Ho già ricordato in un altro post che il 2009 è l'anno internazionale dell'astronomia, in occasione del quattrocentesimo anniversario delle prime osservazioni di Galileo mediante il cannocchiale. È una ricorrenza importante, il cui significato può essere facilmente compreso da chiunque osservi la Luna piena, in una notte serena, e mediti su quanti millenni sono trascorsi prima che un uomo riconoscesse con chiarezza in quelle zone più scure e più chiare gli aspetti di una superficie planetaria simile a quella della Terra.
Il 2009, come sappiamo tutti, è anche l'anno dell'evoluzione biologica. Il 12 febbraio scorso abbiamo festeggiato il duecentesimo anniversario della nascita di Charles Darwin. E il 22 novembre prossimo saranno passati 150 anni dalla prima pubblicazione del suo capolavoro, L'origine delle specie per mezzo della selezione naturale. Come fisico ho grande ammirazione e gratitudine per il libro di Darwin, così ricco, chiaro, meravigliosamente minuzioso senza essere mai pedante. E riconosco che il concetto di selezione naturale, nella sua semplicità e potenza, ha un potere esplicativo non inferiore a quello delle leggi di Newton o del principio di equivalenza di Einstein.
Ma perché celebrare Darwin su un blog che parla di fisica? Le leggi dell'evoluzione fanno parte dell'ambito della biologia, dopo tutto. Ha senso che un fisico si dichiari darwiniano? Io credo di sì. Il mondo è uno e la Natura non è divisa in fisica, chimica, biologia. Se vogliamo comprendere la natura delle cose, non serve a niente confinarci in un solo settore e restare indifferenti alle idee che nascono in altri settori. Ecco perché ho deciso di parlare di Darwin e di evoluzione e di farlo dal punto di vista che mi è più congeniale, quello della fisica. Chiedendomi, cioè, in che modo le sue idee risultino utili al progetto di ricerca della fisica stessa.
Il primo aspetto che mi viene in mente è l'episodio della contesa scientifica sull'età della Terra. Nel suo libro, Darwin aderisce esplicitamente alle teorie dei geologi come Lyell che avevano avanzato per la prima volta l'ipotesi che la Terra fosse estremamente antica, anche decine o migliaia di miliardi di anni. Nell'opera di Darwin, l'evoluzione degli esseri viventi avviene grazie a un meccanismo estremamente graduale, basato su due elementi: la presenza ad ogni generazione di una grande varietà di individui in ciascuna popolazione naturale; e la limitatezza delle risorse disponibili, che doveva portare soltanto alcuni di quegli individui a lasciare dei discendenti nella generazione successiva. In questo consiste la selezione naturale: non tutti gli individui arrivano a lasciare un uguale numero di discendenti; e quelli che godono di un qualche vantaggio competitivo sugli altri si riprodurranno in maggiore misura e porteranno a una popolazione futura più simile a loro stessi.
Il meccanismo della selazione naturale richiede tempo. I caratteri ereditari che osserviamo oggi negli animali e nelle piante intorno a noi devono essersi sviluppati e selezionati lentamente, per piccole variazioni. O almeno così pensava Darwin. Il quale aveva quindi bisogno di un palcoscenico geologico estremamente ampio, miliardi di anni a disposizione, perché la selezione naturale portasse alla biosfera a noi e a lui contemporanea.
All'epoca della pubblicazione dell'Origine delle specie, William Thomson era già uno dei più autorevoli fisici inglesi e uno dei più importanti al mondo. Il contributo per il
quale lo ricordiamo oggi, una formulazione originale del secondo principio della termodinamica, è soltanto uno dei suoi meriti scientifici: per i quali sarebbe stato investito nel 1892 del titolo di Lord Kelvin. Nel 1866 Thomson pubblicò un articoletto intitolato The “Doctrine of Uniformity” in Geology Briefly Refuted. Il grande biologo evoluzionista Stephen Jay Gould lo ha definito "uno dei documenti più arroganti della storia della scienza." In un solo capoverso, seguito da una mezza pagina di calcoli in appendice, Thomson affermava che la Terra non poteva essere così vecchia come proponevano Lyell e Darwin; in articoli successivi propose dei valori che andavano da 100 a 20 milioni di anni.
Il ragionamento di Thomson è semplice. La Terra è caratterizzata da un certo flusso di calore che dalle sue profondità si irradia alla superficie e di qui nello spazio. Se questo calore è quel che resta dell'energia immagazzinata nelle rocce fuse che formavano la Terra primordiale, alle origini del Sistema Solare, allora un semplice calcolo dimostra che la Terra deve avere cominciato a solidificarsi soltanto poche decine di milioni di anni fa. Oggi, altrimenti, sarebbe molto più fredda. E i calcoli di Thomson, uno dei padri della termodinamica, erano naturalmente giusti...
Darwin continuò per quanto fu possibile a sostenere che doveva esserci un errore nel ragionamento di Thomson. Ai suoi occhi, venti milioni di anni non potevano in alcun modo bastare. Se questo valore era giusto, allora la sua teoria era sbagliata. In una lettera a A. R. Wallace, l'altro creatore della teoria della selezione naturale, Darwin arriva a scrivere che il pensiero di Thomson lo affliggeva come quello di uno "spettro odioso".
Ma c'è un errore nel ragionamento di Thomson? Sì. Ed è un errore che molto a che fare con la storia della fisica. Thomson scrive che "Nessuna ipotesi [...] che possegga anche soltanto un'ombra di plausibilità, può giustificare la supposizione" che la Terra abbia un'età simile a quella proposta dai geologi e sostenuta da Darwin. Questo è il suo errore. Se non avesse tanto creduto alla superiorità della fisica come unica vera scienza razionale, Thomson avrebbe potuto scrivere una frase molto diversa. Avrebbe potuto scrivere "Nessun meccanismo ad oggi noto può giustificare la supposizione..." E se il calore "residuo" della Terra avesse un'origine all'interno della Terra stessa, in un meccanismo ancora sconosciuto capace di liberare grandi quantità di energia?
Un meccanismo simile era ed è in effetti all'opera: si tratta della radioattività. Come vedremo, il calore liberato dalla Terra non è affatto il calore residuo della sua formazione, ma il risultato del decadimento radioattivo degli elementi pesanti abbondanti nel nucleo terrestre. Che colpo, per Thomson, se avesse anche soltanto concesso la possibilità di un meccanismo simile e ne avesse stimato le energie in gioco! Se la fisica avesse prestato ascolto alla biologia, avrebbe potuto prevedere il fenomeno della radioattività, invece di limitarsi a scoprirlo!
Ma per oggi ho già scritto troppo. Riprenderemo questa storia nel prossimo post.
To be continued...
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