Ma a che serve la fisica? Questa domanda è sicuramente passata per la testa di tanti studenti più di una volta. Tutti coloro che amano la fisica -- me compreso, naturalmente -- sono tentati di rispondere che la fisica, come un'opera d'arte o un bel tramonto, non serve a niente e va amata per la sua bellezza. La ricerca di base in fisica può svelarci le leggi profonde della natura e dirci come è davvero fatto il mondo. Non vi basta?
No, non vi basta. La vostra idea di bellezza non include la fisica -- almeno per ora. A una legge fisica continuate a preferire un bel tramonto. In fondo, potete ribattere, i tramonti sono gratis, mentre la ricerca fisica fondamentale è molto costosa. A che serve?
Meglio allora essere più modesti. Bisogna ammettere che la fisica è una disciplina estremamente utile, che si mette volentieri al servizio di qualsiasi attività umana, dalla medicina ai sistemi di trasporto. Questi ultimi, in particolare, traggono un grande vantaggio dall'analisi che la fisica fa di un concetto elementare come quello di tempo.
Le misure di tempo sono sempre state importanti per le tecnologie di navigazione. Un esempio illuminante è discusso nel bellissimo libro di Dava Sobel, Longitudine, dove si racconta come il problema di stabilire la longitudine in mare aperto fu risolto nella prima metà del Settecento grazie alla fabbricazione di orologi di una precisione mai realizzata prima. Fu allora che John Harrison trovò il modo di costruire un cronografo che perdeva meno di un terzo di secondo al giorno. In un viaggio per mare di tre giorni, questo significava un errore di posizione, lungo il parallelo, di 150 metri al massimo.
Da un giorno all'altro i viaggi intercontinentali diventarono più rapidi e molto più sicuri. Come funziona? Facile: prima della partenza sincronizzate il cronografo con l'ora di Greenwich. In mare aperto, determinate l'ora locale dall'altezza del Sole all'orizzonte. La differenza fra l'ora locale e l'ora di Greenwich vi darà immediatamente la longitudine. Un'ora di differenza vuol dire che siete a Est o a Ovest di Greenwich di 1/24 di circonferenza terrestre, dunque che la vostra longitudine è 1/24 di angolo giro: 15 gradi.
All'equatore 1/24 di circonferenza terrestre corrisponde a più di 1600 km: un orologio che sia rimasto indietro (o sia andato avanti) di un'ora vi porterà a credere di trovarvi a 1600 km di distanza dalla vostra effettiva posizione! Se invece il vostro orologio sbaglia di un solo minuto, allora l'errore nella posizione sarà di "soli" 28 km. Come vedete, l'accuratezza nelle misure di tempo si traduce immediatamente in accuratezza nella determinazione della posizione. E costruire orologi capaci di misure accurate di tempo implica la conoscenza delle proprietà dei materiali, delle leggi del movimento delle parti, delle relazioni matematiche fra posizioni e istanti di tempo. Questa è appunto la fisica a cui siamo tutti abituati.
Oggi però tutto questo è superato, naturalmente. Oggi navi, aerei e veicoli terrestri sono in grado di conoscere la propria posizione ad ogni istante grazie alla tecnologia GPS, come sappiamo tutti...
Ma come funziona il Global Positioning System? Il ricevitore montato sull'automobile o sull'aero determina la propria posizione confontando il segnale orario inviato da tre dei satelliti GPS visibili da ogni punto della Terra e confrontando i rispettivi ritardi, dovuti al tempo di percorrenza. Il segnale, infatti, viaggia alla velocità della luce, che è conosciuta con grande precisione. Ma quello che rende affidabile il GPS è il fatto che sui satelliti sono presenti orologi atomici capaci di "perdere" non più di tre secondi ogni miliardo di anni.
Questo video dell'Agenzia Spaziale Europea illustra il funzionamento di uno di questi orologi orbitanti.
La possibilità di costruire orologi con una accuratezza di un centesimo di nanosecondo al giorno dipende ancora una volta dalla fisica. Ma si tratta di una parte della fisica che è stata sviluppata come ricerca pura, per il puro desiderio di esplorare le leggi della Natura. La meccanica quantistica è nata sotto lo stimolo di domande come: La Natura è regolata da leggi ferree o dal caso? oppure: Le particelle subatomiche si comportano come onde o come corpuscoli? Quando un piccolo numero di scienziati ha iniziato a porsi questi interogativi, negli anni '20 del Novecento, nessuno di loro immaginava che le risposte avrebbero permesso di costruire dispositivi capaci di guidare un'automobile nel traffico di una grande città!
Le lezioni che si possono trarre dal GPS non finiscono qua. Se un orologio diventa così preciso da distinguere istanti di tempo separati fra loro meno di un miliardesimo di secondo, allora la natura stessa del tempo comincia a rivelare la propria stranezza. Siamo sicuri che il tempo "scorra" allo stesso modo sulla superficie della Terra e a un'altitudine di 20.000 km? Siamo certi che un orologio orbitante intorno alla Terra alla velocità di quasi 4 km al secondo batta il tempo come uno immobile nel nostro laboratorio?
La teoria della relatività ci dice proprio il contrario. Secondo la teoria della relatività generale, ad esempio, il tempo "scorre a velocità differenti" per orologi posti ad altezze diverse. Sulla superficie della Terra, la gravità "rallenta il tempo", sia pure in maniera difficile da misurare. All'altitudine dei satelliti GPS la gravità è più debole, e il tempo scorre più velocemente. Gli orologi atomici orbitanti guadagnano rispetto a quelli al suolo, per questo motivo, 50 milionesimi di secondo al giorno. È importante? In 50 milionesimi di secondo il segnale di localizzazione percorre 15 km di troppo: come credere di essere in Piazza Navona mentre si percorre il Grande Raccordo Anulare! Se il GPS non tenesse conto automaticamente e senza dirci nulla dell'effetto della gravità sul tempo, i navigatori sarebbero inservibili.
Allora, la fisica serve? Certamente. E più è astratta, generale, elegante, come la teoria della relatività o la meccanica quantistica -- più è bella -- più è grande la sua utilità.
Per approfondire:
John Harrison e i cronografi di precisione nel 1700