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Cavendish!!!! Chi era costui?

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Cavendish, nel 1798 misura la Costante di gravitazione Universale ( G)

Trento, 29 gennaio 2021. - di Luigi Cozzolino

No!! Manzoni non poteva non saperlo, sicuramente Don Lisander conosceva benissimo Cavendish, forse oggi si conosce meno perche' la fisica ricorda i nomi di Pauli, di Heisenberger, di Einstein, Plank, Fermi, Curie, Schrondiger, solo per citarne alcuni, insuperabili colossi dell'attuale fisica quantistica, ma Cavendish con la sua scoperta dell'idrogeno prima e della misura della costante G si pone con il suo esperimento ai livelli attuali degli studiosi quantistici del Cern di Ginevra.

Infatti, a Ginevra si lavora con protoni e neutroni, che arrivano, in termini matematici, alla potenza del dieci alla meno quindici, circa un paio di secoli fa Cavendish riesce a misurare una costante G che arriva a dieci alla meno undici, non male, considerando la nota scarsezza di strumenti e le ancora più scarse conoscenze scientifiche del tempo.

Cavendish di famiglia aristocratica, studia matematica e fisica a Cambridge molte delle sue scoperte interessano tutti i campi dello scibile umano, passa alla storia perché In fisica, in modo veramente strabiliante, calcola il valore della costante gravitazionale dell' Universo utilizzando uno strumento, che fino ad oggi è rimasto insuperato ed insuperabile, la bilancio di torsione.

Cavendish era noto per la sua natura riservata e il suo carattere estremamente timido. Conduceva da solo le sue ricerche e si racconta che quando un giorno una cameriera entrò per errore nella sua stanza, egli rimase così sconvolto da quella inaspettata presenza da licenziarla in tronco. In seguito fece costruire dei soppalchi per andare da una stanza all'altra della casa senza essere visto.

Cavendish perse la mamma a due anni, indossava abiti che potevano essere fatti risalire ai suoi nonni, a pranzo mangiava sempre la stessa gamba di montone. Insomma, un personaggio fuori dal normale ma un genio con una immaginazione illimitata.

Si da per certo che dai suoi taccuini ed appunti Cavendish fu il primo a scoprire la legge di Ohm (che descrive la relazione tra la tensione elettrica, la resistenza e la corrente elettrica) e la legge di Coulomb( che descrive la forza che si esercita fra due corpi elettricamente carichi).

La misura di G rappresenta, da oltre 200 anni, una delle maggiori sfide per i fisici sperimentali di tutto il mondo. Dal primo esperimento di Cavendish (1798), circa 300 esperimenti, basati principalmente sul principio del pendolo o sulla bilancia di torsione, hanno cercato di misurarla ottenendo però risultati divergenti che potrebbero essere influenzati dalle tecniche impiegate e dai conseguenti errori.

Sappiamo che con l'affermarsi del Modello Standard sulla fisica delle particelle che le forze fondamentali si esercitano tramite particelle mediatrici, che vengono emesse e riassorbite dalle particelle che sono soggette alla forza. Ricordiamo che le quattro forze fondamentali, sono la forza nucleare forte, la forza nucleare debole, la forza elettromagnetica, la forza di gravita, Come se fossero dei messaggeri che impartiscono dei comandi: Attrai! Respingi! Trasforma! Per tre delle forze, queste particelle messaggere sono state osservate, mentre solo per una, la Gravità, esse sono state teorizzate ma non ancora scoperte. Le quattro forze vengono anche dette "interazioni", in quanto, appunto, si manifestano dall'interazione – comunicazione, scambio di messaggi – tra particelle.

Delle quattro forze la Forza di Gravità è quella più importante di tutto l'universo. Tutta la storia dell' intero cosmo, pare una lotta agguerrito tra la Gravità e diversi sfidanti, che man mano soccombono alla sua tenacia.

La Gravità è la forza attrattiva che le masse esercitano tra di loro. Qualunque massa la esercita, piccola o grande che sia. La Terra attrae la mela che cade sul prato, ma a sua volta anche la mela attira la Terra. Ovviamente, è la mela a spostarsi perché l'attrazione è proporzionale alla massa degli oggetti.

L'intensità dell'attrazione tra due masse è tanto più forte quanto maggiori sono le masse in gioco; diminuisce invece man mano che le masse si allontanano. Per l'esattezza, la forza di attrazione gravitazionale è direttamente proporzionale al prodotto delle due masse, e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

Fu Isaac Newton per primo a esprimere queste relazioni, nella sua legge di gravitazione universale, con la nota formula che tutti abbiamo, a suo tempo, imparato:

F= G * M1*M2/ r al quadrato

Nella formula, F è la Forza di gravità, M1 e M2 sono le masse dei due corpi in gioco, G è la costante di gravitazione universale (un numero molto piccolo), e r è la distanza tra le due masse.

La stessa forza che ci tiene piantati a terra è anche la forza responsabile delle orbite delle lune attorno ai loro pianeti, e dei pianeti attorno alle loro stelle. La Luna non cade sulla Terra perché la sua distanza e la sua velocità sono tali da evitare una collisione.

Per un oggetto posto sulla superficie terrestre, la distanza sarà rappresentata dal raggio del nostro pianeta (distanza tra la superficie e il centro della Terra). Questo è molto importante perché significa che a parità di massa, un oggetto più piccolo e compatto esercita un'attrazione gravitazionale maggiore.

Ma la Gravità è ancora molto più di questo, la Gravità ha permesso la formazione di lune, pianeti, stelle. Tutti i corpi celesti si sono formati da piccoli agglomerati di materia che, attraendosi, diventavano sempre più grandi, così attraendo nuova materia e aumentando la massa, certamente la particella di Higgs avrà avuto la sua indubbia importanza in questo processo ma ci vorrà ancora tempo per conoscere il reale apporto della particella di Higgs a questo processo.

È così che si è formata la Terra, ed è così che si è acceso il Sole. È grazie alla Gravità che un giorno, 200 milioni di anni dopo il Big Bang, le prime stelle hanno cominciato a emettere luce, per via della fusione nucleare di cui abbiamo parlato sopra. Fusione nucleare resa possibile dal collasso di materia su sé stessa, causato appunto dalla gravità. Senza una forza di attrazione esercitata dalla massa, dopo il Big Bang la materia avrebbe seguito inesorabilmente lo spazio, senza alcuna possibilità di condensarsi.

La Gravità è la forza più debole delle quattro. Non ha, ad esempio, gli effetti devastanti della Forza Nucleare Forte, che si vince solo disponendo di energie elevatissime. Tuttavia, il suo raggio d'azione è infinito. Ad esempio, anche da una galassia lontana avvertiremmo in qualche modo la forza di attrazione gravitazionale terrestre, un valore quasi nullo, ma mai uno zero esatto. L'eventuale particella mediatrice della Gravità, il cosiddetto gravitone, non è ancora stata scoperta sperimentalmente.

Newton aveva dato una stima del valore di G ma non era riuscito a calcolare il valore esatto, tale stima per Newton era di cinque o sei volte la densità dell'acqua, ma Cavendish nato per pesare, misurare, numerare i fenomeni fisici non poteva farsi sfuggire questa "ghiotta" occasione di dare un valore a G.

Ecco che, allora, riprende in mano la bilancia di torsione (Fig.1) di Coulomb, che era servita a Coulomb per determinare la forza delle cariche elettriche, e con le opportune modifiche riesce con una fatica ed una costanza immane a costruire lo strumento che gli consentirà di dare il valore a G.

Cavendish, che nella sua enorme residenza occupava sola la stanza da letto, aveva adibito al resto della casa a laboratorio, infatti, la bilancia fu messa in apposito locale, quasi asettico, ove non ci fossero sbalzi di temperatura e di correnti d'aria, inoltre, la lettura dei dati era affidata a telescopi e lampade che controllavano a distanza le oscillazioni della barra di torsione in modo che non era necessario entrare nella stanza, così, si evitava con la presenza di natura umana e/o estranea di modificare le masse complessive presenti nella stanza-laboratorio così da evitare di influenzare il movimento della barra di torsione e del filo di torsione.

Quindi, un sistema di carrucole davano la possibilità di muovere in modo lento e costante le palle rosse in figura 1 di massa considerevole, e da un "equipaggio" sospeso, formato da un'asta che reca alle estremità due masse di colore blu di modesta entità queste ultime vengono attratte e l'equipaggio è sottoposto ad una coppia di forze, che fa ruotare la barra con le masse di colore blu. Conoscendo l'elasticità del filo, e misurando l'angolo di rotazione (theta)è possibile risalire all'entità della coppia che fa ruotare l'equipaggio, e quindi alle forze in gioco. Ma l'angolo di rotazione è piccolissimo: come misurarlo con la debita precisione? Cavendish ebbe l'idea di collegare al filo uno specchietto, di far riflettere su di esso il raggio di luce di una lampada, e di far incidere il raggio riflesso su una scala graduata molto lontana, in modo da amplificare gli effetti della rotazione. Il tutto è racchiuso dentro un contenitore isolato, in modo da evitare che eventuali correnti d'aria possano influenzare tutto l'equipaggio.

Nel 2014, sempre sulla necessità di trovare un valore di G sempre più preciso con un programma chiamato MAGIA, (Misura Accurata di G Mediante Interferometria Atomica) l'Istituto Italiano di Fisica Nucleare del Laboratorio EUropeo di Spettroscopia non Lineare (LENS) dell'Università di Firenze, è stato possibile misurare, per la prima volta al mondo, la curvatura del campo gravitazionale, ossia l'influenza esercitata da un corpo massiccio sulla geometria dello Spazio nel quale si trova.

Per questo tipo di ricerca e' stato usato un nuovo sensore quantistico basato sull'uso di tre interferometri atomici (strumenti in grado di separare e ricomporre onde o particelle, misurandone le differenze temporali nell'arrivo) posizionati in modo tale da misurare simultaneamente l'effetto di una massa sulla curvatura del campo gravitazionale. "Gli interferometri atomici" sono legati alla doppia natura, corpuscolare e ondulatoria, delle particelle descritte dalla meccanica quantistica. Così come in un interferometro ottico un'onda luminosa viene separata e ricombinata, anche gli atomi, in certe condizioni, possono essere trattati come onde ed essere divisi in più parti che si propagano separatamente e vengono riflesse e ricombinate. Per fare ciò, però, è necessario rallentare gli atomi da una velocità di alcuni chilometri al secondo, tipica di un gas a temperatura ambiente, fino a velocità di pochi millimetri al secondo, corrispondente a temperature bassissime, di qualche miliardesimo di Kelvin. È tramite la luce laser che gli atomi possono essere raffreddati e 'intrappolati', mantenendoli a velocità così ridotte.

Ecco come funziona l'esperimento: una massa di mezza tonnellata di tungsteno è posta a una distanza di alcuni centimetri da una "fontana" di atomi di rubidio raffreddati e lanciati verticalmente in un ambiente in cui è stato fatto il vuoto. La massa, secondo quanto previsto da Einstein, genera una variazione dell'accelerazione degli atomi. Si tratta di una variazione molto piccola, oltre 10 milioni di volte minore rispetto a quella generata dalla gravità terrestre, che però non è sfuggita al sensibilissimo interferometro di MAGIA.

Pertanto, il nuovo valore di G è stato aggiornato e risultato essere 6,677191 per 10 alla meno undici, per Henry Cavendish, il solitario ma dall'immaginazione straordinaria, il valore era di 6,74 per 10 alla meno 11 e dopo i 300 esperimenti degli ultimi due secoli il valore era 6,67304 per 10 alla meno 11.

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