di Michele Zarrella
Aristotele nel IV secolo a.C. disse che la natura aborrisce il vuoto e pertanto va a riempire tutto lo spazio. La materia terrestre è diversa da quella celeste. Mentre i corpi terrestri sono fatti di materia vile, mortale e corruttibile: acqua, terra, aria, fuoco, i corpi celesti sono fatti di un elemento perfetto, incorruttibile, invisibile ed eterno, che Aristotele chiamò etere, il quale riempie il vuoto fino alla sfera delle stelle fisse. I corpi sulla Terra si muovono in maniera rettilinea verso il basso mentre nel cielo i moti dei corpi celesti avvengono in moto circolare su sfere perfette che ruotano intorno alla Terra che, come l’uomo, è al centro dell’Universo.
Si sbagliava! Di grosso. E ci sbagliamo ancora oggi quando mettiamo l’uomo al centro. Mettere l’uomo al centro significa considerarlo come il fine ultimo delle nostre azioni e quindi tutto il resto diventa un mezzo. Questo può produrre dei danni gravissimi. L’ecologia ce lo insegna. Invece quando l’uomo si è decentralizzato – la rivoluzione copernicana, la teoria di Darwin, la relatività generale, la meccanica quantistica, Freud, il bosone di Higgs –, ha capito, per quanto dolorosamente, qualcosa in più di sé e del mondo. L’arroganza fa guai, la prepotenza fa le guerre e vanno messe da parte, perché siamo parte dell’ecosistema. Siamo onde del mare, formiamo il mare e non siamo separabili dal mare.
Circa 2.000 anni dopo, nel XVI secolo qualcuno mette in dubbio il concetto che il vuoto non esiste. È Galileo Galilei (1564-1642) che per spiegare la caduta dei gravi deve togliere l’aria e qualsiasi altro mezzo interposto lungo il percorso di un corpo in caduta libera. Egli affermò che lasciando cadere nello stesso istante un sasso e una piuma dalla stessa altezza arrivano a terra contemporaneamente se fossero nel vuoto. Con questo esperimento, solamente immaginato perché non poteva creare il vuoto, quindi onore allo scienziato, Galilei scrive la legge della caduta dei gravi e afferma che il vuoto esiste e il concetto di etere aristotelico si deve abbandonare perché le osservazioni col cannocchiale dimostrano che la Luna è fatta anch’essa di monti, valli e “mari”.
Breve parentesi. Nell’agosto del 1971 l’astronauta David Scott tenendo in una mano un martello e nell’altra una piuma li portò alla stessa altezza e li fece cadere sulla Luna. Poiché sulla Luna non c’è atmosfera potemmo vedere che Galilei aveva ragione. Il video è rintracciabile su YouTube. Chiusa parentesi.
Chi riuscì a creare fisicamente il vuoto fu il discepolo di Galilei, Evangelista Torricelli (1608-1647) con il famoso esperimento del tubo di vetro riempito tutto di mercurio e poi immerso, dal lato con l’apertura tappata con un dito, in una bacinella piena di mercurio. Ritraendo il dito la colonnina di mercurio alta un metro nel tubo si abbassò lasciando vedere così il vuoto immaginato da Galilei. Tale abbassamento è di 24 cm se siamo a livello del mare.
La colonnina di mercurio nel tubo era una misura del peso dell’atmosfera. L’equilibrio è determinato dal peso del mercurio da una parte (i 76 cm a livello del mare) e dal peso dell’aria che preme verso il basso sulla superficie del mercurio della bacinella dall’altra. Torricelli aveva trovato un modo per pesare l’atmosfera. E scrisse questa frase: “Viviamo sul fondo di un oceano d’aria”. Ecco che l’aria era diventata davvero una sostanza che ha anche un suo peso.
Parentesi. Su un centimetro quadrato di superficie terrestre grava un peso dell’atmosfera pari a poco più di un chilogrammo. Noi non ce ne accorgiamo ma fin dalla nascita ci portiamo addosso e siamo compressi tutt’intorno da un bel peso di svariate tonnellate che controbilanciamo con la pressione interna. Una delle funzioni della tuta degli astronauti è proprio quella di bilanciare questa pressione interna che fuori dall’atmosfera non esiste. La pressurizzazione evita l’ebollizione del sangue e di tutti i liquidi del nostro corpo. Chiusa parentesi.
Torricelli morì giovane, a 39 anni, e i suoi studi furono continuati dal fisico francese, Blaise Pascal (1623-1662) il quale dimostrò che se l’esperimento di Torricelli lo ripetiamo su una torre altissima quei 24 cm di vuoto diminuiscono. Con questo esperimento Pascal dimostrò che la pressione dell’atmosfera diminuisce con l’altitudine. Avevano inventato il barometro.
Gli scienziati sono persone curiose e si chiesero: Ma cosa c’è dentro quei 24 cm di vuoto? Potrebbe esserci davvero il nulla?
Nel tempo si scoprì che il vuoto ha tante proprietà e fra esse che le onde acustiche non si trasmettono nel vuoto invece le onde luminose sì. Per spiegare questo fenomeno allora si ipotizzò di nuovo l’esistenza di una sostanza che trasportasse la luce. Di colpo l’etere risorge, ma è diverso da quello aristotelico. Infatti fu chiamato etere luminifero perché doveva possedere alcune particolari proprietà che gli consentissero la propagazione delle onde elettromagnetiche.
Nel 1887, due fisici statunitensi, Albert Abraham Michelson e Edward Morley, per dimostrare l’esistenza dell’etere luminifero prepararono un famosissimo, raffinatissimo e costosissimo esperimento che prevedeva di confermare l’esistenza dell’etere luminifero sfruttando il moto di rivoluzione e di rotazione della Terra e la velocità della luce. La velocità orbitale della Terra è di 30 km al secondo, cioè un decimillesimo della velocità della luce che è di quasi 300.000 km/s. Come insegna la relatività galileiana, i due scienziati pensavano che l’etere doveva modificare la velocità della luce durante il moto orbitale della Terra. Misurando con uno strumento sofisticatissimo, oggi chiamato interferometro, la velocità della luce nel verso dell’orbita e nel verso perpendicolare ad esso si dovrebbero avere due risultati differenti visibili in una immagine luminosa detta interferenza.
Per analogia, ma con tutte le riserve e approssimazioni delle analogie, quindi solo per capirci, potremmo paragonarlo all’effetto dell’aria sulla mano che mettiamo fuori dal finestrino di un’auto in corsa.
Ma, per quanto ripetessero in varie situazioni e in varie angolazioni, l’esperimento i due scienziati non riuscirono a misurare alcuna differenza: la velocità della luce risultava sempre la stessa. Conclusero, con grande dispiacere, spreco di denaro e di tempo, di aver fallito. Erano talmente convinti che l’etere luminifero esistesse che non credettero al loro “importantissimo” risultato sperimentale: la luce ha sempre la stessa velocità.
Chi credette che la velocità della luce è una costante dell’Universo fu lo scienziato più famoso del XX secolo (e forse di tutti i tempi): Albert Einstein (1879-1955) . Nel 1905, Einstein nella sua teoria della relatività ristretta pose come assioma che la velocità della luce nel vuoto è una costante dell’Universo. Essendo la velocità data dallo spazio percorso rispetto al tempo impiegato (v=s/t) vuol dire che lo spazio e il tempo si devono modificare per mantenere la velocità costante. Lavorando su questa ipotesi Einstein dimostrò che lo spazio e il tempo sono indissolubilmente uniti. Non si devono più menzionare separati ma unificati in una sola parola: spaziotempo. Questo spaziotempo è una sostanza materiale che si modifica nel senso che si allunga e si accorcia, si deforma e si curva a seconda della velocità con cui ci muoviamo e della forza del campo gravitazionale in cui ci troviamo. Questa affermazione stravolge i nostri comuni concetti di spazio e di tempo. Einsteini ci dice che spazio e tempo non sono concetti ma sono un’unica sostanza materiale. Gli effetti di deformazione diventano tanto più evidenti quanto più ci avviciniamo alla velocità della luce o quanto più la massa è grande. Per le nostre velocità e gravità terrestri queste deformazioni sono talmente piccole che risultano impercettibili ai nostri limitati sensi.
Ecco che di colpo Einstein “uccide” l’etere luminifero e lo sostituisce con un nuovo elemento materiale: lo spaziotempo. Tutte le teorie che prevedevano l’esistenza dell’etere crollano: l’Universo è immerso nello spaziotempo che si modifica alla presenza della massa-energia. Massa-energia e spaziotempo-modificato sono i due ingredienti che fanno un universo. Nel nostro caso si sono combinati in un modo così particolare che sono in equilibrio perfetto da 13,8 miliardi di anni e costituiscono il nostro grande, immenso, meraviglioso, stupendo scenario della vita.
