L’illusione dell’ordine nel caos: Einstein e il mistero del moto browniano

“L’articolo di Einstein del 1905 sulla fisica statistica si proponeva di illustrare un fenomeno chiamato moto browniano, così detto in onore di Robert Brown, botanico, esperto mondiale di microscopia, e autore della prima descrizione chiara del nucleo cellulare. L’obiettivo di Brown nella vita, perseguito con energia instancabile, era scoprire attraverso l’osservazione l’origine della forza vitale, una misteriosa influenza che all’epoca si riteneva donasse ai corpi la proprietà di essere vivi. In quella ricerca, Brown era condannato a fallire; ma un giorno di giugno del 1827, credette di esserci riuscito.
Guardando attraverso la lente, Brown notò che i granuli all’interno dei granelli di polline sembravano muoversi. Il polline è fonte di vita, ma non è di per sé un essere vivente. Eppure, per tutto il tempo che Brown continuò a guardare, il movimento non cessò mai, come sei granuli possedessero qualche energia misteriosa. Non era un movimento intenzionale: sembrava anzi del tutto casuale. Con grande trepidazione, Brown si convinse di aver catturato la sua preda, perché cos’altro poteva essere questa energia se non quella che alimenta la vita?

[…] Ma poi assestò il colpo mortale alla sua ottimistica interpretazione della scoperta: osservò lo stesso moto anche in particelle inorganiche, come asbesto, rame, bismuto, antimonio e manganese. Seppe allora che il movimento che aveva osservato non era legato alla presenza della vita. La vera causa del moto browniano si sarebbe rivelata come la stessa forza che determina le regolarità nel comportamento umano notate da Quetelet: non una forza fisica, ma una forza apparente che sorge dagli schemi di casualità.

[…] Le basi per la comprensione del moto browniano furono gettate da Boltzmann, Maxwell e altri nei decenni successivi al lavoro di Brown. Ispirati da queste lettere, questi scienziati crearono il nuovo ambito della fisica statistica, impiegando l’edificio matematico della probabilità e della statistica per spiegare come le proprietà dei fluidi sorgono dal movimento degli atomi che li compongono.

[…] Einstein impiegò la nuova teoria per spiegare nei dettagli il meccanismo preciso del moto browniano. […] Secondo la teoria atomica, il moto fondamentale delle molecole d’acqua è caotico. Le molecole volano qua e là, e si spostano in linea retta solo finché non urtano un’altra molecola. Come abbiamo visto nel prologo, questo tipo di percorso (in cui in vari punti la direzione cambia in modo casuale) si chiama spesso “passeggiata dell’ubriaco”, per motivi ovvi a chiunque abbia bevuto troppi Martini almeno una volta nella vita. Se le particelle che galleggiano in un liquido vengono bombardate modo costante e casuale dalle molecole del liquido, come predice la teoria atomica, ci si potrebbe attendere che oscillino qua e là delle collisioni.
Ma questa immagine del moto browniano presenta due problemi. Primo, le molecole sono decisamente troppo leggere per far spostare le particelle galleggianti visibili; secondo, le collisioni molecolari avvengono molto più di frequente delle oscillazione osservate. Ci voleva il genio di Einstein per capire che quei due problemi si annullano a vicenda: le collisioni sono molto frequenti, ma essendo le molecole così leggere, quelle collisioni frequenti e isolate non hanno effetti visibili. Solo quando la pura fortuna occasionalmente conduce a una squilibrata preponderanza di colpi da una particolare direzione, avviene un oscillazione osservabile. Quando Einstein fece i calcoli scoprì che, nonostante il caos a livello microscopico, c’era una relazione prevedibile tra fattori come le dimensioni, il numero e la velocità delle molecole la frequenza e ampiezza osservabile delle oscillazioni.
Per la prima volta Einstein aveva legato alla fisica statistica conseguenze nuove e misurabili. Può sembrare un’innovazione prettamente tecnica, ma al contrario rappresentava il trionfo di un grande principio: che gran parte dell’ordine che percepiamo in natura nasconde un disordine sottostante invisibile, e quindi può essere compreso solo attraverso le regole della casualità.”

Tratto da : “La passeggiata dell’ubriaco” di Leonard Mlodinow, Rizzoli – Milano 2009, pp.192-195.

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