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Vi siete mai chiesti perché i petali dei fiori  si formano secondo schemi tanto splendidi e  perché i fiocchi di neve secondo forme geometricamente perfette?  Eppure gli scienziati ci raccontano che l'Universo si sta riducendo ad un disordine via via crescente. Perché questa contraddizione? Anche la contraddizione tra la scienza ed il "buon senso" sembra via via in aumento. Se ne attribuisce il motivo a stani effetti della Relatività e della Fisica dei Quanti scoperti nel XX secolo. Scopo di questo breve saggio è quello di mostrare che il problema affonda le sue radici indietro, nel secolo precedente, e non c'è bisogno di conoscere la fisica quantistica o la relatività per capirlo.

La Causalità.

Gli schemi in natura sono manifestazione di una causa sottostante. Nel periodo della controriforma, gli scienziati cominciarono a vedere gli schemi evolutivi come riflesso di forze fisiche invisibili che regolano il cambiamento. Questa idea si sviluppò fino ad una filosofia della causalità secondo cui ogni fenomeno può in definitiva essere spiegato determinandone  sottostanti processi meccanici. La parola "Causa" è un po' strana. A volte la si usa in un senso oggettivo, per indicare una forza regolatrice che sta dietro qualche processo di trasformazione.  Oppure, la parola Causa è usata in un senso soggettivo per indicare una aspirazione o una ricerca verso cui la gente può operare.  La causalità della scienza si riferisce al significato oggettivo del termine. 

Le leggi della meccanica.

Aristotele presupponeva che una forza invisibile agisse su di un corpo in movimento affinché il movimento perdurasse.  Newton concluse che le cose non stavano così, e che un corpo si sarebbe mosso a velocità costante su di una traiettoria rettilinea, trasportato dal suo "Momento".  Secondo la legge newtoniana del moto, una deviazione da quella traiettoria è prova dell'intervento di una forza esterna.  Le leggi di Newton sono la base della  nostra attuale comprensione del modo in cui i corpi si muovono. Spiegano il moto delle automobili e delle palle di cannone, ed anche delle orbite planetarie (tenendo conto anche della newtoniana legge di gravità). Ma  nel regno della chimica, in cui si deve considerare il comportamento di molecole microscopiche, il comportamento ordinato dettato dalle leggi di Newton viene sepolto nella caotica interazione di numerosissime particelle.

La meccanica molecolare.

Democrito  (5° secolo Avanti Cristo)  immaginava la materia composta da particelle che si muovono nel vuoto. Ciò è molto vicino alla nostra moderna visione dei gas, ritenuti  molecole in movimento casuale all'interno di uno spazio vuoto.  Durante il XIX secolo, fisici come  Maxwell e Boltzmann usarono la meccanica newtoniana per analizzare le collisioni casuali delle molecole di gas, una contro l'altra e contro le pareti del contenitore. In questo modo riuscirono ad ottenere la relazione  pV /T = constante, dove la pressione  p è determinata dall'impatto delle molecole contro le pareti del contenitore, V è il volume, e T (temperatura assoluta) è il valore medio dell'energia cinetica delle molecole.

Le leggi dei gas.

Le leggi dei gas furono formulate empiricamente nel periodo fra il XVII ed il XIX secolo sulla base di esperimenti che misuravano le proprietà dei gas come fluidi elastici. Le tre leggi si riferiscono ad una massa costante di gas a temperatura, pressione o volume costante.

Legge di Boyle (Robert Boyle, 1662): pV resta costante a temperatura costante

Legge di Charles (Jacques-Alexandre-Cesar Charles, 1787): V/T resta costante se la pressione è costante.

Legge della Pressione  (Joseph Louis Gay-Lussac, inizi dell' ottocento):   p/T è costante se il volume resta costante.

Una legge combinata dei gas che comprenda le tre equazioni sopra descritte dice che per una massa costante di gas  pV/T=costante. Questa è esattamente la stessa equazione ottenuta considerando soltanto il moto e le collisioni  casuali di molecole individuali di gas.

Il moto browniano.

Una minuscola particella (ad es.: una particella di fumo) sospesa nell'aria mostra certi movimenti casuali  dovuti all'impatto con le molecole dell'aria. Questi, che sono visibili al microscopio,  vanno sotto il nome di moto browniano; la sua osservazione convalida la visione meccanico-statistica dei gas come particelle che si muovono e si scontrano casualmente.  In uno dei suoi quattro famosi articoli del 1905, Albert Einstein fornì una descrizione matematica del moto browniano utilizzando la meccanica statistica. Le considerazioni di Einstein condussero ad una più profonda comprensione del movimento delle invisibili  molecole d'aria, e portarono alle equazioni che spiegano la espansione dei gas.

Il comportamento di singole molecole nei confronti della moltitudine

Le leggi della espansione dei gas forniscono una utile e definitiva descrizione del comportamento di moltitudini di molecole. Ciononostante, la "obbedienza"della popolazione a quelle regole non è altro che una espressione di movimenti e collisioni totalmente casuali di molecole singole. Non c'è una causa o forza esterna a far sì che un gruppo di molecole di gas si espanda per diffusione. Inoltre, il lavoro compiuto da un gas in espansione è una espressione dello stesso comportamento casuale. Una domanda sorge spontanea: "Ma veramente una singola molecola si comporta casualmente?". Da un lato, quella era stata l'ipotesi iniziale. D'altra parte però quel comportamento sembra portare la moltitudine a comportarsi in modo non casuale.

Tale contraddizione potrebbe sorgere da due visioni intrinsecamente contraddittore, che sono entrambe incorporate nella teoria scientifica. 

1. La meccanica newtoniana considera la materia intrinsecamente stabile, in moto secondo   una traiettoria costante che può essere modificata soltanto in risposta a forze esterne.
    
2. La termodinamica afferma che tutta la materia ha una intrinseca tendenza a dissolversi nel disordine, a meno che non sia fermata in qualche modo.

Cosa significa veramente casualità?

La casualità (mancanza di comportamento schematizzato) non è intrinseca al sistema! E' una nostra percezione del sistema. Possiamo considerare un gas come un gran numero di molecole individuali che si muovono a caso, o una sostanza elastica fluida con le proprietà riassunte dalle leggi dei gas. La differenza fra il punto di vista casuale e non-casuale  sta nella nostra percezione, e non ha fondamento nelle proprietà dei gas. Dunque, la casualità non può essere considerata una proprietà oggettiva dell'intero sistema.

Dio tira i dadi?

Quando  Einstein  disse "Dio non tira i dadi", non stava parlando del movimento casuale delle molecole, ed in particolare nemmeno della sua analisi meccanico-statistica del moto browniano. Stava parlando della meccanica quantistica (specialmente del principio di indeterminazione  di  Heisenberg) che descrive il comportamento delle particelle subatomiche in termini statistici. Einstein era fermamente convinto che ci deve essere un meccanismo causale che determina la distribuzione statistica.  Einstein avrebbe detto che la meccanica statistica molecolare era diversa,  poiché era teoricamente possibile tracciare il movimento e le collisioni di ogni singola molecola  e spiegare la traiettoria in termini di meccanica classica. Il dogma della meccanica dei quanti è che una equivalente analisi a livello di particelle subatomiche è teoricamente impossibile.

Ma in ultima analisi il problema può anche non essere importante. La meccanica dei quanti non ha bisogno del classico meccanismo causale che Einstein chiedeva, e la termodinamica non ha bisogno di una analisi dei movimenti di singole molecole. In entrambi i casi, le considerazioni statistiche forniscono un punto di partenza perfettamente adeguato. 

La rivoluzione concettuale.

E' comunemente accettato che la meccanica quantistica abbia attraversato la fisica come un terremoto e provocato in essa un mutamento epocale. Uno sguardo all'indietro alla storia della termodinamica e della meccanica statistica suggerisce una diversa interpretazione. La termodinamica ha origini altamente empiriche, e non ebbe problemi nel trattare con concetti statistici. Al contrario, la meccanica quantistica si è evoluta da considerazioni teoriche all'interno di un ambiente intellettuale, che (all'inizio) considerava le variabili statistiche approssimazioni che nulla avevano a che fare con la teoria fondamentale. Cionondimeno, sembra che l'evoluzione teorica della termodinamica abbia creato problemi che tuttora persistono, come si nota dall'estrema difficoltà che molti studenti e insegnanti hanno con la spiegazione di concetti termodinamici quali "entropia" e "energia libera".

La termodinamica fatta semplice.

Gli studenti di chimica imparano certe equazioni che ci danno la possibilità di predire la direzione in cui una reazione chimica procederà. Siccome i parametri dell'energia libera, centrali all'equazione, sono determinati principalmente da misurazioni sperimentali, l'affermazione tautologica che segue riassume il tutto abbastanza accuratamente:

"Le reazioni chimiche tendono a muovere il sistema da uno stato meno probabile ad uno più probabile"

E provate a trovare qualcosa di più statistico!

La causa del cambiamento.

Se siete arrivati fin qui, avete finora soltanto seguito una breve lezione di termodinamica. Se l'avete capita, avrete anche capito che in un processo un cambiamento non ha necessariamente la propria causa in una forza esterna, ma a volte è una tendenza intrinseca. Se tornate un attimo a leggere il paragrafo sulla  causalità, il termine "causa" è definito sia in modo soggettivo che in modo oggettivo.   "Tendenza intrinseca" sembra essere più vicino alla definizione soggettiva che identifica la causa come ricerca o aspirazione. Ma alla fine, quando si debba decidere  quale delle due definizioni meglio soddisfi la scienza della termodinamica, la tautologica descrizione della reazione chimica data in precedenza non fa alcuna distinzione. Al contrario la causa del cambiamento diventa un concetto in grado di racchiudere tutto e che trascende ogni divisione di significato.

E adesso?

Sta già accadendo. Sebbene non ci sia alcun bisogno di sminuire le enormi conquiste della meccanica quantistica, alcune aree che si collegano alla meccanica statistica sono anch'esse altamente di attualità. Esempi sono la scienza dell'informazione (in particolare in riferimento alle molecole come veicoli di informazione), la  teoria del controllo, la teoria della complessità e del caos. L'approccio statistico ci dà la possibilità di calcolare, predire e spiegare i cambiamenti che osserviamo in situazioni via via più complicate, senza dover cercare continuamente cause esterne fin qui indefinite.

Un ovvio candidato per le nostre considerazioni è il processo della evoluzione biologica.  La discussione imperversa tra una posizione Darwinista, secondo cui l'evoluzione procede  in modo casuale,  e la posizione contraria secondo cui l'evoluzione è guidata da forze che non conosciamo e non capiamo. Fra chi propone in modo serio quest'ultima posizione c'è anche un significativo numero di rispettabili fisici che trovano incredibile l'idea che l'uomo evolva per caso. Io basilarmente propendo per la posizione Darwinista.

La grande intuizione di Darwin fu quella di capire che l'evoluzione non è un processo diretto verso qualche specifico risultato, ma un cambiamento che sfugge una preesistente situazione. Cambiamenti casuali (quali mutazioni, ricombinazioni genetiche), fanno sfuggire gli organismi  dallo stato di clone della generazione precedente. La selezione naturale è il risultato di circostanze che favoriscono alcune direzioni rispetto ad altre. Dunque, si può ben dire che una popolazione tende ad evolvere verso forme migliori! Oppure che chi sopravvive è favorito dalle circostanze! Queste due affermazioni sono tautologiche tanto quanto la mia frase sulla direzione delle reazioni chimiche. Ridurre le cose a tautologie suggerisce che queste siano verità che esprimono assiomi sottostanti. Questi assiomi fondamentali sono espressi nella chimica, nella biologia, ed in ogni altro complesso sistema che si voglia considerare.

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