono le basi per la comprensione dei fenomeni legati al magnetismo: anche questa peculiare caratteristica posseduta da alcuni corpi era stata notata nel passato; già gli antichi cinesi sfruttavano dei pezzetti di magnetite, una roccia fortemente magnetica, per realizzare tanto rudimentali quanto efficaci bussole da usare durante la navigazione. L’uso di questo strumento si diffuse col passare dei secoli, e si rivelò cruciale nello studio del magnetismo: gli aghi magnetici venivano impiegati per osservare direzione e verso del campo prodotto da una calamita, consentendo di dedurre importanti proprietà.

Ci si riferiva a questi due fenomeni come entità separate, ognuna delle quali era descritta da leggi ben precise. Tutto cambiò con lo storico esperimento condotto dal fisico e chimico danese Oersted. Mentre conduceva alcuni esperimenti sul passaggio dell’elettricità nei conduttori, osservò in modo quasi fortuito che l’ago di una bussola veniva deviato quando all’interno di un filo metallico veniva fatta scorrere una corrente. Aveva scoperto che in qualche modo l’elettricità poteva produrre effetti magnetici: era la prima prova che i due fenomeni dovevano essere correlati. Si scoprì anche il viceversa: muovendo un magnete in prossimità di un conduttore era possibile creare delle correnti elettriche.

Ma la vera svolta si ebbe con il geniale lavoro di Maxwell: unificando tutti i lavori su elettricità e magnetismo condotti fino ad allora, egli fu in grado di descrivere tutti i fenomeni elettrici e magnetici con sole quattro equazioni, nelle quali il campo elettrico e magnetico non solo vedono descritte le loro rispettive proprietà, ma si ritrovano legati in modo indissolubile in un unico campo, chiamato appunto elettromagnetico. Era ufficiale: elettricità e magnetismo vennero visti da allora come due aspetti dello stesso fenomeno, come due facce diverse della stessa medaglia. Il tutto attraverso poche e (relativamente) semplici equazioni.

E qui possiamo davvero apprezzare la potenza di una simile teoria, poiché essa prevede – come Maxwell stesso calcolò – l’esistenza di un certo tipo di oscillazione di un campo elettrico accoppiato ad un campo magnetico che si propaga nello spazio. Ciò che in termini tecnici si definisce una “soluzione ondulatoria alle equazioni di campo”. In parole povere, un’onda elettromagnetica.

Egli dedusse la velocità di tale onda, e fu sorpreso nel constatare che fosse molto simile a quella della luce, che era stata misurata piuttosto accuratamente negli esperimenti di ottica. Con le sue parole: “Questa velocità è così vicina a quella della luce che ho ragione di supporre che la luce stessa sia un’onda elettromagnetica”. Poco tempo dopo, gli esperimenti del fisico Heinrich Rudolph Hertz dimostrarono che Maxwell ci aveva visto giusto. La luce è un tipo di onda elettromagnetica, così come le frequenze radio dei telefoni cellulari, la radiazione prodotta dai forni a microonde, i raggi X usati per fare le radiografie e i raggi gamma prodotti dalle reazioni nucleari. Tante diverse onde elettromagnetiche caratterizzate da diverse frequenze, ma identificate e descritte da un’unica formidabile teoria.

 

Quindi, adesso che avete compreso il significato del concetto di unificazione nell’ambito della fisica teorica, badate bene quando vi capita di dire nella vita quotidiana “Bah, è solo una teoria”. In quel caso, probabilmente, quello che volete dire in realtà è “Si tratta solo di un’ipotesi!”: una teoria è qualcosa di più, è un insieme di conoscenze verificate con metodi sperimentali e caratterizzate da un certo potere predittivo. Un’ipotesi la può fare chiunque, e su qualunque cosa; fare vera scienza è tutta un’altra musica.

 

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