Il motore quantistico “impossibile”: realtà o bufala?

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Immaginate un sistema di propulsione che funzioni senza carburante. Immaginate che qualcuno lo costruisca per davvero, e che lo faccia esaminare addirittura dalla NASA. Immaginate che la NASA lo analizzi con grande precisione e dica che effettivamente funziona, ma non si sa come né perché. Fantascienza? Balla colossale? Forse sì, forse no. Per provare a capirci qualcosa, però, dobbiamo raccontare la storia dall’inizio.

Nessuno tocchi Newton

Tutto comincia svariati anni fa, quando lo scienziato inglese Roger Shawyer, direttore della Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), inventa e realizza tramite la stessa compagnia un motore chiamato EmDrive, che può essere usato come thruster per fornire la spinta a satelliti e sonde spaziali. La peculiarità di EmDrive è che, per funzionare, non ha bisogno di propellente ma soltanto di elettricità. Questo è particolarmente sconvolgente se pensiamo che qualunque thruster per satelliti funziona a reazione, ovvero tramite il movimento della materia che viene espulsa dal motore stesso.
Qui, però, non c’è nessun movimento, e questo secondo la fisica “tradizionale” (quella che ci ha lasciato il buon Isaac Newton) non dovrebbe produrre alcuna spinta. Subito la comunità scientifica – e c’è da capirla – ha bollato la cosa come junk science (“scienza-spazzatura”). Il motivo? Semplice: EmDrive violerebbe uno dei cardini di tutta la dinamica newtoniana, il principio di conservazione della quantità di moto. Che per i nostri scopi possiamo tradurre così: non puoi far muovere un razzo nello spazio se il razzo non espelle qualcosa. Eppure Shawyer assicura che il suo motore non viola la conservazione della quantità di moto né altre leggi fisiche. Qui viene il punto più spinoso, perché il meccanismo di azione di EmDrive è solamente ipotetico e per giunta sconosciuto alla fisica nota.
EmDrive è fondamentalmente una cavità metallica asimmetrica dentro la quale una radiazione di microonde si propaga riflettendosi continuamente tra le pareti, in maniera risonante. L’interazione tra le microonde e la cavità asimmetrica, considerando anche gli effetti relativistici del caso, provocherebbe una differenza di pressione ai due capi del motore, da cui avrebbe origine la spinta: questa, che ci si voglia credere o meno, è la spiegazione ufficiale data dalla SPR.

Una questione ancora aperta

Nel 2010 alcuni scienziati della Northwest Polytechnical University, in Cina, provano a costruirlo per conto loro e ci riescono. Il loro motore riesce a produrre spinte fino a 720 millinewton: abbastanza per soddisfare le richieste dell’ingegneria aerospaziale. Ma il risultato ottenuto dai cinesi non è abbastanza per convincere la comunità scientifica in Occidente, che rimane scettica e sostiene che la spinta prodotta debba provenire da altri meccanismi.
In fondo, non si può violare le leggi della fisica. Incuriosito dal risultato positivo ottenuto in Cina, lo scienziato americano di origine italiana Guido Fetta apre una società per produrre la propria versione di EmDrive, che chiama Cannae Drive. La spiegazione più plausibile per il funzionamento di Cannae Drive differisce da quella proposta da Shawyer: secondo questa teoria, le microonde reagirebbero con il cosiddetto “plasma virtuale”, ovvero coppie particelle-antiparticelle prodotte e riassorbite quasi istantaneamente dal vuoto quantistico (il minimo stato di energia possibile) in virtù del principio di indeterminazione di Heisenberg. Per dimostrare al mondo che il suo motore funziona davvero, Fetta convince la NASA ad analizzarlo. E qui si arriva al 2014. Nei laboratori dello Johnson Space Center, cinque scienziati dell’agenzia spaziale americana esaminano da cima a fondo il motore di Fetta per otto giorni. Il verdetto? Cannae Drive funziona.
Il 30 luglio di quest’anno la NASA pubblica un documento in cui si legge: “I risultati del test indicano che il dispositivo produce una forza che non è attribuibile ad alcun fenomeno elettromagnetico classico e può quindi potenzialmente dimostrare un’interazione [delle onde elettromagnetiche] con il plasma virtuale prodotto dal vuoto quantistico”. La forza prodotta è molto inferiore a quella trovata dai ricercatori cinesi (30-50 micronewton), ma l’hanno misurata. E non si sa ancora se la misura è attendibile, né si sa perché questa spinta ci sia. Il documento NASA dichiara esplicitamente che non intende entrare nel merito della questione, e si limita a descrivere i test e gli esperimenti effettuati su Cannae Drive.
Cosa dovremmo pensare di questa vicenda? Insomma, è una scoperta sensazionale, una bufala o è tutto frutto di qualche errore umano? È presto per dirlo. Anche sospendendo il giudizio sui risultati cinesi, se da un lato è improbabile che ci si possa fidare di Fetta (la sua biografia ufficiale non è nota, a parte una laurea in Ingegneria chimica che poco ha a che fare con la fisica quantistica e la costruzione di thruster per satelliti), dall’altro ci sono i sorprendenti risultati della NASA. Che però possono non essere corretti: basta ricordare il clamore che si generò per la scoperta dei neutrini superluminali del CERN nel 2011, prima che si scoprisse che la misura della loro velocità era affetta da un “banale” errore sistematico.

E se fosse tutto vero?

Per ora, giustamente, la NASA non si sbottona e mantiene un riservato silenzio in merito alla questione del “motore quantistico”. In attesa di saperne qualcosa di più possiamo provare a domandarci che cosa comporterebbe, ipoteticamente, l’introduzione di un motore di questo tipo. Innanzitutto c’è da dire che sarebbe inservibile per i veicoli a terra e per i velivoli, perché Cannae Drive ed EmDrive hanno bisogno del vuoto per operare. Tuttavia una tecnologia simile, se non si rivelasse un abbaglio, rappresenterebbe una vera e propria rivoluzione nel campo del volo spaziale.
In particolare renderebbe possibili i viaggi verso lo spazio profondo: con tali dispositivi i satelliti non dovrebbero trasportare il carburante necessario per i thruster. Le sonde potrebbero essere più leggere, tecnologicamente più avanzate e potrebbero contare su un’accelerazione continua. Facendo due conti, una sonda diretta a Marte (e dotata di un ipotetico Cannae Drive opportunamente funzionante) potrebbe giungere sul pianeta rosso in poche settimane. Proxima Centauri, la stella a noi più vicina, sarebbe raggiungibile in “appena” una trentina d’anni. Potrebbe iniziare una nuova era dell’esplorazione spaziale. Stando in ambito più accademico, la scoperta – se confermata – potrebbe anche portare a conoscenze del tutto nuove sulla fisica fondamentale e sul funzionamento del misterioso mondo quantistico. Vicende così complesse vanno valutate con grande attenzione, senza tifare per una fazione o per l’altra. Molte prove sperimentali e discussioni teoriche sono ancora necessarie per dirimere la questione. Qualunque sia il finale di questa storia, però, di una cosa possiamo essere sicuri: sarà avvincente.

Canaletto e Bellotto: pittori o geometri?

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Canaletto, Campo Santi Giovanni e Paolo, 1738 circa.

Dovendo scegliere tra un pittore e un topografo, a chi affidereste il compito di rappresentare realisticamente ed efficacemente un determinato paesaggio, urbano o rurale? Ipotizziamo che decidiate di affidare il lavoro a un artista con cui pattuite l’esecuzione di un dipinto a olio su tela. E se l’artista che avete incaricato facesse uso di mezzi tecnici, ad esempio di apparecchiature ottiche, in un certo senso invadendo il campo e appropriandosi dei trucchi del mestiere e delle competenze della concorrenza? Denuncereste la violazione del patto - non scritto - che ha stipulato con voi e lo giudichereste un artista che bara o addirittura un artista dimezzato?

È questo il dubbio che devono essersi posti, già nella prima metà del Settecento, Antonio Canal, detto Canaletto e suo nipote Bernardo Bellotto (pure lui per un certo periodo noto come Canaletto, diciamo per mere ragioni di marketing). I due, infatti, il primo essendo maestro del secondo, fecero ampio e documentato uso di un’apparecchiatura ottica nota come camera obscura senza peraltro mai molto sbandierare questo loro “segreto industriale”: la utilizzarono costantemente come sussidio per tracciare con sicurezza le linee portanti dei volumi dei loro dipinti e le sagome dei monumenti e degli edifici che hanno rappresentato negli affascinanti dipinti a olio presenti in musei, gallerie e collezioni di enti e di privati in tutto il mondo. Sono stati, Canaletto e Bellotto, tra i primi e certamente i più noti esponenti del cosiddetto vedutismo, genere pittorico nato a Venezia nel primo Settecento. Molti loro schizzi (“scaraboti”) e disegni preparatori, a matita e penna su carta, sono arrivati fino a noi e sono conservati, raccolti in quaderni, in vari musei, tra cui le Gallerie dell’Accademia a Venezia.

La camera oscura portatile in legno appartenuta secondo alcuni studiosi a Canaletto. Si può vederla all'ingresso della mostra “Bellotto e Canaletto. Lo stupore e la luce”, alle Gallerie d’Italia in Piazza della Scala a Milano.

Come porsi, dunque, di fronte alla legittimità e opportunità dell’uso intensivo della camera obscura da parte di quei pittori? Si tratta semplicemente di un utile strumento ausiliario o è invece una criticabile pratica tecnica che, se applicata in modo pedissequo nella realizzazione dei dipinti, minaccia di ostacolare e compromettere la creazione artistica, esponendo così il pittore al rischio di vedersi relegato nell’angusto e sgradito ruolo esecutivo di “geometra dell’ufficio tecnico”?

Per rispondere a questa domanda, serve forse chiedersi perché  alcuni pittori, soprattutto settecenteschi, abbiano sentito l’esigenza di utilizzare la camera obscura, o camera ottica. La risposta molto probabilmente va cercata nel clima culturale dell’epoca di cui stiamo parlando: con l’Illuminismo, infatti, si impone un nuovo sguardo sulla realtà, più oggettivo, più scientifico e l’esattezza della rappresentazione pittorica del paesaggio è solo uno dei campi in cui questa nuova visione del mondo si manifesta.

Questa tematica complessa, di cui cercheremo di fornire qualche utile elemento di conoscenza e di riflessione, colpisce immediatamente il visitatore della bella mostra “Bellotto e Canaletto. Lo stupore e la luce”, alle Gallerie d’Italia in Piazza della Scala a Milano. Nelle quasi cento opere in mostra si possono ammirare le precise rappresentazioni (quanto precise effettivamente siano, tra poco lo scopriremo) di palazzi e canali, campi (nel senso veneziano della parola) e piazze di città del centro Europa, campagne e scorci di ruderi dell’antichità talmente dettagliate da sembrare fotografie, il tutto sempre sapientemente illuminato da luci oblique e radenti, perfettamente adatte a scolpire la tridimensionalità degli edifici. Per meglio comprendere il senso di queste immagini si rende necessario, però, un salto indietro nella storia della scienza e della tecnica.

La conquista della prospettiva

Nel corso degli ultimi tre millenni, non sono mancati studi teorici e sperimentazioni pratiche per cercare di risolvere un problema, sia concettuale, sia concreto: quello della rappresentazione della realtà tridimensionale su una superficie piana, bidimensionale. Problema che stava a cuore a due categorie apparentemente assai distanti tra loro di esseri umani: i matematici e i pittori, vale a dire, in un senso più ampio, gli scienziati e gli artisti.

Precisiamo, per quanto possa sembrare a questo punto scontato, che stiamo parlando di “prospettiva” e di “geometria proiettiva”. Nelle prime testimonianze visive arrivate fino a noi, quelle raffiguranti scene di caccia rinvenute nei dipinti rupestri delle grotte paleolitiche, i nostri antenati non sembrano essere stati sfiorati dal desiderio di suggerire un senso di profondità alle loro immagini. Occorre quindi fare un balzo temporale in avanti di parecchi millenni per vedere qualche tentativo di rappresentazione prospettica del reale: in qualche disegno di epoca egizia, duemila anni prima di Cristo, appaiono molto timidamente i concetti della similitudine e della prospettiva, con edifici rappresentati in pianta e alzato, per quanto, a dire il vero, la maggior parte delle immagini egizie giunte fino a noi raffigurino piuttosto una realtà prevalentemente bidimensionale (di profilo). Nemmeno l’epoca della cultura Assiro Babilonese sembra sentire l’urgenza di descrivere un mondo a tre dimensioni e, ad esempio, i bassorilievi di leoni e altri animali presenti sulle pareti della Porta di Ishtar (sec. VI a.C.), conservata al Pergamon Museum di Berlino, ci appaiono nella loro fissità, isolate e di profilo su uno sfondo uniforme, privo di profondità. In estremo oriente la prospettiva, almeno a livello di studi teorici, sembra far capolino solamente in un trattato cinese per la determinazione delle ombre del IV secolo a.C., ma risalente secondo alcuni storici addirittura al 1100 a.C.

Ma è solo con i grandi matematici greci che inizia uno studio rigoroso delle regole di rappresentazione geometrica dello spazio. Spicca tra tutti il nome di Euclide, vissuto ad Alessandria (allora una colonia greca) a cavallo tra quarto e terzo secolo a.C., noto per la sua imponente opera Elementi grazie alla quale è passato alla storia della matematica.  Nell’Ottica, suo meno noto trattato, Euclide pone invece le fondamenta della geometria descrittiva, chiamata poi, a partire dal diciannovesimo secolo, “geometria proiettiva”.

Proseguendo nella nostra carrellata storica, la civiltà romana sembra da un lato orientata alla sperimentazione pittorica, dall’altro lato alla teorizzazione. Sul versante pratico, attraverso dipinti e mosaici (ad esempio nel mosaico pompeiano di Alessandro alla battaglia di Isso), si assiste alla rappresentazione della tridimensionalità, pur essendo chiaro che non era ancora maturata una consapevolezza precisa delle regole della convergenza verso un unico punto. Dall’altro lato, quello più teorico, attraverso gli scritti di Vitruvio (architetto e scrittore del primo secolo a.C.) si approfondiscono i problemi legati alla scenografia e alla rappresentazione degli edifici.

Il più antico disegno pubblicato noto di una camera oscura si trova nel trattato "De Radio Astronomica et Geometrica" (1545) del medico, matematico e costruttore di strumenti olandese Gemma Frisius (nato Jemme Reinerszoon), in cui l'autore descrive ed illustra come ha usato la camera oscura per studiare l'eclissi solare del 24 gennaio 1544.

Prima di arrivare al Rinascimento italiano, nel XIV secolo, durante il quale architetti/pittori/matematici, da Filippo Brunelleschi a Leon Battista Alberti e da Piero della Francesca fino a Leonardo da Vinci, applicando rigorosi metodi matematici hanno definito in maniera fino ad allora sconosciuta le regole della prospettiva, è necessario menzionare altri studiosi medievali che li hanno preceduti. Tra questi vale la pena ricordare in particolar modo lo scienziato/filosofo arabo Al-Kindi (IX secolo) e soprattutto  il matematico, fisico, medico e filosofo Alhazen (XI secolo), nato a Bassora ma trasferitosi presto al Cairo. A quest’ultimo, autore del trattato in sette volumi sull’Ottica Kitab al-Manazir, tradotto in latino da Gherardo da Cremona nella seconda metà del XII secolo, sono attribuite le prime osservazioni relative al passaggio dei raggi di luce attraverso un foro e al loro viaggiare in linea retta senza mai confondersi, generando su una superficie, posta al di là del piano contenente il foro, immagini rovesciate direttamente corrispondenti alle forme degli oggetti dai quali la luce proviene.

Bellissime scientifiche finzioni

Si tratta esattamente della descrizione del principio della camera obscura (o camera oscura, detta anche camera ottica) strumento che finalmente ci porta a parlare del lavoro di Bellotto e Canaletto, noti soprattutto per le vedute di Venezia, ma attivi anche in altre città d’Italia e d’Europa visitate durante viaggi di lavoro o in alcuni casi diventate luogo di residenza (Roma, Firenze, Verona, la Lombardia, Londra, Dresda, Vienna, Monaco di Baviera, Varsavia). All’ingresso della mostra delle Gallerie d’Italia di Milano (visitabile fino al 5 marzo), il primo oggetto che ci accoglie, racchiuso entro una teca trasparente, è proprio una camera oscura portatile in legno appartenuta forse (ma secondo alcuni studiosi probabilmente no) a Canaletto. Il primo quadro della mostra, una tela di Canaletto, è il Campo Santi Giovanni e Paolo (circa 1738), di cui sono arrivati a noi anche gli schizzi preparatori (visibili in mostra su un monitor), fatti certamente con l’ausilio di una camera obscura.

Schizzi preparatori per la tela Campo Santi Giovanni e Paolo (circa 1738) di Canaletto.

Quello che colpisce a prima vista nel quadro è una precisione e un apparente realismo “di qualità fotografica”, ma un confronto diretto con quell’angolo di Venezia, tutt’oggi conservato quasi esattamente come all’epoca del dipinto, permette di scoprire che l’artista ha, sì, operato partendo da una ricognizione fatta per mezzo della camera ottica, ma ha anche arbitrariamente spostato il suo punto di osservazione tra uno schizzo e l’altro, tra una seduta di disegno e l’altra. Così facendo, ma ricomponendo con maestria più “riprese” fatte da punti di osservazione distinti, come dimostrato nel 1959 dallo storico dell’arte e massimo studioso della prospettiva Decio Gioseffi, Canaletto crea l’illusione di un punto di vista unico, più lontano, ma oggettivamente impossibile da realizzare nella pratica per la presenza di edifici al di qua del canale, il Rio dei Mendicanti, che si trova in primo piano nel quadro. Nelle parole della curatrice della mostra, Bożena Anna Kowalczyk: “un’immagine altamente sofisticata, irreale nelle proporzioni dei monumenti e nelle distanze, ma di grande bellezza.”

E qui torniamo alla domanda con cui abbiamo aperto l’articolo: per rappresentare la realtà del mondo preferiamo un pittore o un topografo, un artista o un geometra? La risposta, visti i risultati e soprattutto considerati i procedimenti e le strumentazioni utilizzate, sembra essere meno netta del previsto. Svelato il mistero dell’utilizzo “creativo” di uno strumento di conoscenza oggettiva come la camera ottica opteremmo per un tipo particolare di artista, come appunto Bellotto e Canaletto, che abbia fatta sua un’impostazione come quella qui ben descritta:

“Quelli che s’innamorano della pratica senza la scienza, sono come i nocchieri che entrano in naviglio senza timone o bussola, che mai hanno certezza dove si vadano. Sempre la pratica dev’essere edificata sopra la buona teorica, della quale la prospettiva è guida e porta, e senza questa nulla si fa bene” . Leonardo da Vinci – Trattato della Pittura, parte seconda - 77. Dell'errore di quelli che usano la pratica senza la scienza.

 

Cover: Antonio Canal, detto il Canaletto, Campo santi Giovanni e Paolo, 1738 ca, olio su tela, 46,4x78,1 cm, Londra, Royal Collection. Prestato da Sua Maestà Elisabetta II e visibile nella mostra “Bellotto e Canaletto. Lo stupore e la luce”, dal 25 novembre 2016  al 5 marzo 2017 alle Gallerie d’Italia, Piazza della Scala, Milano.