Il sito “The Conversation Junior” risponde alle domande dei suoi giovani lettori. La domanda del titolo è stata fatta da Alice di 11 anni. (n.d.r)
Tutto si muove in continuazione, eppure il moto perpetuo è proibito dalle leggi della fisica. Presento qui qualche semplice idea, che vale sia per il mondo infinitamente grande dei pianeti, che per quello infinitamente piccolo degli atomi.
In montagna, scendere giù da una pendenza e risalire quella successiva senza sforzo è un gioco per uno sciatore o un ciclista. Ma il gioco finisce quando gli attriti (la neve o la strada) frenano il movimento.
Soltanto il mondo astronomico sembra seguire un movimento immutabile, come la Terra che gira intorno al Sole con una regolarità sorprendente. Questa regolarità in effetti viene leggermente alterata dalla prossimità degli altri pianeti e corpi celesti.
L’ideale del moto perpetuo è più pratico della contemplazione astronomica: con il movimento, si può tirare fuori del “lavoro”. Così, il flusso del fiume azione il mulino ad acqua, e la turbina produce elettricità. Per realizzare questo lavoro, bisogna fornire energia. Allo stesso modo, per arrivare in cima alla pendenza in bicicletta, c’è stato bisogno di accumulare energia. È questa energia accumulata che si può convertire, in maniera più utile degli attriti, quando si prende velocità, guadagnando energia cinetica man mano che si scende.
L’elemento essenziale è che c’è stata una conversione da una forma di energia in un’altra, ma non è stato realizzato lavoro o energia senza un corrispettivo. Questa legge fondamentale di conservazione dell’energia fa crollare la speranza di costruire una macchina a moto perpetuo.
Questa legge di conservazione è anche chiamata “primo principio della termodinamica”, dal nome della scienza delle macchine a vapore del XIX secolo. Il vapore può far funzionare una turbina elettrica, e l’elettricità può riscaldare un liquido che diventa vapore, ma non ci sarà mai un guadagno netto in questa conversione di energia.
Su scala microscopica sappiamo che il mondo è costituito da atomi, volgarmente descritti un po’ facilmente come un modello planetario, con una processione di elettroni che girano intorno a un nucleo. Ciononostante, poiché elettroni e nucleo sono carichi, il movimento classico di queste particelle richiederebbe una dispersione di energia per irradiamento (un po’ come un’antenna della radio o del telefono che irradia energia). Questo ha reso necessario inventare la “meccanica quantistica”, in cui l’elettrone (o le altre particelle) non è caratterizzato da una posizione e una velocità conosciute. Essendo allo stesso tempo qui e là, la particella quantica si muove, senza che ci sia davvero un movimento che costa energia.
Così, tutto si muove su scala microscopica, ma senza perdita di energia. Anche per quanto riguarda oggetti meno piccoli, e persino per una pietra che fosse perfettamente isolata, può esistere un’oscillazione generale di posizione, in aggiunta alla “fregola” interna dei singoli atomi. È un’oscillazione minima, ma i suoi effetti possono essere riscontrabili. Si tratta prima di tutto di oscillazioni termiche poiché l’oggetto, per quanto isolato, è ancora a temperatura ambientale. Se si abbassa la temperatura fino allo zero assoluto (il congelamento completo di ogni movimento), rimangono delle oscillazioni quantiche che i ricercatori sono in grado di riscontrare. Viene attribuita una energia a queste oscillazioni del vuoto quantico (questo vuoto si rivela pieno di oscillazioni). Tuttavia, estrarre o utilizzare questa energia è probabilmente impossibile allo stesso modo del moto perpetuo.
Daniel Bloch, Direttore di ricerca del CNRS, fisico, specialista di ottica, laser e nanotecnologie, Universita della Sorbona Parigi Nord
Questo articolo è ripubblicato in base a The Conversation su licenza Creative Commons.
Traduzione dal francese di Raffaella Piazza. Revisione di Thomas Schmid.
