La rana che vinse la gravitā 

Storia di un vero esperimento di antigravità

  • In Articoli
  • 10-01-2006
  • di Andrea Parlangeli
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Quel giorno in cui cominciò la storia della rana volante era un giorno come tanti altri, nel Laboratorio degli Alti Campi Magnetici dell'università di Nijmegen (oggi Radboud University), nei Paesi Bassi. Era una domenica mattina del 1997, e il laboratorio era quasi deserto. C'ero io, che effettuavo gli esperimenti per il dottorato, e c'erano il professore Andre Geim, dell'università di Nijmegen, e il suo collaboratore Humberto Carmona, dell'università di Nottingham (Uk).

Io ero assorto nei miei esperimenti, quando a un tratto fui sorpreso dalla voce trionfante di Geim che strillava: "Levita!". Andai a guardare. E vidi, all'interno di un magnete, un pezzo di legno che fluttuava nell'aria, apparentemente libero dall'attrazione gravitazionale. Per riuscirci, Geim aveva generato un campo di ben 16 tesla, cioè trecentomila volte più intenso di quello terrestre.

Dopo il legno, fu la volta di un pezzo di plastica, un frammento di formaggio, uno di pizza e una goccia d'acqua. Si poteva far volare di tutto ed era sorprendentemente facile: bastava mettere gli oggetti nel punto giusto all'interno del magnete, vicino all'estremità superiore della cavità interna. Ma Geim non era ancora soddisfatto. Già nel 1991, i francesi Eric Beaugnon e Robert Tournier avevano fatto levitare oggetti non metallici (e acqua) a Grenoble, in Francia. E così Geim pensò alla rana: con un essere vivente non ci aveva provato ancora nessuno. Ci vide bene: ben presto alla rana volante s'interessarono Cnn, Bbc, Discovery Channel, i quotidiani e i periodici come Focus. Ma anche molti fisici e molte persone comuni.

Antigravità?

Sia ben chiaro: la levitazione magnetica non ha nulla a che fare con l'antigravità. "Le leggi fisiche note escludono che l'interazione gravitazionale possa essere disattivata da alcun mezzo, magnetico o altro" ha scritto su Scientific American Andrew Trupin, del Vassar College di New York. "Si può produrre una forza magnetica uguale e opposta per controbilanciare la spinta della gravità, ma la gravità stessa non può essere disattivata". Fu proprio la forza magnetica a consentire alla rana di levitare nell'esperimento di Nijmegen: la gravità era stata bilanciata, non annullata.

Ma come può un campo magnetico agire su un oggetto non magnetico, come una rana? La sorprendente risposta è che tutti i materiali reagiscono a un campo magnetico. Solo che spesso non ce ne accorgiamo, perché per vedere qualche effetto sugli oggetti considerati "non magnetici" sono necessari campi molto intensi.

Gran parte delle sostanze che ci circondano, in particolare acqua, piante e animali, sono infatti "diamagnetiche". In altre parole, sono respinte (anche se debolmente) dalle calamite. Ciò è dovuto al fatto che i loro atomi si deformano e reagiscono come piccoli magnetini che si oppongono al campo esterno. Se il campo esterno è di 10 tesla, il campo di risposta generato dagli atomi della rana è di circa 2 gauss, 50 mila volte più piccolo. Poco, ma misurabile: è un valore perfino maggiore di quello del campo magnetico terrestre, che ha un'intensità media di circa 0,5 gauss.

Insomma, una calamita attrae un chiodo e repelle una rana. Ma mentre l'attrazione del ferro è evidente, la repulsione della rana è normalmente impercettibile, visto che è circa un miliardo di volte meno intensa.

Teorema beffato

Una volta ottenuta la levitazione e compresa la sua causa, Geim si accorse che questo fenomeno sembrava beffarsi di un teorema ottocentesco, il teorema di Earnshaw, secondo il quale non può esistere alcuna distribuzione di cariche elettriche e di magneti che permetta la levitazione stabile: sarebbe come cercare di far stare in piedi una matita sulla punta.

Geim capì che il teorema vale sì per oggetti come le calamite o il ferro (provate a far levitare un chiodo), ma non per i materiali diamagnetici. Si può infatti dimostrare che questi ultimi non soddisfano le ipotesi necessarie alla validità del teorema, perché non sono composti da una distribuzione fissa di cariche elettriche, ma le loro proprietà magnetiche nascono dal movimento delle particelle all'interno degli atomi.

Questa eccezione, però, era stata ignorata per più di un secolo.

Treni e astronavi

La levitazione magnetica ha anche alcune applicazioni pratiche (o quasi). Innanzitutto ci sono i treni a levitazione maglev, che non hanno attrito con le rotaie. I prototipi giapponesi sono capaci di superare i 550 km/h, ma le applicazioni commerciali sembrano ancora lontane, a causa soprattutto degli elevati costi per raffreddare i materiali superconduttori usati.

Un'altra applicazione, nel campo della ricerca, è quella di simulare l'assenza di gravità che si verifica nelle astronavi in orbita. Nello spazio, i muscoli si atrofizzano, le ossa perdono minerali, le piante crescono in maniera disordinata e i fluidi si muovono diversamente. Studiare questi fenomeni interessa alle agenzie spaziali come la Nasa e l'Esa, ma anche a università ed enti pubblici. Per esempio, il deterioramento delle ossa nello spazio potrebbe essere legato a malattie come l'osteoporosi, mentre grazie agli studi di fluidodinamica si possono migliorare i processi di combustione e propulsione delle astronavi.

L'ideale sarebbe studiare questi fenomeni nello spazio. Ma le missioni spaziali scientifiche sono rare, brevi e costose. E allora la levitazione diamagnetica offre la possibilità di studiare la microgravità in laboratorio e a costi ridotti.

Levitazione umana

Rimane, però, ancora un dubbio: quali sono le conseguenze dell'esperimento per la salute degli esseri viventi come la rana? Non lo sappiamo, ma Geim precisa che i campi magnetici statici sono verosimilmente innocui per gli organismi viventi, uomo compreso: "In un esperimento, alcuni volontari hanno passato fino a 40 ore all'interno di un magnete da 4 T, senza che fosse rilevata alcuna conseguenza" dice Geim. Bisogna anche notare che campi magnetici di diversi tesla sono usati negli ospedali per visualizzare i tessuti interni tramite la tecnica della risonanza magnetica.

A questo punto ci si può chiedere se sia possibile far levitare un essere umano. E la risposta è positiva: dal punto di vista delle proprietà magnetiche non siamo molto diversi dalle rane... lo aveva capito anche il capo di una setta religiosa in Gran Bretagna (Church of the Latter Day Snakes). Il santone aveva offerto agli scienziati un milione di sterline per una macchina che gli permettesse di levitare di fronte alla sua congregazione, ma ha ottenuto soltanto che la sua richiesta fosse ridicolizzata su internet (www.hfml.science.ru.nl/levitation-pubres.html ).

Se proprio si volesse relizzare la levitazione umana, comunque, sarebbe necessario un magnete molto grande. Secondo gli ingegneri del Laboratorio nazionale degli alti campi magnetici di Tallahassee (Usa) "far levitare un essere umano richiederebbe uno speciale magnete di 40 T e circa 1 miliardo di watt di continuo consumo di potenza". E al momento non è ancora conosciuta una tecnologia capace di raggiungere questi risultati.

Il premio (Ig) Nobel

Dopo tanto lavoro, quali riconoscimenti hanno ottenuto gli scienziati coinvolti in queste ricerche? Oltre alla pubblicazione di articoli scientifici e all'attenzione dei mass media, un premio ironico: l'Ig Nobel, rilasciato dall'università di Harvard (Usa) agli autori delle ricerche più "improbabili".

Geim, nella cerimonia di premiazione, ha enfatizzato l'interesse ricevuto da moltissime persone nei confronti della loro ricerca: "Le lettere giungevano dagli ingegneri che volevano usare la levitazione per qualsiasi cosa: dal riciclaggio dei rifiuti e dalla lavorazione dei materiali alla levitazione delle scarpe sportive e dei gioielli nelle vetrine dei negozi. Giungevano lettere da colleghi fisici, alcuni dei quali hanno ammesso che dopo aver saputo della rana hanno finalmente capito alcuni dei loro vecchi risultati o artefatti sperimentali. Se ne interessavano chimici e biologi che non volevano aspettare uno Space Shuttle e si sono resi conto che potevano effettuare esperimenti di microgravità in un magnete. Militari e pensionati, carcerati e preti senza alcuna istruzione in fisica hanno scritto perché volevano imparare qualcosa della magia del magnetismo e usarlo. Qualche volta le loro idee erano brillanti e inaspettate, qualche volta erano chiare cantonate, qualche volta ridicole o perfino matte, ma sempre creative".

Andrea Parlangeli
Giornalista, è redattore presso il mensile Focus. Tra i suoi libri "Rane volanti e altre magie" (Edizioni Avverbi).