"Prof, ma che cos'è, l'energia?" Siamo in aula e stiamo discutendo alcuni problemi di fisica sulla conservazione dell'energia. Finora le domande che gli studenti mi hanno fatto, questa mattina, o che io ho fatto a loro, sono state del tipo: Come si fa in questo caso?, oppure: Quando posso applicare questa relazione piuttosto che quest'altra? Ma immaginavo che prima o poi a qualcuno sarebbe venuto in mente di porre la Madre di Tutte le Domande sull'energia. Me lo aspettavo, ci contavo, perfino. Se non la facevano loro a me, prima o poi la facevo io a loro. Perché sull'energia abbiamo detto già molte cose, ma non ne abbiamo mai dato una definizione. Abbiamo le "formule", naturalmente. Sappiamo applicarle. Ma l'energia alla fine, che cos'è?
Una delusione necessaria
Il fatto che la domanda non sia inaspettata non vuol dire che io sia pronto a rispondere in maniera soddisfacente. In effetti, non sono capace di rispondere in maniera soddisfacente. Che io sappia, nessuno lo è.
Immagino che siate delusi. I miei studenti lo sono sempre. Quando si dedica tanto tempo e fatica quanto i miei studenti dovrebbero dedicare allo studio dell'energia, ci si aspetta alla fine di saper dare una definizione semplice e immediata dell'oggetto di tanta fatica. Questo nel caso dell'energia (e non soltanto in quel caso, temo...) non è possibile. Questo post ha come scopo quello di spiegarvi perché non dovete sentirvi delusi. Anzi. Eppure noi sappiamo tante cose sull'energia!
Quello che sappiamo
Sappiamo misurarla. I corpi celesti sono immersi in un bagno di fotoni fossili emessi circa 13 miliardi di anni fa, quando l'Universo aveva "soltanto" trecentomila anni. Ognuno di quei fotoni ha viaggiato da allora nel vuoto, mentre lo spazio stesso si espandeva sotto la spinta sprigionata all'istante del Big Bang. Come se dovesse risalire a fatica l'espansione dello spazio, quel fotone ha perso energia, conservando appena una frazione di quella che aveva all'istante dell'emissione. Eppure noi riusciamo a misurare quella minuscola energia, debole come la luce di una lampadina il cui filamento, nel vuoto, avesse una temperatura di 270 °C sotto zero. La misuriamo, e misuriamo anche le differenze ancora più piccole che si osservano da un fotone all'altro. E su quelle differenze costruiamo o demoliamo i nostri modelli dell'evoluzione dell'Universo.
Sappiamo trasformarla. Conosciamo moltissime forme diverse nelle quali l'energia si può presentare: cinetica, gravitazionale, elettrica, chimica, nucleare, e così via. La capacità dell'energia di assumere forme sempre diverse è la sua caratteristica più utile. Praticamente tutti i dispositivi di cui facciamo uso ogni giorno funzionano grazie alla trasformazione dell'energia da una forma ad un'altra. Un'automobile trasforma l'energia potenziale dei legami fra le molecole di combustibile in energia cinetica legata al movimento del veicolo. Un ascensore trasforma energia elettrica in energia gravitazionale.
Ogni passo che facciamo comunica una certa energia al terreno: sono allo studio dei gadget capaci di intercettare tale energia e trasformarla in energia elettrica, permettendo così di ricaricare le batterie del nostro telefono cellulare. In questo nostro accanimento non c'è nulla di strano. Non facciamo altro che comportarci come tutti gli altri esseri viventi su questo pianeta, ciascuno specializzato nella trasformazione di ogni goccia di energia disponibile in una forma a lui utile. La regola è: dove c'è energia a disposizione, ci sono organismi che si sono evoluti per utilizzarla. Anche nelle sorgenti idrotermali sul fondo degli oceani ci sono batteri che, in un ambiente acido a temperature fino a 400 °C, catturano l'energia in transito.
E, fra le altre cose che sappiamo fare con l'energia, sappiamo venderla. Sappiamo quotarla in borsa, scambiarla con altri beni, valutarla, tassarla. Su questo aspetto torneremo più avanti.
Un'analogia importante
Se sappiamo tutto questo, se siamo così bravi a manipolare l'energia, perché non sappiamo darne una definizione? La ragione è profonda, e ha molto a che fare con la natura della fisica come scienza teorica della natura. L'energia non è qualcosa che conosciamo attraverso i sensi. Il nostro corpo percepisce direttamente molte grandezze fisiche, da quelle geometriche alla massa o alla temperatura, ma non ha organi per percepire il contenuto di energia degli oggetti che lo circondano. Non vediamo l'energia con gli occhi. La vediamo con gli occhi della teoria. Infatti, quando studiamo i processi naturali, ci rendiamo conto che è possibile associare ad essi delle quantità che non variano mai; o che, come si dice in fisica, si conservano. L'energia è la più importante di queste quantità. La comprendiamo quando sappiamo come calcolarla. Allora ci rendiamo conto che, mentre i nuclei radioattivi decadono, il Sole consuma la sua riserva di idrogeno, gli organismi esauriscono le risorse di cibo, la quantità chiamata energia resta costante.
Ogni processo fisico richiede energia. Nessun fenomeno può avvenire se non è disponibile l'energia necessaria. L'energia si trasferisce da un sistema fisico all'altro in modo tale che, quello che guadagna l'uno, l'altro lo perde. Non esistono "pasti gratis": non è possibile ottenere energia in cambio di nulla. L'energia è la moneta contabile dell'economia della natura.
Quest'ultima riflessione mi suggerisce una possibile risposta alla Madre di Tutte le Domande. Non è una vera risposta, a essere onesti. Ma è la dimostrazione del fatto che spesso non sono davvero le risposte di questo tipo a interessarci...
Cos'è quella cosa che passa di mano in mano senza aumentare né diminuire? Che assume forme diverse in contesti diversi, ma tutte convertibili le une nelle altre? E senza la quale non è possibile fare nulla nella vita sociale? È il denaro, naturalmente. Un'entità che ci è molto familiare e che sappiamo manipolare fin troppo bene. Ma -- ed ecco cosa risponderò in classe, alla prossima occasione -- siamo sicuri di saper dire che cos'è il denaro?
Per approfondire: