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28 ottobre 2012

Canio Noce: fisica moderna e teorica, il segreto del Big Bang

Canio Noce
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Canio Noce

Intervista a Canio Noce, professore associato di fisica della materia all’Università di Salerno: fisica moderna e fisica teorica, convenzioni e falsificazioni, svelato il segreto del Big Bang.

Lo scopo principale della scienza moderna consiste nella comprensione del mondo e nell’analisi dei fenomeni definibili e separabili mediante la percezione sensoria.

Nel saggio “il privilegio di essere un fisico”, Weisskopf sostiene che la scienza dei tempi nostri, sia nata grazie allo sviluppo di un nuovo stile di pensiero.

Qualche secolo fa, infatti, gli uomini cominciarono ad occuparsi di questioni concrete, lasciando le astrazioni e i dogmi dell’esistenza ai teologi e ai filosofi. In particolare, gli scienziati iniziarono a chiedersi non più cosa fossero la materia e la vita, ma quali fossero le proprietà dell’una e dell’altra.

Fu grazie a queste semplici e particolari domande che la scienza poté creare la sua visione della realtà, argomentando le conoscenze acquisite dal cinquecento in poi.

Prima del XVI sec, epoca della nascita della scienza moderna, gli scienziati si ponevano quesiti generici, del tipo qual è l’inizio e la fine dell’universo? Quesiti tuttora attuali, e per certi versi persino avveniristici, che oggi sono di competenza di fisici teorici e cosmologi.

Infatti, se la fisica cerca di capire come sia fatto l’universo e quale sia la sua funzione, la fisica teorica invece cerca di fornire un quadro sintetico che possa inglobare al suo interno i fenomeni analizzati in modo empirico. L’obiettivo di questa interessantissima branca della scienza è costruire un modello teorico basato sull’osmosi tra elementi fenomenici ed entità concettuali, ricavate da precedenti indagini e al contempo predire gli sviluppi del fenomeno.

Si tratta di un arduo compito, non c’è dubbio. Un compito che per essere svolto al meglio, necessita di alcuni correttivi catartici: ad esempio, le convenzioni. Per evidenza empirica, le indagini condotte nel tentativo di comprendere il funzionamento della Terra, non potrebbero soddisfare lo scienziato se non grazie ad una valutazione complessiva dell’universo, cioè dell’insieme di cui il nostro Pianeta è parte.

La comprensione dell’universo rappresenta una delle più grandi sfide dell’umanità. Secondo gli scienziati, questo misterioso, etereo ed infinito “contenitore” sarebbe l’insieme di tutto ciò che esiste, ossia delle cose che sono o saranno svelate grazie all’evoluzione della coscienza umana. Miliardi di galassie, stelle, asteroidi, pianeti e buchi neri edulcorano il variopinto e sublime disegno del cosmo.

Un disegno in cui l’uomo e la Terra, a dispetto di quanto ipotizzato nell’era Tolemaica, hanno ruoli e sfumature a dir poco elementari. Recenti stime, infatti, rivelano che la materia osservabile tramite i telescopi rappresenta solo l’1,5 % della massa dell’Universo. La comunità scientifica internazionale sostiene che la massa dell’universo sia caratterizzata per il 5% da materia barionica, cioè non luminosa, per il 30% da neutrini e, infine, per il 60% da materia oscura.

La materia oscura è una convenzione cosmologica. Gli scienziati, infatti, sono stati costretti ad ipotizzarne l’esistenza per poter spiegare ed al contempo confermare la legge di gravitazione universale. Del resto, la maggior parte dei dati acquisiti e divulgati dalla fisica teorica risultano fondati su ipotesi non facilmente verificabili.

La fisica teorica è caratterizzata da due elementi fondamentali. Da un lato, è illuminata da quei contenuti oggettivi che il fisico Selleri definisce “conquiste irreversibili dell’umanità”. Dall’altro lato, invece, la fisica è alimentata da contenuti logicamente arbitrari, che sono tali da rendere le creazioni scientifiche profondamente condizionate dai pregiudizi dei suoi creatori.

Dunque, non solo certezze ed esperimenti, ma anche dogmi, convenzioni e teorie contribuiscono a rendere la conoscenza dell’universo una sfida senza confini e priva di termini di paragone. Una sfida dura per gli scienziati ed ancor più dura per chi cerca di comprenderla attraverso conferenze, libri e riviste di settore.

Canio Noce: dalla fisica moderna alla fisica teorica, convenzioni e falsificazioni

L’appassionato di scienza, al di là dell’esperienza e della conoscenza acquisite attraverso le sue buone letture, sa di non poter mai saziare definitivamente la sua sete, perché il dubbio, in realtà, appartiene a colui che sa di non sapere e vive per trovar le risposte ai suoi eterei quesiti. Al fin di ricercare le suddette risposte, Controcampus ha deciso d’intervistare il Fisico professore Noce, professore associato di fisica della materia all’Università di Salerno.

Prof. Canio Noce, potrebbe spiegarci di cosa si occupa la Fisica Teorica? Quali sono i suoi principi fondamentali?

“Per poter rispondere in maniera esauriente alla domanda, è opportuno precisare, preliminarmente, cos’è la fisica. Sinteticamente, possiamo senza dubbio affermare che la fisica ha uno scopo molto ambizioso, proponendosi di capire com’è fatto e come funziona l’universo. Ciò implica che è oggetto della fisica tutto ciò che ci circonda, passando dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande. Questo programma si può realizzare tenendo presente che, se l’esperimento è l’unico giudice della verità scientifica, è anche necessaria l’immaginazione per ipotizzare le semplici ma sorprendenti regolarità che governano i comportamenti della natura. – continua il professore dell’Unisa Canio Noce – Da un lato viene quindi puntualizzato il ruolo insostituibile dell’esperimento, dall’altro la necessità di un momento di sintesi (teoria) per prevedere e sistematizzare le regolarità presenti nella natura. Questi due aspetti, collegati e simbiotici, sono alla base della fisica. Pertanto e rispondendo alla domanda, costruire un modello teorico significa far corrispondere agli elementi di un fenomeno da spiegarsi, certe entità concettuali desunte da conoscenze precedentemente note e predire gli sviluppi del fenomeno nelle più varie circostanze possibili. Di questo si occupa la Fisica Teorica, nei suoi diversi campi di attuazione, dalle particelle elementari, alla fisica dei materiali per finire all’astrofisica.”

In che modo la Meccanica Quantistica sta cambiando la concezione del mondo?

“Il premio Nobel per la Fisica 2012, assegnato qualche giorno fa, è stato attribuito a David Wineland del National Institute of Standards and Technology e Università di Boulder in Colorado (USA) e Serge Haroche del Collège de France ed Ecole Normale Supérieure di Parigi (Francia), con la seguente motivazione: “for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems” (per gli innovativi metodi sperimentali che consentono di misurare e manipolare sistemi quantistici individuali). Dunque, questo riconoscimento testimonia che ancora oggi la Meccanica Quantistica, a novanta anni dalla sua formulazione teorica, è un campo di ricerca di grande attualità e fervore scientifico. I concetti alla base della Meccanica Quantistica hanno consentito di comprendere le proprietà dei metalli, degli isolanti, dei semiconduttori; dopodichè è stato possibile, per esempio, realizzare hard disk e memorie flash per computer. I principi della Meccanica Quantistica permettono di descrivere coerentemente gli atomi e i nuclei e quindi hanno aperto la strada all’indagine del corpo umano tramite analisi basate, per esempio, sulla risonanza magnetica. E ancora, dispositivi come i laser, i diodi emettitori di luce e strani fenomeni come la superconduttività trovano la loro completa descrizione tramite detta teoria. L’elenco è ancora lungo, ma dagli esempi citati appare evidente come la conoscenza della Meccanica Quantistica ha avuto e senza dubbio avrà ripercussioni ed effetti sulla qualità della nostra vita. Per concludere, le ricerche dei prima citati scienziati insigniti del premio Nobel hanno mostrato come utilizzare stati atomici come porte logiche quantistiche. Queste scoperte rappresentano il primo mattone verso la costruzione di computer quantistici, dispositivi che rispetto agli usuali computer correrebbero, per esempio, pochissimi rischi di decodificazione delle informazioni trasmesse via e-mail o web. – dice Canio Noce –  “Per quanto riguarda i cambiamenti a livello concettuale, la Meccanica Quantistica ha modificato sostanzialmente il ruolo dell’osservatore, colui che effettua la misura, rispetto all’osservato, l’oggetto dell’indagine. Infatti, in Meccanica Classica, cioè nello studio del moto degli oggetti che ci circondano e con i quali quotidianamente ci confrontiamo, l’interazione tra osservatore ed osservato è in pratica inesistente. Pertanto, indipendentemente dalla misura, è possibile stabilire con esattezza il risultato di un dato esperimento. Questo rapporto cambia in ambito quantistico; in questo caso, infatti, è l’osservatore che costringe la natura a rivelarsi in una delle sue possibili manifestazioni e questo dato è accessibile solo attraverso l’osservazione stessa. In altre parole, non c’è possibilità di accedere a questa informazione prima che avvenga la misurazione. Per introdurre una definizione apparentemente audace, possiamo concludere che in Meccanica Quantistica le caratteristiche reali ed oggettive del sistema fisico oggetto dell’indagine sono definite solo quando vengono misurate, e quindi, sono “create” dall’atto dell’osservazione.”

I risvolti pratici della Fisica Teorica per il prof Canio Noce dell’Unisa

“Come precedentemente precisato, lo scopo della fisica è comprendere e descrivere tutto ciò che ci circonda. Pertanto non è compito dei fisici costruire case, aerei, elettrodomestici e nemmeno curare malattie. Però si può senza dubbio affermare, senza tema di smentita, che architetti, ingegneri, biologi, medici tutti, fanno uso continuo delle leggi e delle scoperte della fisica. Per citare un esempio notevole di come una formulazione teorica, molto spinta sul piano formale, ha portato innumerevoli e inimmaginabili risvolti pratici, possiamo considerare quanto fatto da Maxwell alla fine dell’ottocento. Ebbene, Maxwell in maniera molto elegante e formalmente ineccepibile, con le sue equazioni ha fornito la base concettuale per poter descrivere tutti i fenomeni di natura elettrica, magnetica ed elettromagnetica. Le predette equazioni hanno consentito di comprendere e quindi descrivere la propagazione ed il comportamento delle onde elettromagnetiche, che sono alla base di tutte le strumentazioni elettroniche che ci circondano. Il funzionamento di radio, tv, cellulari ne sono esempi notevoli. – continua Canio Noce – “Allora, senza le idee prodotte dai fisici il livello della nostra società sarebbe primitivo perché niente aerei, televisori, frigoriferi, centrali elettriche, laser, computer, tac, radiografie, risonanze magnetiche e, ovviamente, la qualità della nostra vita sarebbe molto bassa. – continua il professore dell’Unisa Canio Noce – Al giorno d’oggi i maggiori contributi, con risvolti pratici di potenziale grande utilità, che la Fisica Teorica può dare rientrano nello studio dei materiali. Infatti, le tecnologie attualmente a disposizione consentono di controllare a livello atomico la fabbricazione di strutture artificiali come si farebbe con i mattoncini lego! Pertanto, la sfida per i teorici consiste nel predire come complesse interazioni possano dar luogo a nuovi materiali con proprietà elettriche e magnetiche particolari. Questi materiali potranno essere utilizzati, con opportuni accorgimenti, in aree strategiche quali la sensoristica e l’energy harvesting, tematiche che rientrano nel programma Horizon 2020 della comunità europea. Questo progetto può rispondere alla crisi economica investendo in futuri posti di lavoro e crescita, può occuparsi del tenore di vita, della sicurezza e dell’ambiente e può rafforzare la posizione dell’Europa a livello mondiale nell’ambito della ricerca, dell’innovazione e dello sviluppo tecnologico”.

Il Big Bang secondo lo studio e la ricerca del professore Canio Noce

“Secondo il modello del Big Bang, l’Universo ha avuto origine con un’esplosione che, a partire da un punto materiale, ha riempito tutto lo spazio. Dopo questo momento ogni particella cominciò ad allontanarsi velocemente da ogni altra particella. Per visualizzare la natura di questa espansione si può considerare un palloncino sulla cui superficie sono disegnati dei punti: gonfiando il palloncino, la distanza fra due punti qualsiasi aumenta sempre più”. – dice Canio Noce – “La teoria del Big Bang è basata su alcune ipotesi, i principi, a partire dai quali ed utilizzando le equazioni di Einstein della relatività è stato possibile prevedere, tra l’altro, che l’universo è in espansione e si è originato da uno stato molto caldo e denso e la creazione degli atomi. Questi risultati sono stati derivati da numerosi scienziati su un lungo periodo di anni con successive conferme sperimentali.”  – continua il prof Canio Noce – “Uno dei maggiori successi della teoria del Big Bang è stato quello di fornire una previsione che corrisponde alle osservazioni di abbondanza di atomi leggeri nell’universo. Insieme con la spiegazione fornita per altri effetti, questa osservazione si è rivelata molto difficile da spiegare da parte delle teorie alternative al Big Bang”.

Professore Canio Noce, nell’opera “Fisica senza Dogma” il prof. Franco Selleri afferma che “tanto più sacra viene considerata una legge negli ambienti scientifici, tanto meno fondata sperimentalmente quella legge è”. Quali sono i dogmi e (citando un suo libro) i Problemi della Fisica Teorica?

“La più rimarchevole conquista della ricerca scientifica – sostiene il il professore dell’Unisa Canio Noce – è la piena consapevolezza della provvisorietà di qualsiasi modello. Tale provvisorietà non diminuisce il valore metodologico dei modelli, valore che consiste soprattutto nello stimolo ad escogitare e realizzare circostanze capaci di far constatare la validità o la non validità del modello provvisoriamente accolto. A tal proposito, è interessante citare una frase di Karl Popper, il quale sosteneva, a giusta ragione, che “una teoria, un’ipotesi vive nell’attesa della sua falsificazione”. – dice Canio Noce – “Dunque, una caratteristica imprescindibile di una fisica moderna è la possibilità della sua “falsificazione”, cioè i suoi principi, le sue teorie non sono immutabili ma devono essere sottoposti all’onere della prova sperimentale che può confermarli o invalidarli. Ogni teoria fisica si sviluppa coerentemente a partire da alcuni dogmi, i principi della teoria, che, come tali, non si possono dimostrare ma se ne possono valutare le conseguenze sperimentalmente per legittimarne la validità”.

“Come esempio notevole di una legge, o addirittura una intera teoria, che è stata modificata si può considerare la ben nota legge “f=ma”. Detta legge, nota anche come II principio della dinamica, costituisce il fondamento della meccanica classica, consentendo la descrizione del moto degli oggetti che ci circondano, dalla mela che cade dall’albero per arrivare al moto dei pianeti intorno al sole. Nonostante questi successi è stata sostituita più e più volte. Per esempio, in ambito relativistico, cioè a velocità molto elevate, si utilizza un’opportuna nuova legge formulata da Einstein, mentre in ambito quantistico, cioè nel mondo microscopico, viene, con successo, utilizzata l’equazione di Schroedinger. Di conseguenza una fisica statica, bloccata su alcuni paradigmi, non avrebbe in alcun modo ottenuto i successi dell’ultimo secolo se fosse rimasta ancorata ai principi della meccanica formulati da Newton e Galileo.” – conclude il professore dell’Unisa Canio Noce –

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