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Il frigorifero di Einstein

Il frigorifero di Einstein - come la differenza fra caldo e freddo spiega l'universo.

di Paul Sen - Bollati Boringhieri editore

Cosa contiene il “frigorifero” ? Il titolo è accattivante e desta curiosità, anche se ovviamente non ha nulla a che vedere con le abitudini alimentari di Albert Einstein.

Il libro che vi presentiamo, presto disponibile in biblitoeca Archimede, trae il titolo dall' Einstein-inventore oltre che eminente scienziato teorico e filosofo, per via alcuni suoi brevetti riguardanti i principi di funzionamento dei  frigoriferi  e si  parla anche di questo , ma la vera protagonista del libro è la Termodinamica , definita dall’ autore, Paul Sen come la Cenerentola delle Scienze, per le difficoltà che in genere incontra nel crearsi lo spazio che merita nei corsi di fisica.

il frigorifero di Einstein” percorre quasi due secoli di storia del progresso scientifico e tecnologico, dagli albori della rivoluzione industriale alla fisica del novecento. E' un racconto ricco di personaggi noti e meno noti, da Carnot, Watt, Joule, Clausius, dalle prime pionieristiche sperimentazioni e deduzioni su calore e temperatura, alle sofisticatissime speculazioni termodinamiche di Stephen Hawking sui buchi neri. Nel mezzo ci sono le grandi rivoluzioni della fisica dei primi decenni del XX secolo. Nel libro una particolare e giustificata attenzione viene dedicata proprio al periodo intermedio di questa lunga storia ed ai suoi protagonisti: Max Planck, Albert Einstein e di Ludwig Boltzmann. Per un ulteriore approfondimento su quest'ultimo, figura centrale nello sviluppo della termodinamica e della fisica statistica segnaliamo “Gli atomi di Boltzmann” di David Lindley - Bollati Boringhieri editore.

Con “ll frigorifero di Einstein” l'autore, ha soprattutto inteso evidenziare come la termodinamica, nata come semplice teoria sul comportamento dell'energia termica, si sia nel tempo evoluta in un apparato di conoscenze articolato e complesso, in grado di dare un senso e di rendere coerente tutta la scienza, dalla fisica alla chimica, alla biologia. Emergono anche punti di contatto , o semplicemente analogie concettuali con insospettabili discipline, come l’evoluzione delle specie viventi, le teorie dell’informazione e delle comunicazioni , le scienze sociali. Per Paul Senla termodinamica è forse la teoria scientifica universale più utile che sia mai stata concepita” proprio per queste aperture “interdisciplinari“ da cui riceve e fornisce conferme e validazioni.

Prendiamo ad esempio la formula di Gibbs - Boltzmann per il calcolo dell’ entropia, grandezza fisica fondamentale in termodinamica :

S= - kB i pi ln pi

la si confronti con la formula proposta da E. C. Shannon, l'autore di “A Mathematical Theory of Communication” per il calcolo dimensionale di qualsiasi tipo di informazione :

H = - i pi log b pi

Evidente la similitudine fra  due formule sviluppate in campi così diversi: la prima proviene da studi sul comportamento della materia, la seconda invece nasce in tutt'altro contesto. Potremmo forse dire che sono la stessa cosa, descrivono lo stesso fenomeno? Forse è un azzardo, anche se il termine “entropia” con varie declinazioni (entropia congiunta, condizionale, relativa...) entra stabilmente a far parte delle teorie dell’informazione.  

Molte le analogie presentate dall'autore, alcune molto sottili e di cui difficilmente potremmo accorgerci  se il nostro sapere fosse organizzato in comppartimenti stagni: matemetica ,chimica, fisica, informatica...   Nelle telecomunicazioni  il problema della perdita di segnale  in un cavo elettrico è simile al modo in cui il calore tende a dissiparsi.  Similitudini  anche fra lo  sviluppo tecnologico delle macchine termiche, il cui scopo è di raggiungere una sempre maggiore efficienza  e l'evoluzione della  componentistica elettronica, dalle prime valvole termoioniche,  ai moderni transistor. Nel primo caso meno carbone , meno dispersioni di calore, maggior lavoro meccanico prodotto , nel secondo meno energia elettrica impiegata, maggior precisione di segnale e in definitiva, migliore informazione. 

Validazioni e conferme ai concetti della termodinamica provengono anche da apparentemente astratte teorie. Il teorema di Noether afferma “che ad ogni simmetria continua (invariante) corrisponde una grandezza conservata”. Ovvero quando le equazioni della meccanica rivelano una simmetria, esiste una grandezza che si conserva. . Analogamente se le leggi della meccanica non fossero simmetriche l’energia non verrebbe conservata.  Il teorema sembra scritto apposta per la termodinamica  ed in effetti è così. Ma da quale contesto nasce?  Il “frigorifero di Einstein “ non parla solo dei grandi personaggi ma si sofferma anche su figure meno conosciute, come la matematica Emmy Noether  ed ai suoi contributi allo studio delle simmetrie , le cui implicazioni, anche se non immediatamente comprese si rivelarono notevoli. Il professor Vincenzo Barone nel suo ottimo libro “l’ordine del mondo” - Bollati Boringhieri 2013 -  (Biblioteca Archimede S1-530.01 BAR )  descrive il teorema di Noether come “uno dei fondamenti della moderna visione del mondo fisico”

Per non perdere l’orientamento si sente spesso il bisogno di credere a principi universali ed immutabili ed a ricorrervi come veri e propri atti di fede. La Termodinamica ne fornisce molti a cui aggrapparsi : nulla viene creato ma tutto compie una trasformazione, l’energia si conserva, non si scoprirà mai un modo per separare il caldo dal freddo consumando meno energia di quanto il caldo ed il freddo prodotti ne possano in seguito sviluppare, in analogia con il principio che il moto perpetuo non è realizzabile. Più prosaicamente : le fate non esistono, nel mondo reale le formule magiche non funzionano , le zucche non si trasformano in carrozze.

La termodinamica si basa quindi su solidi principi. Ne era convinto Einstein: “ è la sola teoria fisica di contenuto universale che non sarà mai sovvertita”. Concludiamo con uno dei primi personaggi di questo affascinante racconto, Sadi Carnot, ingegnere, classe 1796 ed a una sua affermazione: “per generare potenza motrice non è sufficiente produrre il calore: bisogna disporre anche di un corpo freddo senza il quale il calore sarebbe inutile”. Un principio che non teme smentite, nemmeno oggi a distanza di quasi due secoli. Sorprendente.

Note sull' autore

Paul Sen è giornalista televisivo attivo alla BBC, dove nel 2017 ha vinto il prestigioso Royal Television Socity Award ed il Grierson Award for Best Science Documenteary con il film, Oak Tree.Nature's greatest Survivor. Laureato in ingegneria a Cambridge, torna alle sue origini con questo suo primo libro.

 

Biblioteca Archimede

Pagina a cura di  Sergio C. Biondini