La velocità della luce

Ho appena risposto a una domanda in un gruppo di Fisica: avendo scritto un discreto papiro in risposta, ho deciso di farne un post 😎

Una domanda da semiprofano… forse un argomento già trattato, nel qual caso spero mi scuserete.
Ho letto tanti post sulla velocità della luce, sui fenomeni ad essa legati, sul fatto che sia la massima velocità possibile… ma non ho mai sentito una spiegazione sul PERCHÉ la velocità sia proprio quella.

Mi chiedo se si conosca il “meccanismo” che fa sì che le particelle prive di massa si muovano proprio a quella velocità.

Grazie

Di seguito la risposta (con alcune migliorie).


La domanda in sé non è stupida; però non è neanche corretta: non è insomma una domanda a cui dare risposta, ma una domanda da dissolvere.

Perché un metro è proprio quella lunghezza lì? Lo è per motivi storici: corrisponde a (circa) un decimilionesimo di quarto di meridiano terrestre.
Ma in realtà è un’unità di misura come un’altra: del tutto umana. I pollici sono peggio dei centimetri solo perché le usano quattro stupidi paesi al mondo e fare conversioni di unità di misura è un’operazione tediosa e prona ad errori: ma non è che siano intrinsecamente sbagliate.
Un pollice sono 2,54 centimetri, ma questo valore è dovuto unicamente a come abbiamo scelto le due unità di misura pollice e centimetro.

E il secondo, l’unità di misura del tempo? Stesso discorso.

Ora, il valore numerico di c è noto essere: 299’792’458 m/s.
Ma se usiamo unità di misura diverse dal metro al secondo (che so: le pertiche al quarto d’ora😄) si ha un valore numerico diverso: questo evidenzia che non è il valore numerico in sé ad essere importante, ma la quantità fisica che esso rappresenta.

Cosa rappresenta c? Di nome, si chiama “velocità della luce nel vuoto”, ma in realtà non è direttamente legata alla luce: rappresenta la velocità di propagazione massima di qualunque segnale; il fatto che la luce si propaghi (nel vuoto) sempre a questa velocità, è dovuto unicamente al fatto che il campo elettromagnetico, di cui la luce è una manifestazione, è mediato da particelle prive di massa (fotoni).

Una del tutto lecita obiezione sarebbe: “Sì, ma perché è proprio tot? Non mi hai mica risposto!”
È vero, non ho (ancora) risposto. Si potrebbe rispondere “perché la Natura ha scelto così”: ma non è che sia una risposta soddisfacente.
E qui veniamo al punto, la dissoluzione della domanda: quanto letto finora era solo propedeutico al vero discorso (manca poco, giuro).

Oltre a rappresentare la velocità di propagazione massima di qualunque segnale, c è proprio una parte essenziale delle trasformazioni di Lorentz: queste sono le trasformazioni che permettono di passare da un sistema di riferimento all’altro.
Avrete sentito parlare dei fenomeni di contrazione delle lunghezze e dilatazioni dei tempi, in Relatività Speciale; questi fenomeni si possono inquadrare nel più generale concetto che spazio e tempo non sono entità distinte: passando da un sistema di riferimento all’altro, lo spazio diventa (in parte) tempo e il tempo diventa (in parte) spazio.
Detta così pare fuffa newage -purtroppo è d’uso tra fuffari storpiare la Fisica, Relatività Speciale e Meccanica Quantistica sono i bersagli preferiti- ma le trasformazioni di Lorentz sono leggi precise che quantificano esattamente questo (e non è neanche pura speculazione teorica, come un profano potrebbe pensare: il riscontro sperimentale è enorme).

Quindi: cos’è c? Se la esprimiamo in metri al secondo, essa è, numericamente… la costante di conversione tra metri e secondi: proprio come 2,54 è la costante di conversione tra centimetri e pollici! Se la esprimessimo in pertiche al quarto d’ora, sarebbe la constante di conversione tra pertiche e quarti d’ora: perché spazio e tempo sono concetti separati -talmente separati da meritare diverse unità di misura- solo nella nostra umana testa.

Questa potrà sembrare una risposta a presa per il culo… ma in realtà i fisici ci sguazzano sul serio; e non ci si mette neanche troppo ad abituarvisi, anzi: una volta fatta l’abitudine, non se ne fa più a meno!
È diffusissima in Fisica la convenzione di non usare metri e secondi per indicare lunghezze e tempi, ma solo uno dei due, e porre direttamente c=1. Non 1 metro al secondo o altre unità di misura: un 1 secco, adimensionale. Monsieur de La Palice direbbe che un metro è uguale a un metro, così come un secondo è uguale a un secondo: uno uguale uno, le unità di misura identiche si elidono ad ambo i membri.
Sono le cosiddette unità di misura naturali: naturali proprio perché non dipendono dagli accidenti storici -aneddoticamente interessanti ma scientificamente irrilevanti- come la lunghezza del pollice del defunto re d’Inghilterra o la circonferenza del pianeta su cui ci siamo guarda caso evoluti.

In tale convenzione, appunto, tempo e spazio sono due facce della stessa medaglia: di conseguenza è assolutamente naturale usare la stessa unità di misura, e 299’792’458 diventa solo uno stupido numero privo di importanza fisica, proprio come 2,54.
Chiedersi perché c vale tot è del tutto equivalente a chiedersi perché il rapporto tra centimetri e pollici vale tot: perché noi abbiamo scelto così le unità di misura di partenza (metro e secondo: per meri accidenti storici); e non, come si sarebbe tentati a rispondere, “perché la Natura ha scelto così”.¹

Questo dovrebbe aver… non risposto alla domanda ma, appunto, averla dissolta 😎


¹ Se proprio vogliamo che la Natura abbia “scelto” qualcosa, allora essa ha scelto che tempo e spazio siano due facce della stessa medaglia: ma più che una scelta della Natura, direi che questo rivela una limitatezza del nostro intuito a volerli considerare distinti in primo luogo. Quindi forse sarebbe ancor meglio dire che la Natura abbia “scelto” di darci un intuito fallato.
Intuito che, non dobbiamo mai dimenticare, è il risultato dell’evoluzione; e lo “scopo” dell’evoluzione non era darci cervelli in grado di “giungere al vero”: lo scopo era darci cervelli in grado di farci sopravvivere nell’ambiente ancestrale in cui ci siamo evoluti!
In tale contesto, le velocità tipiche sono talmente basse che tempo e spazio possono essere considerati separati all’atto pratico: d’altra parte, le “obsolete” e ben più antiche trasformazioni di Galilei (in cui spazio e tempo non si mischiano mai), oltre che essere straordinariamente più intuitive, sono un’egregia approssimazione per basse velocità delle più generali trasformazioni di Lorentz!
Evidentemente questa separazione mentale aveva dei vantaggi computazionali che hanno favorito un tale intuito sì “sbagliato”, ma probabilmente più rapido (e/o neurologicamente meno oneroso) per decidere efficacemente come lanciare il sasso in modo da colpire la preda e non morire di fame.
Qui entriamo nella psicologia evoluzionistica: ho solo accennato l’argomento ma, non essendo il mio campo, non mi addentro in spiegazioni più approfondite perché potrei dire sonore minchiate (già che ho parlato di “scopo” dell’evoluzione, ho semplificato troppo: l’evoluzione non ha scopo); sicché mi fermo qua. Di buona letteratura sull’argomento ce n’è tanta 😎

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NO-TAP

My two cents sulla questione NO-TAP. Che alla fine si è trasformato in uno sfogo.

Ulivo

Da pugliese, dico che si sta facendo tanto rumore per nulla, quando il vero problema è altrove.

Sono stati espiantati un paio di centinaia di alberi, che verranno ripiantati al termine dei lavori: gli stessi alberi, non alberi di rimpiazzo. L’espianto è una cosa del tutto temporanea, quindi, e gli alberi non moriranno nel processo.

Oltretutto gli alberi sono già stati espiantati, quindi le proteste “per salvare gli alberi” li stanno invece mettendo a rischio: questi alberi saranno ripiantati solo al termine dei lavori, proprio quei lavori che questi geni stanno ritardando. Sono alberi, hanno dei cazzo di cicli stagionali, e se sono stati espiantati in un certo periodo dell’anno è perché si è calcolato che al termine dei lavori sarebbero stati ripiantati nel periodo giusto per non risentirne. Questi difensori degli alberi della domenica li stanno solo mettendo in pericolo.

Per evitare che vengano fatti quali lavori, poi?

Si tratta di installare un tubo di meno di un metro di diametro, che passerà a dieci metri di profondità, trasportante gas metano, quindi niente di tossico. Il metano è quello che si brucia nei fornelli delle cucine e viene anche prodotto naturalmente nel nostro corpo: contrariamente al credere comune, non è affatto tossico.
Quel che è tossico, spiegava sempre mio padre nei corsi di formazione quando lavorava nella distribuzione gas, è il monossido di carbonio, che si potrebbe produrre nelle caldaia durante la combustione del metano: e si produrrebbe solo in particolari circostanze, ossia in carenza di ossigeno; infatti se il metano viene bruciato in condizioni normali, ossia con un adeguato apporto di ossigeno, i soli prodotti di combustione sono biossido di carbonio e vapor acqueo, che non sono tossici. Questo è il motivo per cui è importante fare periodicamente i controlli alle caldaie. Chiusa parentesi. Ma tanto sottoterra mica ci devono andare le caldaie: ci deve passare solo un cazzo di tubo, in cui non verrà bruciato un beneamato… tubo.

E benché una parte (ho detto una parte, non tutto!) del metano che arriverà da quel tubo, almeno per i primi tempi, sarà probabilmente ancora di provenienza russa, si tratterebbe comunque di una via d’accesso alternativa posta più a sud a cui, nel lungo termine, potrebbero allacciarsi nuovi fornitori, diversificando quindi le nostre fonti e parandoci il culo nel caso in cui la Russia decidesse di chiuderci i rubinetti (cosa molto probabile, a un certo punto, visto come si stanno mettendo le cose).

Quindi, ricapitolando: per difendere duecento alberi da un pericolo che non avrebbero corso, si sta impedendo la costruzione di un impianto di importanza strategica nazionale, se non continentale, mettendo pure a rischio gli alberi che si volevano “difendere” in primo luogo. Se non fosse vero, penserei a una barzelletta.


E fin qui, ci si potrebbe anche fare una risata, se non altro isterica.

Poi però ricordi che, quando gli scienziati hanno detto di abbattere alcuni alberi per evitare che la Xylella ne distruggesse milioni, ecco che i magistrati complottisti di ‘stocazzo hanno aperto la caccia agli untori accusando gli scienziati di aver introdotto loro la Xylella (quando il ceppo studiato nei laboratori è palesemente diverso da quello dell’epidemia: dopo un anno l’hanno dovuto ammettere persino i magistrati).
Nel frattempo però è passato un anno e la malattia si è diffusa: come previsto, ci sono milioni di alberi infettati. E non è che adesso si stia facendo qualcosa, eh: ormai gli alberi infetti sono troppi e costerebbe troppo prendere provvedimenti.
genius-meme

Ma il primo posto nella classifica dell’idiozia va agli agricoltori salentini, che per primi hanno dato addosso agli scienziati, gridando al lupo con la stampa e la magistratura: per non accettare che venissero abbattuti alcuni alberi malati, ora se li ritrovano tutti condannati a morte da una malattia non più eradicabile.
Come spararsi nei coglioni ai tempi del complottismo: solo che così hanno condannato a morte anche gli agricoltori del barese, che non c’entravano nulla.


Quindi, qual’è la morale che si può trarre da questa storia? Vaffanculo ai salentini, vaffanculo ai giornalisti, vaffanculo ai magistrati, vaffanculo ai manifestanti e vaffanculo ai politici: quando gli scienziati, gli unici che possano risolvere la situazione perché sono gli unici che sanno di cosa cazzo stanno parlando, vengono ripetutamente presi a pesci in faccia, ecco che il mondo va a rotoli.

Non è bello dire “ve l’avevo detto”, ma…

v’era stracazzo stato detto.

Ora piangete. Io ho già pianto, sapendo che tra un paio d’anni mi toccherà comprare l’olio toscano: perché l’olio di Bitonto, che ho sempre consumato dacché sono nato, presto non esisterà più per colpa di voi imbecilli.

Il progettista di cerniere

60 anni fa, James D. Watson e Francis Crick scoprirono la struttura a doppia elica della molecola di DNA. Fu una scoperta epocale, perché permise di capire come è codificata nelle cellule l’informazione genetica che si trasmette dai genitori ai figli, ponendo le basi dell’attuale genetica. Visto che in questi giorni non si fa che parlarne, sono andato su Wikipedia a farmi un ripasso di biologia, ed è così che ho scoperto un grosso difetto di “progettazione”, di cui parlerò in questo post. Ma prima, per quelli più arrugginiti, farò un breve ripasso al livello di scuola media; chi non ne avesse bisogno, può saltare direttamente al paragrafo successivo.

Doppia elica

Il DNA è composto da due filamenti, ciascuno costituito da una serie di nucleotidi (Adenina, Citosina, Guanina, Timina, brevemente: A, C, G, T);¹ è la sequenza di questi nucleotidi, diversa da individuo a individuo, a determinare il patrimonio genetico, cioè l’insieme di tutte quelle caratteristiche ereditarie che si trasmettono di generazione in generazione.
I nucleotidi possono essere visti semplicisticamente come dei pezzi meccanici quasi identici, ciascuno con tre attacchi: due laterali, un “maschio” e una “femmina”, e uno frontale (qui maschio e femmina non hanno nulla a che vedere col sesso, è un termine del gergo ingegneristico che indica due connessioni complementari che si incastrano tra loro: se la spina elettrica è un maschio, la presa è una femmina).
I ganci laterali maschi sono uguali per tutti i nucleotidi, così come quelli femmina, e questo permette di unire i nucleotidi in una catena, con una serie di connessioni maschio-femmina²: questa catena costituisce un filamento. E quelli frontali? Ora ci arriviamo.
La doppia elica di DNA è costituita da due di questi filamenti attorcigliati l’uno intorno all’altro e uniti tra loro, nucleotide per nucleotide, tramite gli attacchi frontali dei nucleotidi di cui sono costituiti.

struttura chimica DNA

Come si vede in questa immagine, i vari nucleotidi sono composti da uno zucchero (il pentagono giallo-arancio), un gruppo fosfato (il pallino giallo brillante) e una base azotata (le strutture colorate rispettivamente in verde, rosso blu e viola). La parte zucchero-fosfato, come si vede, è uguale per tutti i nucleotidi e permette il collegamento di più nucleotidi “a catena”; mentre di basi azotate ce ne sono 4 diverse, che possono connettersi solo a coppie A-T e C-G.

Gli attacchi frontali sono diversi da nucleotide a nucleotide e complementari a coppie: A si lega solo a T (e viceversa), mentre C si lega solo a G (e viceversa). A non si può legare né a C né a G, così come T non si può legare né a C né a G, eccetera eccetera. In questa maniera i due filamenti contengono praticamente la stessa informazione, solo rappresentata in maniera complementare: partendo da una doppia elica, separando i due filamenti, e ricostruendo per ciascun filamento una nuova catena ad esso complementare, si ottengono due doppie eliche identiche a quella iniziale. È così che avviene la riproduzione.

Dna duplicazione

E qui viene il problema.
La comune rappresentazione che si da del meccanismo di replicazione del DNA è quella di una cerniera che si apre e alle cui due metà, complementari tra loro, si riattaccano nuovi filamenti complementari ricostruiti a partire da nucleotidi singole.
Tuttavia, i due filamenti che costituiscono la doppia elica hanno un “verso”, determinato dall’orientamento degli attacchi maschio-femmina: la catena

<A< <C< <T< <G< <T< <A< <G<

è distinta dalla catena

>A> >C> >T> >G> >T> >A> >G>

La connessione frontale tra A e T (e anche quella tra C e G) funziona solo se A e T sono orientati in modo opposto. Cioè, è possibile che una catena di A si leghi a una catena di T in questa maniera:

<A< <A< <A< <A< <A< <A<
>T> >T> >T> >T> >T> >T>

ma non non in questa:

<A< <A< <A< <A< <A< <A<
<T< <T< <T< <T< <T< <T<

A causa di ciò, i due filamenti che compongono la doppia elica non sono orientati nello stesso verso, ma in verso opposto: cioè, procedendo nel verso maschio-femmina lungo un filamento, l’altro filamento è collegato femmina-maschio.

Il problema è che l’enzima che ricostruisce il filamento complementare attaccando nuovi nucleotidi complementari ai filamenti “nudi” procede solo in un verso, diciamo quello maschio-femmina: perciò, quando “la cerniera si apre”, una metà può essere replicata in maniera diretta (quella orientata maschio-femmina), mentre l’altra (orientata femmina-maschio) viene replicata “all’indietro” a pezzettini di qualche centinaio/migliaio di nucleotidi, e sono poi necessari tutta una serie di altri enzimi che raccordano tutti questi pezzettini tra loro con un meccanismo complicato suggerito da Reiji Okazaki.

DNA_replication_it

In questa immagine si vede come il filamento “guida” (quello in basso) si replica in maniera diretta (da sinistra verso destra), mentre il cosiddetto filamento “lento” (quello in alto) si replica in verso opposto (da destra verso sinistra) a pezzetti che vengono poi raccordati grazie ad altri enzimi (come la DNA ligasi)

Per quanto il funzionamento del DNA sia straordinariamente affascinante e mi evochi sentimenti di meraviglia quasi sacra ogni volta che ci penso, un qualunque progettista intelligente sano di mente avrebbe fatto le cose in maniera molto diversa. Avrebbe per esempio usato nucleotidi diversi che permettessero ai filamenti di legarsi tra loro nello stesso verso; oppure enzimi che lavorano in entrambi i versi. Queste sono solo le prime due cose che mi sono venute in mente, ma una mente creativa è in grado di tirar fuori in 5 minuti decine di proposte valide.

Questa del DNA è solo una delle migliaia di evidenze sperimentali del fatto che che non c’è nessun disegno intelligente dietro alla Vita: non solo nessuna mente che abbia progettato tutto, ma nanche una che abbia anche solo “guidato” l’evoluzione. L’evoluzione è solo uno stupido meccanismo incrementale senza alcun senso di prospettiva.² Nelle nostre cellule l’informazione genetica è codificata dal DNA non perché questo sia un buon sistema progettato con intelligenza: ma perché prima del DNA le forme di vita meno evolute usavano l’RNA, di cui il DNA è solo una versione più efficiente (sotto certi punti di vista).³
Parafrasando Cynthia Kenyon: lo studente meno brillante del corso è in grado di fare in un’ora cose più complicate di quel che l’evoluzione è stata capace di fare in miliardi di anni. Degli insulsi e goffi mammiferi bipedi con un chilo e mezzo di gelatina nella testa, che in un lotta contro una tigre non verrebbero dati un soldo falso, hanno inventato il fucile e la tigre se la arrostiscono per cena.
Abbiamo iniziato a fare seriamente Scienza da solo 400 anni, e siamo in grado di costruire sistemi di pannelli solari + batteria che convertono l’energia del Sole in energia chimica più efficientemente delle piante, macchine elettriche che convertono energia chimica in energia meccanica più efficientemente dei muscoli. Abbiamo costruito razzi e mandato gente sulla Luna, oggi sveliamo un segreto dell’Universo all’anno, in questo secolo avvieremo la colonizzazione del Sistema Solare e nel giro di qualche centinaio d’anni partiranno le prime navi a colonizzare altri sistemi stellari. Grazie a noi la vita terrestre (forse l’unica Vita, forse no, ma sicuramente qualcosa di raro e prezioso) si diffonderà al di fuori di questo pianeta su migliaia, milioni, miliardi di altri mondi, e le galline e tutti gli animali che ci porteremo con noi, se potessero capirne la portata, ringrazierebbero.

I risultati dell’evoluzione biologica ci sono superiori ancora in alcuni campi, come la nanotecnologia, ma è solo questione di pochi anni prima di sorpassarla anche lì. E abbiamo iniziato da 400 anni.

Dateci un milione di anni, e vi costruiamo Dio in persona.

(le immagini sono prese da Wikimedia commons; ci tengo a precisare che sono un fisico, non un biologo, quindi chiedo scusa in anticipo per eventuali imprecisioni o inesattezze e invito chi è più competente di me a correggermi nei commenti)

¹ Le lettere A, C, G, T, per essere pignoli, non si riferiscono ai nucleotidi, ma alle basi azotate: per i nucleotidi si usa una nomenclatura leggermente più complessa. Tuttavia, per gli scopi di questo post, questa è una sottigliezza secondaria, e ho preferito indicare ogni nucleotide direttamente con la lettera associata alla base che lo contraddistingue.

² Per chi avesse già le basi di biochimica: si tratta del ponte diesterico tra il gruppo acido del fosforo e il gruppo alcolico dello zucchero.

² Molte persone non sono in grado di reggere il peso di questa consapevolezza, sapere che non c’è un fine stabilito “dall’alto” dietro alla nostra esistenza, ma solo una serie di cause casuali; è perfettamente normale, e anche gli atei, talvolta, patiscono il senso di solitudine che ne consegue; ma questo non è un buon motivo per negare o minimizzare i fatti e cercare conforto nelle rassicuranti “certezze” di una religione che in cuor tuo sai esser falsa, perché:

«Ciò che è vero, è già in atto.
Ammetterlo non lo rende peggiore.
Non averne la mente aperta, non lo fa andare via.
E siccome è vero, è ciò con cui ci è dato avere a che fare.
Qualunque cosa non vera, non è disponibile per esser vissuta.
Le persone hanno la forza di sopportare ciò che è vero,
perché di fatto ci stanno già vivendo dentro.»
Eugene Gendlin

E poi: ma dove sta scritto che il fine della nostra esistenza ce lo deve dare qualcun altro? Io, onestamente, il fine della mia esistenza preferisco darmelo da solo! Noi umano siamo qualcosa di più che pupazzetti animati di un bambinone che non teneva niente da fare.

³ Perché le forme di vita meno evolute usassero l’RNA in primo luogo, è una questione estremamente interessante, di cui magari parlerò in un altro post: se state smaniando dalla voglia di saperlo, in questo altro blog si parla di un recente esperimento che avvalorerebbe l’ipotesi del mondo a RNA.