Articolo di Giuliano Preparata - Articolo di Emilio Del Giudice
L’Acqua alla luce della fisica quantistica
di Emilio Del Giudice
Questo secolo è nato con grandi speranze, e poi ha attraversato vicissitudini turbolente. Le rivoluzioni dell'inizio secolo danno proprio l'impressione di dar luogo all'opposto di quello per cui erano nate.
La rivoluzione quantistica era nata per ricondurre a un comportamento unitario il comportamento a priori del tutto sconclusionato degli insiemi di atomi. Un atomo ha il senso d'identità, di appartenenza a un oggetto, o è un modo antropomorfico di porre la questione? Cosa fa uscire l'atomo dalla sua solitudine, rotta solo da scontri con altri atomi? Un mondo di atomi isolati che si urtano periodicamente, assomiglia a certi incubi delle società contemporanee, dove spesso gli individui si incontrano solo entrando in contrasto. La legge per cui gli atomi operano collettivamente, coerentemente, non avviene a causa di urti estrinseci casuali... ma viene dallo spazio in cui questi atomi sono inseriti, in cui navigano. E' il mezzo che fornisce loro un'identità collettiva. Questo spazio era inesistente nella fisica classica, era un puro recipiente vuoto, mentre nel vuoto quantistico le cose cambiano. Anche nella fisica classica si dice che il vuoto viene poi riempito dai campi, gravitazionale, elettromagnetico, e così via. Questi campi però richiedono energia per essere accesi, altrimenti hanno valore zero.
Nella fisica quantistica, niente può avere valore permanente zero, altrimenti sarebbe perfettamente determinato. Qui vediamo come l'incontrollabile fluttuabilità elementare è la base per la costruzione di qualcosa di permanente. Siccome niente può essere permanentemente zero, abbiamo delle fluttuazioni: immaginate lo spazio vuoto come buio in cui ogni tanto si accende una luce, che è la fluttuazione del campo magnetico. Heisenberg ci insegna che questo fenomeno può esistere solo per un tempo molto limitato, perché i valori medi devono essere quelli classici, si devono conservare, e possono essere violati solo per un breve istante di pazzia. Però lo spazio è riempito da queste fluttuazioni, gli atomi che si trovano in tale spazio le avvertono e, se sono particolarmente densi, l'interazione tra la fluttuazione del campo e la corrispondente fluttuazione dell'atomo può diventare, in condizioni opportune, così elevata da diventare un fatto permanente, perché dà luogo a un'energia attrattiva che abbassa il livello energetico del sistema fisico, il sistema fisico per una legge fondamentale adotta la configurazione che richiede il minor livello di energia.
Il diametro medio di una molecola d'acqua è di un armstrong, la distanza media nel vapore sono 36 armstrong, una folla molto rada, come se delle persone stessero a 40 metri l'una dall'altra; nei liquidi stanno a 3 armstrong, praticamente a contatto, e questo accade in un momento di transizione, in cui il vantaggio energetico di muoversi tutti in fase diventa rilevante rispetto al vantaggio di stare separati. Le due configurazioni, quella gassosa e quella condensata, prevalgono a seconda di qual è la situazione più economica, una volta fatto il calcolo dell'energia. Esistono delle situazioni che corrispondono a quelle di esistenza ordinaria, in cui gli atomi si riposano di più danzando insieme che da soli: diventa un principio di costruzione estrinseca ed intrinseca, perché gli atomi si muovono non solo di per sé stessi, ma sulla base di una sollecitazione che ricevono da un campo generato da tutti gli altri, e anche da sé stessi, quindi abbiamo un principio di automovimento.
Nella fisica classica l'atomo si muove solo per sollecitazione esterna: nel sistema non coerente l'altro atomo è un ostacolo, un nemico contro cui sbatto, nel sistema coerente l'altro è la condizione del mio moto, ed io sono la condizione del suo, e ci si muove non a dispetto l'uno dell'altro, ma proprio perché c'è l'altro. E' un automovimento e non un eteromovimento, quindi la modifica avviene dall'interno, cioè l'esterno può modificare il sistema solo se ne modifica l'interno e passa attraverso la modifica della relazione di fase che li avvolge tutti. A meno che la sollecitazione esterna non sia così grande, un urto così violento, da superare le barriere energetiche che proteggono il sistema coerente e quindi buttare a viva forza alcune particelle fuori dalla loro danza, creando così una parte non coerente.
Nella vita esiste la coerenza ma anche la non coerenza. L'acqua è un insieme di due fluidi, c'è una parte dello spazio con queste molecole che si muovono in fase, ma esistono anche regioni in cui si addensano "gli esuli", cacciati da fluttuazioni termiche particolarmente forti: la frazione non coerente cresce con l'aumento di temperatura, in essa le molecole si muovono come un gas, dando luogo all'entropia, ossia la temperatura osservata del liquido. Il sistema coerente ha entropia e temperatura zero. Però l'esistenza di queste frequenze non coerenti è importante anche per la vita: nel sistema coerente possono infiltrarsi degli "ospiti", cioè molecole non di acqua; ma in un sistema coerente tutte le molecole si devono muovere con lo stesso ritmo... per cui vengono cacciati, e una coerenza locale diventa nemica di una coerenza universale.
Come possono insiemi coerenti di frequenze diverse dar luogo a un sistema aggregato come l'organismo vivente, in cui ci sono tantissimi tipi di coerenza?
E' un problema che deve essere ancora risolto. Le molecole diverse, non potendo entrare nel sistema coerente, entrano negli interstizi di non coerenza, ecco perché la vita ha una temperatura minima al di sotto della quale non si può scendere; calando la temperatura, la parte non coerente sparisce, e gli interstizi, divenuti troppo piccoli, non possono far entrare le molecole diverse sufficienti a dare luogo all'organismo vivente.
Si calcola che la dimensione della grandezza di quegli interstizi nell'acqua è più o meno quella delle macromolecole biologiche; a temperature più basse non avrebbero lo spazio per entrare. Con l'aiuto del campo elettromagnetico dell'acqua, che non è strettamente intrappolato ma trapela fuori, le molecole entrano e danno luogo a forme di coerenza diverse, si organizzano anche loro. A un certo punto, hanno anche la possibilità di svolgere reazioni chimiche che producono energia, cambiando così la loro natura, quindi tutto il gioco delle frequenze elettromagnetiche del campo deve evolversi in corrispondenza del cambiamento dei protagonisti del sistema.
L'energia prodotta da queste reazioni, ai bordi della regione coerente, non se ne va in forma di calore, ma in forma di onde, e può dar luogo a una forma di coerenza. La chimica e l'elettromagnetismo si incastrano l'una nell'altro, nel senso che le molecole non interagiscono casualmente, ma si incontrano per un principio di risonanza elettromagnetica, se le loro frequenze di oscillazione rispetto al campo si accordano. Per cui ci sono attrazioni privilegiate che daranno luogo a reazioni chimiche favorite rispetto ad altre.
L'energia emessa da queste reazioni chimiche può trasformarsi in alimentazione di eccitazioni elettromagnetiche, che a loro volta portano il gioco più lontano.
Nell'acqua liquida semplice, la frequenza oscillatoria del campo responsabile della coesione delle molecole è una sola; quando abbiamo a che fare con più sistemi, ognuno con la sua frequenza, tenendo presente anche che cambiano nel tempo, cominciamo ad avere un insieme di "note" che variano nel tempo e non sono più note singole, ma voci, messaggi. Questa può essere una delle strade per capire come emerge la coscienza dalla materia.
L’Acqua, la Coerenza Elettrodinamica Quantistica e l’Origine della Vita
di Giuliano Preparata
Ho avuto l'onore di partecipare alla grande ricerca che ci ha dato agli inizi degli anni '70 quello che si chiama il modello standard, e che ha avuto all'inizio degli anni '80 una conferma clamorosa, con la scoperta al CEM di Ginevra di particelle pesanti chiamate W Z zero, i mediatori delle cosiddette interazioni deboli, un processo fondamentale che permette alle stelle di poter smaltire la loro energia senza scoppiare, e bruciare per miliardi di anni, in modo estremamente regolare, come il nostro Sole.
Questo programma di ricerca ci ha consegnato una visione del mondo basata su interazioni fondamentali che hanno una struttura semplice, dette anche "teoria di Gauge". Esistono forme di interazione generale con strutture molto simili, anche se danno luogo a processi diversi. Ad esempio, si è scoperto che la dinamica tra le particelle subatomiche protoni, neutroni, eccetera, si basa sulla quantum cromo dynamic, cioè la teoria quantistica del colore, di Gauge anch'essa, che ha una certa struttura, e anche le interazioni elettromagnetiche da cui dipendono le leggi di interazione di tutta la materia vivente e no, hanno una struttura molto simile alla teoria quantistica del colore. Poi si è scoperto che le interazioni deboli sono un altro aspetto dell'elettrodinamica quantistica.
Per cui si può dire che tutte le leggi della natura, tutte le interazioni si basano su leggi generali di forza con strutture molto simili; questo programma di ricerca si basa appunto su un sistema di interazioni in cui entra la teoria quantistica dei campi e vale fino a distanze che sono un decimillesimo della taglia del protone che è un centomillesimo della dimensione atomica, la quale è un centomilionesimo di centimetro. Fino a 10 elevato alla -17 centimetri sappiamo cosa succede nel fondamentale, ed è una verità acquisita con un grande dispendio economico ed intellettuale, un insieme di verità la cui perdita sarebbe gravissima.
E' un punto fisso da cui partire, per andare dove? Questo secolo è stato dominato dal programma di scomporre la materia esistente in natura e non, perché la materia che si osserva negli acceleratori di particelle esisteva forse nei primi istanti del Big Bang, ma non c'è più perché decade, scompare, e rimane solo un mondo, il nostro, della materia, dell'anima, eccetera, fatto solo di protoni, neutroni ed elettroni, ossia i componenti del nucleo atomico e le particelle che vi girano attorno. Questa è una visione del mondo dilapidata, è come uno scatolone in cui ci sono le particelle elementari; ma a cosa ci servono i protoni, i neutroni, gli elettroni?
E' il problema cruciale di chi vuol mettere in relazione la fisica subnucleare, della seconda metà del secolo, con l'infinita meraviglia dei processi e degli accadimenti della vita e della coscienza.
Allora il problema è passare da un sistema elementare di leggi a sistemi complessi, passare dalla scomposizione della materia a ricostruire la materia condensata sia vivente che no. Da questo tipo di fisica iper-atomistica, mi sono accorto che c'erano grandi speranze di ricomporre la materia e arrivare a gradi sempre superiori. Di fatto, in questo programma di scomposizione della materia, ci siamo arrestati su un concetto nuovo, un costituente che è inseparabile dai costituiti... il famoso Quark, il segno della nuova scienza. E' l'oggetto meno compreso che sia stato scoperto in natura. "Radiografando" un protone, vediamo tre puntini, con cariche strane, frazionarie, che si muovono, come del resto nell'atomo, che ha un nucleo compatto e gli elettroni attorno. Abbiamo provato a bombardare i protoni come si fa con gli atomi, con raggi gamma o con altre particelle ad altissima velocità, per poi raccoglierne i pezzi, i quark...siamo arrivati a energie dell'ordine di migliaia di volte la massa del protone: invece di rompersi, si costituiscono altri protoni, ancora composti da quark e antiquark, ma mai siamo riusciti a separare i costituenti del protone. Con grandi energie, mediante l'equazione di Einstein, l'energia si converte in altra massa, ma mai nelle particelle fondamentali che abbiamo visto nella radiografia. E' un paradosso che la comunità scientifica non ha capito, e in maniera aristotelica gli ha dato un nome e lo ha classificato come "il confinamento dei quark", senza spiegare perché sono confinati.
Io, che sono rimasto uno dei non aristotelici, ho deciso di trovare la spiegazione: si passa attraverso il fatto che i quark non sono solo loro la realtà delle particelle, ma vivono su un vuoto quantistico. Lo spazio vuoto che noi vediamo, in base alla teoria quantistica dei campi, è pieno di campi, che i quark con le loro cariche forti, vedono. Ho cercato di mettere a frutto ciò che avevo imparato; il campo quantistico è un campo come quello elettromagnetico, che in più ha l'aspetto quantistico, nato dal principio di Heisenberg.
La fisica quantistica non possiede più l'horror vacui, ma l'horror quietis, nel senso che nulla può stare fermo: sia la posizione che l'impulso che la velocità, è determinata. Questo è un mondo assurdo, infatti il principio di Heisenberg viola le nostre esperienze... vediamo delle cose ferme! Ma gli atomi sono in movimento.
Nella meccanica quantistica, questo è il punto fondamentale, il vuoto sta al di qua della creazione, non al di là; la creazione deve costituire innanzitutto il vuoto, e le proprietà del vuoto determinano il comportamento dinamico della materia che noi vediamo come uno stato eccitato del vuoto. Come un atomo che nel suo stato eccitato si vede perché irraggia, e va nel cosiddetto groundstate, lo stato fondamentale.
Quelli che vogliono fare la fusione calda, devono mettere protoni, Deuterio, Trizio in una bottiglia magnetica in modo che non tocchino le pareti, perché arrivano a temperature enormi; se noi prendiamo un campo magnetico abbastanza forte, i protoni girano su questo campo e non riescono ad andare alle pareti...la soluzione del confinamento dei quark è che i quark vedono dei campi cromomagnetici impotenti, e l'unica maniera per uscire da questi domini magnetici del vuoto è neutralizzarsi, infatti solo le particelle neutre escono fuori dal vuoto. Mettersi sotto la forma di adroni è l'unico modo per neutralizzare la loro carica, per cui loro in gruppi, se ne vanno e si propagano sul vuoto. Perché alcune particelle hanno tre quark, altre hanno un quark e un antiquark, eccetera?
Tutte le scoperte degli anni '60 vengono finalmente razionalizzate in questa visione del mondo: c'è uno stato fondamentale con enormi elementi di coerenza in questi domini dove i quark possono propagarsi solo se sono accompagnati, non da soli. E' impossibile isolare un quark, perché bisognerebbe dargli un'energia infinita. E' un fatto interessante perché fa vedere un cambiamento di visione: il protone ha uno stato legato non per delle interazioni mutue fra i quark, ma perché i quark viaggiano su un vuoto che noi vediamo come tale, ma di fatto non è vuoto, e i quark lo sanno bene; se non ci fosse questo, si propagherebbero.
La soluzione del confinamento non è stata accettata, perché è venuta troppo tardi, quando ormai la comunità aristotelica della fisica aveva fatto una lunga strada nella direzione opposta... la scienza ufficiale ha come referenti i grandi gruppi di potere economico.
Io però ho imparato che anche nella fisica delle particelle ci sono in gioco elementi di coerenza globale, olistica, di grande interesse, che non devono rimanere confinati nel mondo delle particelle, ma arrivare al mondo della vita e dell'anima.
Ho così applicato queste idee alla fisica della materia condensata, con l'enorme densità di 10 elevato a 23 per centimetro cubo. Sono andato a vedere cosa succede nel vuoto, cioè nel sistema nello stato fondamentale, di energia più bassa. La visione tradizionale a proposito dell'acqua, dice che è una molecola stupidissima, non complessa come ad esempio il DNA; le molecole d'acqua stanno insieme perché delle forze elettrostatiche le tengono insieme.
C'è un problema: le forze dell'acqua sono diverse quando sono nel vapore, ma non si spiega perché. Perché bolle proprio a 100 gradi? Dal mio studio venne fuori un'acqua completamente diversa: l'horror quietis porta le molecole dell'acqua ad oscillare nel loro stato più basso, con frequenze caratteristiche: la singola molecola è come una radio che manda una radiazione elettromagnetica di frequenza ben precisa... proprio quella su cui oscillano tutte! Abbiamo 10 elevato a 23 oggetti per centimetro cubo che oscillano tutti alla stessa frequenza! Le molecole danzano in fase, si crea un campo elettromagnetico che le tiene insieme, per cui le molecole si conoscono le une con le altre, proprio come radio che comunicano la loro musica a distanza, provocando una grande armonia. Anche nel laser c'è, ma c'è perché una grande energia viene confinata con delle cavità ottiche, senza le quali non funzionerebbe. Nell'acqua invece avviene spontaneamente, in virtù delle variabili termodinamiche, temperatura e densità.
Un mondo caotico quindi diventa un mondo di armonia, in cui l'interazione fondamentale è a lungo raggio, e condensa un campo elettromagnetico potentissimo che mantiene questo ordine infinitamente. Mi sembra l'archetipo della vita: da un insieme slegato di oggetti individuali, a un oggetto che è un tutto... questo avviene spontaneamente ed è infinitamente stabile, pensate alla vita eucariota che è diventata procariota. Questi tipi di comportamenti coerenti ci permettono di chiarire una serie di cose mai capite, come l'esistenza dei superconduttori, o dei superfluidi, o addirittura della calamita, che ancora oggi non aveva una spiegazione.
