I Paradossi Della Fisica Al Carnevale Della Fisica #39

E' online il Carnevale della Fisica #39 sul blog "Questione della Decisione". L'intrigante tema è "I Paradossi della Fisica", introdotto con la sua solita sensibilità dal curatore dell'edizione Paolo Pascucci. 

Ma non c'è soltanto sensibilità nella presentazione del tema citato perché Paolo ha saputo intessere, attorno al tema dei paradossi, un ordito dal sicuro valore didattico ed educativo, motivo per cui riporto per intero l'incipit su questo blog, elettivamente dedicato alla didattica.

Notevoli i contributi dei partecipanti, che hanno declinato il tema in varianti di sicuro interesse. Pertanto, non perdete tempo e, dopo aver letto questa introduzione, andate a gustarvi il Carnevale della Fisica #39 di Paolo Pascucci.


"Lo studio della fisica riguarda un settore molto ampio dei fenomeni naturali. Tanto per citare alcune macro-branche di questa disciplina, troviamo ad esempio la fisica matematica, la fisica dello stato solido, la fisica nucleare, la fisica delle particelle elementari, l'astrofisica, la fisica cibernetica, la fisica medica e la geofisica, che a loro volta si suddividono in sottocategorie e specializzazioni ulteriori, a coprire quasi tutto il campo dello scibile (seguo l'indice pubblicato alla voce fisica su it.Wikipedia).
L'osservazione della realtà e il tentativo di spiegare i fenomeni che si verificano sono da sempre lo stimolo fondamentale alla conoscenza. Fin dal tempo della filosofia naturale degli antichi greci, i fenomeni naturali sono stati impulso fondamentale alla comprensione della realtà, anche se a volte le conclusioni sono state un po' lontane dal vero. 
E' ovvio che i primi tentativi di descrivere il mondo che ci circonda, compreso quel cielo stellato sopra di noi, erano frammisti a concezioni metafisiche, influenzati da quello che potremo chiamare il pensiero magico o religioso, e che mancava quello che oggi consideriamo il requisito indispensabile dell'indagine scientifica, quel metodo sperimentale di origine galileiana al quale si fa risalire lo spartiacque tra un prima e un dopo rispetto alla conoscenza scientifica.

A cavallo di questo passaggio, anche prima ma  molto soprattutto dopo, per la maggiore diffusione di quella presunzione tipicamente umana di fornire spiegazioni delle ragioni di ogni cosa, insieme a questa ricerca delle spiegazioni e agli strumenti utili per trovarle, stanno i fenomeni inspiegabili e le convinzioni false, forse tappa obbligata nel percorso che va dall'oscurità dell'ignoranza alla luce della conoscenza.
Fanno parte di questi fenomeni inspiegabili e di queste convinzioni false i paradossi, situazioni in cui ciò che si pensava fino a un minuto prima non vale più, sia perchè insufficiente a spiegare le nuove osservazioni sia perchè in aperto contrasto con quanto si osserva o si crede di osservare.

Uno dei paradossi più antichi, il paradosso del mentitore,  non riguarda un fenomeno naturale osservabile ma propriamente lo strumento di indagine più utilizzato dagli esseri umani per conoscere: il linguaggio stesso. E' quello che si fa risalire a Epimenide di Creta, che disse "I cretesi sono bugiardi",  con l'osservazione che era lui stesso cretese. Non si sa se l'intento fosse quello di smascherare o evidenziare un paradosso, o di dire semplicemente una cosa che pensava, perchè Epimenide non disse né tutti né sempre, e infatti questa frase non è ritenuta paradossale perché non è sicuramente vera ma può essere falsa mentre la frase di Eubulide "Io sto mentendo", un secolo dopo quella di Epimenide, soddisfa  i requisiti di essere né vera né falsa, e quindi è un vero paradosso.




Insieme ai primi paradossi riconducibili all'autoreferenzialità del linguaggio, si scoprono e cominciano ad essere affrontati i primi paradossi fisici che, per la loro stretta attinenza con il mondo materiale, vengono anche chiamati paradossi meccanici. Uno dei più famosi è quello del doppio cono che cammina in salita. Questi fenomeni, apparentemente paradossali ma in realtà perfettamente spiegabili con le leggi della fisica, cominciavano ad essere utilizzati come strumenti di insegnamento sin dalla metà del XVIII secolo. Si veda questo filmato tratto dal Museo Galileo dell'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze.

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Come detto, i paradossi non sono sempre situazioni intricate dovute a bisticci logici o ambiguità linguistiche, ma riguardano anche credenze popolari che vengono meno di fronte ad eventi giudicati impossibili. Per esempio, nel XVI secolo, Simon Stevin chiarì quello che venne chiamato il paradosso idrostatico, in cui si stabilisce che la pressione idrostatica esercitata da una colonna d'acqua su un recipiente chiuso dipende dall'altezza della colonna e non dalla sua forma o volume. Un interessante filmato, sempre del Museo Galileo, con straordinari reperti fotografici di apparecchiature d'epoca, traccia una breve storia dell'idrostatica e dell'idraulica, toccando anche il paradosso idrostatico.

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Non si pensi però che sia solo l'ignoranza a generare i paradossi o l'assistere alle manifestazioni di una legge fisica nota in forma inconsueta. Alle volte anche nuove scoperte scientifiche, modificando i paradigmi di riferimento, possono far sorgere paradossi là dove si riteneva ci fosse una certezza, anche se spesso, in ultima analisi, si dimostra che il paradosso è solo apparente ed è dovuto a un fraintendimento delle implicazioni delle nuove teorie. Un classico esempio è quello dei viaggi nello spazio a velocità elevate, come il paradosso dei gemelli, basato sulle asserzioni di Einstein che alla  velocità della luce il tempo rallenta, la cosiddetta dilatazione temporale prevista dalla teoria della relatività. Se si immagina uno di due gemelli partire per un viaggio spaziale a velocità prossime a quelle della luce e l'altro rimanere sulla Terra, sapendo che a  velocità prossime a quelle della luce il tempo rallenta, l'orologio, anche quello biologico,  del gemello sull'astronave batterà  più lentamente e al ritorno egli sarà più giovane del gemello rimasto. In realtà non è così, perchè i sistemi di riferimento in gioco sono diversi:

L'apparente contraddizione si risolve osservando che, mentre quello della Terra è un sistema di riferimento inerziale, quello dell'astronave non lo è. L'astronave non mantiene infatti una velocità costante per tutta la durata del viaggio, ma prima accelera fino alla velocità di crociera, poi frena, inverte la rotta e riaccelera per tornare indietro, e poi frena di nuovo.Si devono quindi considerare non due, ma tre sistemi di riferimento inerziali: quello della Terra, quello dell'astronave nel viaggio di andata, che si muove rispetto alla Terra di velocità v, e quello dell'astronave nel viaggio di ritorno, che si muove rispetto alla Terra di velocità -v (cioè v nella direzione opposta), tralasciando i tempi di accelerazione/decelerazione, che per velocità così elevate sarebbero comunque significativi.[paradosso dei gemelli su it.Wikipedia]

Si osservi questa immagine tratta dalla voce  su Wikipedia citata, con un diagramma di Minkowski dei tre sistemi di riferimento  in cui si vede che nei tre sistemi, in nero quello della terra, in blu quello del viaggio di andata e in rosso quello del viaggio di ritorno, l'evento simultaneo B è visto, in ogni sistema di riferimento, in un punto diverso: D', D e D''.

Siamo al termine di questa informale presentazione. In questa breve introduzione al mondo dei paradossi abbiamo cercato di comprendere quali generi di paradossi si possono trovare nella fisica, come il linguaggio di relazione che noi utilizziamo si presti benissimo a generarli e di come spesso l'esistenza del paradosso si deve solo alla nostra ignoranza più che all'esistenza di contraddizioni della natura.  Nonostante questo, molti paradossi riguardanti la realtà macroscopica, pur avvertendoli come tali, sappiamo, in fondo, che non possono essere veri perché la realtà di cui abbiamo esperienza è tangibile, autoconsistente. Però, la conoscenza amplia il numero dei fenomeni a disposizione dell'esperienza, anche se molto spesso è una conoscenza ristretta a poche persone. Tipico esempio è la meccanica quantistica, con tutti gli strani fenomeni che si verificano a livello microscopico. In questo caso, immaginazione e poca conoscenza sono in grado di far nascere quelli che potremo definire paradossi ai quali crediamo, appunto perché così lontani dalla realtà che viviamo tutti i giorni. Ma non è così: anche in quel caso, se solo potessimo fare esperienza della realtà microscopica così come la facciamo della realtà macroscopica, non troveremmo nulla di strano nel comportamento delle particelle elementari e non ci sembrerebbero così paradossali. Certo che sull'integrazione macro-micro molti si sono cimentati e ancora adesso una certa incompatibilità tra teorie fisiche esiste. Che dire: forse è proprio un limite del pensiero umano quello di non riuscire ad abbracciare tutta la realtà. Se fosse così non potremmo farci niente. Intanto, anche i paradossi servono: tante volte è dal tentativo di spiegarli e ridurli alla ragione che proviene la nostra conoscenza del mondo."