Le leggi della natura in tre parole non comuni

In occasione del tour di presentazione del suo ultimo libro Le regole del gioco. Come la termodinamica fa funzionare l’universo (Zanichelli, 2010), che avrà inizio il 4 novembre a Torino e culminerà a Genova, il 6, con una omonima lectio magistralis al Festival della Scienza, pubblichiamo in esclusiva l’intervento di Peter Atkins, docente presso il Lincoln College dell’Università di Oxford.

Ecco parole che tutti usiamo ma siamo in pochi a comprendere: ognuno parla di temperatura, energia e calore, ma quando ci viene chiesto di spiegare esattamente il significato di questi termini brancoliamo nel buio alla ricerca di spiegazioni.

In questi casi la scienza ci aiuta e ci ostacola allo stesso tempo. Ci aiuta fornendo a queste parole un significato preciso, ma ci ostacola “piratando” alcune parole e usandole per i propri fini. Prende in prestito termini come “degenerazione” e “velocità” e le rende precise, a volte confondendo un ascoltatore o un lettore occasionale.

In questa sede mi occuperò della prima classe di termini: i nomi di concetti che sembrano familiari ma che sono invero molto sottili e che la scienza ci aiuta a comprendere.

Cominciamo con temperatura. Ognuno di noi ha un vago senso di cosa significhi questa parola: quanto caldo o quanto freddo è un oggetto. Ma cosa significa caldo? E freddo? Non servirebbe a molto dire che caldo significa che ha una temperatura alta!

La comprensione scientifica della temperatura avviene in due fasi. Nella prima, ci mettiamo al di fuori di un oggetto e pensiamo a cosa ci dice la sua temperatura; a questo livello, la temperatura è la proprietà che ci dice in quale direzione scorrerà l’energia quando due corpi sono messi in contatto tra loro: l’energia fluisce sotto forma di calore dal corpo a temperatura più alta verso quello a temperatura più bassa. (Naturalmente, a questo punto, stiamo fingendo di sapere perfettamente cosa intendiamo con i termini energia e calore!)

Nella seconda fase immaginiamo di restringerci fino ad avere le dimensioni di una molecola e di guardare cosa sta succedendo agli atomi dell’oggetto in questione. Scopriamo qualcosa di abbastanza notevole: in primo luogo, vediamo che gli atomi possono esistere soltanto in certi stati di energia, e che in ogni oggetto alcuni atomi sono in stati di energia alta, alcuni in stati di energia intermedia e altri in stati di energia bassa – con tutti i valori numerici in un certo rapporto tra loro. Qualsiasi oggetto che osserviamo che sia alla stessa temperatura (quella misurata da un termometro) ha i propri atomi che stanno gli uni rispetto agli altri in un certo rapporto per quanto riguarda i livelli energetici. Se la temperatura cresce il rapporto cambia, poiché aumenta il numero di atomi che si spostano dagli stati di energia più bassa a quelli di energia più alta. Eppure, qualunque sia il materiale in esame, i rapporti tra le popolazioni cambiano nello stesso modo.

A livello atomico, pertanto, la temperatura è semplicemente il parametro che determina i rapporti tra le popolazioni di atomi rispetto ai loro livelli di energia, indipendentemente dalla sostanza in esame. Una temperatura elevata indica che ci sono molti atomi nei livelli di energia più alti e, viceversa, una bassa temperatura indica che la maggior parte degli atomi è nei livelli più bassi.

Veniamo al calore. Secondo la scienza non c’è una cosa come il calore! Il calore non è una cosa: è un mezzo per trasferire energia. Per capire cosa significa, restringiamoci di nuovo fino al livello atomico e guardiamo cosa succede mentre l’energia si diffonde sotto forma di calore da un oggetto caldo a un oggetto freddo.

Vediamo che gli atomi dell’oggetto caldo vibrano vigorosamente, mentre quelli dell’oggetto freddo vibrano un pochino (ricordiamo infatti che temperatura bassa indica atomi in bassi livelli di energia, e di conseguenza atomi un po’ pigri nelle loro vibrazioni). Sui bordi del solido, gli atomi che vibrano con vigore urtano quelli più pigri, e gli ultimi si danno una svegliata e cominciano a vibrare con maggiore intensità. Questo trasferimento di energia tramite urti è il processo di trasferimento di energia tramite calore; si noti che il calore è un processo, non una cosa. E’ il processo di trasferimento dell’energia tramite la stimolazione del movimento casuale degli atomi.

E finalmente, veniamo all’energia. Devo ammettere che questo è un termine davvero elusivo. A un livello è semplice da comprendere, ma a un altro è straordinariamente sottile e sfuggente. Al livello più semplice, l’energia è la capacità di compiere un lavoro, dove un lavoro è un movimento contro una forza opposta – come alzare un peso in contrapposizione alla spinta della gravità. Di conseguenza, se un oggetto ha molta energia – come l’acqua calda o una molla compressa – può compiere molto lavoro, così diciamo che ha molta energia. A mano a mano che l’acqua si raffredda o la molla si distende, l’oggetto diventa meno capace di compiere lavoro, così diciamo che la sua energia è diminuita.

Eppure, quando ci chiediamo quale sia la vera natura dell’energia, sbattiamo contro un muro (o, se non altro, a me succede così): alcuni si rivolgono alla relatività generale e dicono che è una misura della curvatura dello spaziotempo. Altri fanno appello alla meccanica quantistica e dicono che è una quantità che determina come gli oggetti evolvono nel tempo. Ma a questo punto credo che mi unirò alla massa e userò questo termine così importante e così astratto senza sapere cosa significa davvero. Ed è un po’ strano pensare che molto di quello che spendiamo ogni anno sia dedicato a qualcosa che di fatto ci è sconosciuto!

Peter Atkins

Traduzione dall’inglese di Eva Filoramo