La fisica da cui tutto parte

Nella pagina di introduzione abbiamo promesso di salire la scala dell'informatica partendo dal gradino più basso, e questo primo modulo mantiene la promessa scendendo ancora più in giù, fino alla fisica, perché ogni computer, per quanto veloce e complicato, resta in fondo un pezzo di materia che obbedisce alle leggi della natura come le obbediscono un sasso che cade, una pentola che riscalda o una calamita che attira. Tutto ciò che incontreremo nei prossimi moduli, dalle resistenze ai transistor, dai circuiti stampati ai processori e alle reti che attraversano i continenti, sarà fatto di elettroni in movimento sotto comando, ed essi sono soggetti fisici veri con un peso, una carica e delle abitudini rigorose, quindi conoscere le regole del loro mondo è il modo migliore per arrivare a chiedergli, un giorno, di fare i conti al posto nostro.

Per disporre in ordine questo mondo partiremo da una visione a strati chiamata Fisica Ontologica, che dispone la realtà come una torta di dieci strati, dai livelli più astratti fino alle particelle che possiamo pesare nei laboratori, e la useremo con lo spirito con cui si studia una mappa prima di un viaggio, per orientare i passi tenendo presente che ogni mappa resta più semplice del territorio che rappresenta. I prossimi paragrafi attraversano i dieci strati con calma, parola per parola, poi scendono alla fisica domestica degli atomi, delle correnti e delle calamite, che è quella che serve davvero per capire cosa succede dentro la scatola del computer, e chiudono il capitolo con una mappa che mostra dove ricomparirà ogni concetto nei moduli successivi.

Il primo strato ospita le proprietà pure, cioè qualità che esistono da sole, senza cose che le possiedano, senza spazio intorno e senza tempo che scorra, un insieme di possibilità regolato da un principio di non contraddizione che funziona come il regolamento più antico dell'universo, perché eliminando ogni cosa resterebbe comunque l'impossibilità di eliminare le regole stesse, e proprio questo rende il nulla assoluto impossibile. Pensalo come il regolamento di un gioco scritto prima di qualunque pedina, o come le regole della grammatica che restano vere anche quando nessuno parla, un fondamento logico che precede ogni materia e che darà, strato dopo strato, una forma a tutto il resto.

Sul secondo strato, da quel fondamento, emerge una topologia, cioè una geometria della vicinanza in cui le proprietà cominciano a correlarsi come vicini di casa che prima ignorandosi scoprono di abitare nella stessa via. Ed è qui che nasce l'entanglement, quel legame per cui due proprietà lontane appartengono fin dall'inizio allo stesso insieme coerente, come due campanelle dello stesso citofono che suonano insieme anche se una sta in cortile e l'altra in soffitta, e questa coerenza condivisa diventerà, più avanti nella torre, la materia prima di cui sono fatti lo spazio e perfino il tempo.

Il terzo strato introduce lo spazio di Hilbert, un ambiente matematico nel quale le proprietà smettono di comportarsi come interruttori accesi o spenti e diventano vettori, cioè frecce con una direzione e una lunghezza, sospese tra uno stato implicito, che è la sfera di tutte le possibilità ancora aperte, e uno stato esplicito, che è la singola possibilità scelta e osservata. Proprio qui, senza doverla inventare da zero come un'aggiunta arbitraria, nasce la matematica quantistica che i fisici usano ogni giorno per predire i risultati degli esperimenti, e quel che conta per noi è l'intuizione che una possibilità possa avere un peso preciso anche prima di essere scelta.

Il quarto strato fissa la regola di Born, che assegna a ogni possibilità implicita un peso, cioè la misura della sua propensione a diventare esplicita, come quando una roulette gira velocissima e ogni numero conserva comunque la sua probabilità precisa di fermarsi in alto. Nel modello questo peso si ricava dal quadrato della lunghezza del vettore dello strato precedente, un dettaglio tecnico che puoi tenere da conto, e ciò che rende la regola speciale è che essa risulta l'unica compatibile con tutto il resto della struttura, come una chiave che gira in una sola serratura di tutta la casa.

Il quinto strato trae dai pesi una conseguenza che ancora oggi stupisce chi la incontra per la prima volta, ed è che la distanza stessa deriva dal grado di entanglement, così due gradi di libertà molto correlati risultano separati da poco spazio, come due persone che si scrivono ogni giorno finiscono per vivere vicine nella propria percezione, mentre due proprietà quasi indifferenti restano lontanissime. La geometria dello spazio emerge così dal tessuto dei legami, invece di essere un palcoscenico prestabilito dentro cui le cose si muovono, e questo ribalta l'intuizione comune secondo cui esistesse prima lo spazio e poi le cose.

Il sesto strato colloca qui la gravità, che in questa visione si presenta come curvatura dello spazio e insieme come risposta termodinamica, cioè come la reazione di un tessuto di tanti legami microscopici quando viene sollecitato, un po' come la superficie elastica di un trampolino che si deforma sotto chi ci salta. Nella stessa asimmetria che spinge il calore dai corpi caldi verso quelli freddi nasce anche la freccia del tempo, il motivo per cui le uova si rompono sul pavimento della cucina e non si ricompongono mai da sole, e per cui il passato resta fermo mentre il futuro resta aperto.

Il settimo strato propone un'algebra detta ottonionica, costruita su numeri con otto componenti le cui regole di moltiplicazione si rifiutano persino di essere associative, e che richiede undici dimensioni in tutto, delle quali solo tre spaziali e una temporale ci sono familiari, mentre le altre sette restano arrotolate su scale troppo piccole per essere osservate, come un tubolare avvolto su se stesso che di lontano sembra un filo. Puoi immaginarle come dimensioni rintanate dentro ogni punto dello spazio, presenti nella legge fisica e assenti dai nostri occhi, e il fatto che una teoria debba chiamarle in causa per funzionare ci dà la misura di quanto il fondamento sia lontano dall'esperienza quotidiana.

L'ottavo strato seleziona le simmetrie sopravvissute di questo edificio nascosto, raccolte in una struttura matematica chiamata gruppo G2, e queste simmetrie resistono proprio lì dove la geometria curva presenta dei punti singolari, cioè delle pieghe particolari. Ed è da queste simmetrie che nascono tre delle forze della natura, cioè la forza forte che tiene insieme i nuclei, la forza debole che governa certi decadimenti radioattivi e la forza elettromagnetica, e puoi già segnarti questo ultimo nome, perché è lei la protagonista di tutti i circuiti che costruiremo insieme nei prossimi moduli.

Il nono strato presenta i campi di gauge e il bosone di Higgs, cioè le stesse strutture vettoriali nate al terzo strato, ormai vestite di una posizione precisa dentro lo spaziotempo emerso nel frattempo, come un'idea che prima galleggiava nella testa e poi si siede a un posto preciso intorno al tavolo. Qui i pesi del quarto strato diventano masse e le correlazioni diventano interazioni locali, regolate da scambi di particelle messaggere, e il vocabolario del regno dell'implicito si è ormai tradotto in corpi che occupano luoghi e rispondono a spinte precise.

Il decimo strato compie il passaggio che più ci riguarda, perché i campi cessano di essere sfumati e si graneliano in particelle, i quanti minimi di ogni campo, increspature localizzate che possiedono energia, carica e impulso, ed è qui che la gerarchia completa diventa l'universo osservabile di galassie, stelle, pianeti e, sul nostro piccolo pianeta, computer. Tra queste particelle c'è l'elettrone, con la sua carica negativa e la sua instancabile leggerezza, e da questo momento in poi la nostra storia avrà un solo protagonista, perché ogni corrente, ogni segnale e ogni bit che incontreremo sarà, in fondo, un mucchio di elettroni spostati con ordine.

Serve qui la stessa nota di onestà che trovi anche nella pagina della Fisica Ontologica, ed è che questa costruzione a strati è un modello teorico ancora in discussione, usato in questo percorso come cornice narrativa capace di mostrare come il mondo fisico si depositi per gradi, e non come una verità definitiva da imparare a memoria. Per costruire e capire un computer basta poi scendere molto più giù, fino alla fisica di tutti i giorni, dove la materia è fatta di atomi, e da qui in avanti ogni numero che ti daremo sarà misurabile con gli strumenti di una scuola o di una cucina, lontano da qualunque speculazione.

Un atomo è un edificio minuscolo, con un diametro di circa dieci alla meno dieci metri, cioè la decima parte di un miliardesimo di metro, e dentro questo edificio quasi tutto è vuoto, perché il nucleo, fatto di protoni con carica elettrica positiva e di neutroni privi di carica, misura appena dieci alla meno quindici metri, centomila volte più piccolo dell'atomo intero, come una nocciolina ferma al centro di uno stadio mentre le gradinate più lontane ospitano gli elettroni. Gli elettroni portano carica negativa, sono quasi duemila volte più leggeri del protone, e la carica di ciascuno vale 1,6 per dieci alla meno diciannove coulomb, una quantità così piccola che servono circa sei miliardi di miliardi di elettroni per comporre un singolo coulomb, il che ti dà la misura di quanta folla debba muoversi dentro un filo per alimentare anche solo una piccola lampadina.

La proprietà degli elettroni che più ci interessa, ai fini dell'elettronica, è il modo in cui sono legati al proprio atomo, perché nei metalli, come il rame dei fili, alcuni di loro sono liberi di spostarsi da un atomo all'altro come ospiti che circolano tra le stanze di una casa senza cancelli, e si parla per questo di un gas di elettroni, un modello che immagina quei portatori come un gas racchiuso nella griglia metallica, con una densità che nel rame supera gli ottantacinquemila miliardi di miliardi per ogni centimetro cubo. La loro corsa personale è caotica e lenta, spesso solo qualche millimetro al minuto, eppure quando una batteria esercita una spinta tutta la folla scivola insieme in un verso, e la spinta viaggia lungo il filo quasi alla velocità della luce, molto più in fretta di qualunque singolo corridore.

Negli isolanti, come la plastica o il legno secco, gli elettroni restano invece legati al proprio atomo come mobili piantati nel pavimento, perché i legami chimici che li tengono richiedono una soglia di energia molto più alta di quella che una batteria può offrire, e per questo un isolante si lascia attraversare dalla carica con estrema riluttanza. Tra i due estremi del metallo e dell'isolante esiste una zona intermedia, ed è quella dei semiconduttori, materiali come il silicio, che è il secondo elemento più diffuso nella crosta terrestre dopo l'ossigeno e del quale la sabbia delle spiagge è piena, e la sua dote preziosa è che la conduttività può essere regolata con precisione aggiungendo piccolissime dosi di impurezze durante la crescita dei cristalli, così da ottenere zone che conducono quasi come metalli e zone quasi isolate dentro lo stesso minuscolo chip. Questa regolabilità ha reso il silicio il cuore di tutta l'elettronica moderna, perché i transistor, gli interruttori comandati elettricamente di cui parleremo tra due moduli, nascono proprio da strati di silicio trattati in questo modo.

Quando due zone con carica diversa si trovano vicine, intorno a loro si instaura un campo elettrico, una spinta invisibile che riempie lo spazio e che esercita una forza su qualunque altra carica si trovi a passare, come la pressione dell'acqua che preme sulle pareti di un tubo anche dove l'acqua è ferma. Il campo si misura in volt per metro, e il suo valore dipende da quanta carica l'ha generato e da quanto vicine sono le cariche opposte che lo alimentano, tanto che tra le due lamine di un piccolo condensatore caricato, ravvicinate come le facce di un libro chiuso, il campo può diventare enorme pur essendo piccola la spinta tra le lamine. Quello che devi tenere presente, per ora, è che il campo è il meccanismo con cui le cariche si spingono a distanza, senza contatto, attraverso il vuoto, l'aria o la plastica di un case.

L'energia che una carica possiede per il solo fatto di trovarsi in un certo punto del campo si chiama potenziale elettrico, e l'idea più semplice per immaginarla è l'altezza di un secchio d'acqua appeso a una scala, perché l'acqua in alto possiede energia in più rispetto a quella in basso ed è pronta a scendere e a lavorare. Il potenziale si misura in volt, che equivalgono a un joule per ogni coulomb di carica, e poiché conta solo la differenza tra due punti, come conta solo il dislivello tra due piani di una casa, nella pratica si parla di tensione, cioè di differenza di potenziale tra due punti del circuito. Il multimetro, nella sua modalità volt, la misura appoggiando due puntali ai due punti e lasciando passare dentro di sé una corrente minuscola, quasi nulla, grazie a una resistenza interna di circa dieci milioni di ohm, così da leggere la tensione disturbandola il meno possibile.

Se la tensione è la spinta, la corrente è la corsa, cioè il flusso di cariche che attraversa una sezione di filo in ogni secondo, e si misura in ampere, dove un ampere significa un coulomb al secondo, ovvero quei sei miliardi di miliardi di cariche elementari che sfilano come tifosi sotto un cancello. Per convenzione storica si dice che la corrente va dal polo positivo verso il polo negativo, anche se gli elettroni, essendo negativi, camminano in verso opposto, e questa convenzione è rimasta così radicata che oggi la si usa ancora nei circuiti come se le cariche positive fossero i corridori. Quando il flusso scorre sempre nello stesso verso, come nella pila o nella batteria, si parla di corrente continua, ed è quella che alimenterà tutti i nostri esperimenti, e una piccola spia a LED si accontenta di pochi milliampere, cioè millesimi di ampere, mentre un caricatore di telefonino ne porta qualcuno intero.

Ogni filo, ogni traccia di rame e ogni componente oppone alla corrente una certa opposizione, chiamata resistenza e misurata in ohm, che nel modello idraulico corrisponde alla larghezza del tubo, perché un tubo stretto lascia passare una portata minore a parità di pressione, e così un filo sottile o un materiale avaro di elettroni liberi lascia passare meno corrente a parità di tensione. La relazione che lega le tre grandezze è la legge di Ohm, secondo cui la tensione in volt è il prodotto della corrente in ampere per la resistenza in ohm, e noi la useremo nel prossimo modulo per calcolare la resistenza giusta da mettere in serie a un LED prima di alimentarlo. C'è poi un fatto pratico da sapere, ed è che una resistenza che frena gli elettroni si scalda, trasformando l'energia elettrica in calore, e questo scaldamento è talvolta il compito stesso del componente, come nel tostapane, e talvolta uno spreco da tenere sotto controllo.

Nella presa di casa la situazione cambia aspetto, perché lì la corrente non scorre sempre nello stesso verso e si chiama per questo corrente alternata, dato che la tensione sale e scende con regolarità e in Italia completa cinquanta giri al secondo, cioè cinquanta hertz, dove un hertz significa un ciclo completo al secondo, con il polo positivo e quello negativo che si scambiano il posto cento volte ogni secondo. Il numero di 230 volt che trovi scritto sulle etichette è un valore efficace, cioè una media pensata per dire che quella corrente alternata riscalda e illumina quanto una corrente continua da 230 volt, ed è comodo proprio perché permette di paragonare i due mondi con un solo numero. Questa alternanza, che a prima vista sembra un fastidio, è in realtà la ragione per cui l'elettricità riesce a viaggiare dalla diga o dall'eolico fino alla tua cucina con perdite modeste, e il prossimo paragrafo ti spiega il perché.

Il motivo è il trasformatore, un dispositivo fatto di due avvolgimenti di filo attorcigliati attorno a un nucleo di ferro, nel quale una corrente variabile genera un campo magnetico variabile, e quel campo variante induce nel secondo avvolgimento una tensione diversa dalla prima, più alta se le spire del secondo avvolgimento sono più numerose e più bassa in caso contrario. Funziona soltanto con una corrente che cambia nel tempo, ed è per questo che la corrente alternata ha vinto, alla fine dell'Ottocento, la celebre disputa con la corrente continua voluta da Edison, perché poteva essere alzata a centinaia di migliaia di volt per i lunghi viaggi sulle linee, dove la corrente diventa piccola e le perdite di calore sui fili, che crescono con il quadrato della corrente, si riducono, e poi riabbassata vicino alle abitazioni fino ai 230 volt quotidiani. Anche oggi, quando esistono linee dedicate a corrente continua ad altissima tensione, la regola nelle case resta l'alternata, e tu la riconoscerai dalle etichette dal segno ondulato stampato accanto al numero di volt.

Conviene ora dare nomi e numeri alle due grandezze che paghiamo sulla bolletta, ed sono energia e potenza, perché l'energia è la capacità di compiere un lavoro, si misura in joule, e la potenza è la velocità con cui quell'energia viene usata o prodotta, si misura in watt, e un watt corrisponde a un joule al secondo. Nel mondo elettrico la potenza si calcola semplicemente moltiplicando la tensione per la corrente, così un piccolo LED da quattro volt e quindici milliampere consuma circa sessanta milliwatt, un caricatore di telefonino si attesta intorno ai dieci watt e un asciugacapelli chiede alla presa ben duemila watt, il che spiega perché la sua spina scalda quando il contatto alla presa diventa affaticato.

La bolletta della luce, però, ragiona in unità più comode del joule, ed è il kilowattora la misura che troverai scritta tra i consumi, dove un kilowattora è l'energia divorata da un apparecchio da mille watt tenuto acceso per un'ora intera, ed equivale a tre milioni e seicentomila joule, un numero che spiega da solo perché i fornitori preferiscano un'unità più grande. Per fartene un'idea concreta, una lampadina LED da dieci watt accesa per cento ore consuma esattamente un kilowattora, e al prezzo indicativo di trenta centesimi al kilowattora, che varia da contratto a contratto, quella luce ti è costata circa trenta centesimi, cioè meno di una caramella per cento sere di lettura. Puoi usare questo calcolo mentale, energia uguale potenza per tempo, per stimare in pochi secondi il consumo di qualunque apparecchio di casa, e ti sorprenderà scoprire quanto pesino i dispositivi che scaldano rispetto a quelli che pensano.

Le etichette degli elettrodomestici raccontano tutta la fisica di questo capitolo in una riga, e una volta imparato il vocabolario saprai leggerle come un tecnico, perché troverai scritti i 230 volt e i 50 hertz dell'alimentazione, il segno ondulato che ricorda come la corrente sia alternata, e la potenza in watt, che per un asciugacapelli arriva a 2000 e per un televisore moderno si aggira intorno al centinaio. Con il prezzo del kilowattora in testa puoi tradurre quel numero in soldi, così il phon a 2000 watt, cioè due kilowatt, usato mezz'ora consuma un kilowattora circa e costa trenta centesimi a sessione, mentre il caricatore lasciato attaccato tutta la notte spende molto meno di un centesimo. Ricorda soltanto che il numero stampato è quasi sempre una potenza massima, raggiunta al pieno regime, e i dispositivi moderni che si regolano da soli consumano spesso molto meno in media.

La batteria, e la pila che ne è la sorella piccola, è una macchina chimica che spinge elettroni, perché al suo interno due materiali diversi, chiamati elettrodi, sono immersi in una sostanza pastosa o liquida detta elettrolita, capace di condurre grazie agli ioni, che sono atomi caricati, e la reazione chimica tra elettrodi ed elettrolita strappa elettroni a uno dei due metalli e li spinge verso l'altro, generando tra i poli una tensione stabile. Nelle pile comuni lo zinco cede elettroni al biossido di manganese, nelle batterie ricaricabili più recenti lo scambio può avvenire in senso inverso durante la ricarica, e in ogni caso la spinta dura finché durano i reagenti, cioè finché la chimica ha qualcosa da scambiare, e poi la batteria si esaurisce, anche se a volte è solo un deposito isolante cresciuto su un elettrodo ad aver spento la festa.

Le batterie esistono in tanti formati perché i dispositivi hanno esigenze diverse, e conviene conoscerne almeno le protagoniste domestiche, cioè la pila stilo da 1,5 volt che alimenta telecomandi e giochi, la pila a bottone da tre volt al litio che tiene in vita orologi e schede madri, il blocchetto da nove volt che in realtà nasconde sei piccole celle in fila, e la batteria dell'auto da dodici volt, composta da sei celle al piombo da due volt ciascuna, capace di erogare la corrente grossa che il motorino di avviamento richiede. Accanto alla tensione stampata sul guscio conta anche la capacità, misurata in milliampereora, dove una batteria da duemila milliampereora può regalare duemila milliampere per un'ora oppure duecento milliampere per dieci ore, e la regola d'oro è che tensione e capacità vanno scelte insieme, perché ogni dispositivo esige una tensione precisa e dura più a lungo quanta più capacità gli viene offerta.

Resta infine il magnetismo, che la fisica di casa ci regala come conseguenza diretta delle correnti, perché già nel 1820 un fisico danese, Hans Christian Oersted, vide la bussola deflettere accanto a un filo percorso da corrente, e da quel giorno sappiamo che ogni carica in movimento avvolge la sua traccia in un campo magnetico. Avvolgendo il filo in tante spire consecutive si ottiene un elettromagnete, la cui forza cresce con la corrente e con il numero di spire, e che si spegne con un interruttore come una lampada, e questa docilità lo ha reso protagonista di innumerevoli macchine, dai relè, che sono elettromagneti che chiudono contatti metallici e che equipaggiavano le centrali telefoniche e i primi calcolatori, fino ai motori, dove le spinte tra campi magnetici mettono in rotazione un albero e trasformano elettricità in movimento, come nel trapano o nella lavatrice che ronzano in casa.

Quando i due fenomeni si inseguono a vicenda, il campo elettrico che cambia genera un campo magnetico, e quello magnetico che cambia genera a sua volta un campo elettrico, e la perturbazione diventa autosufficiente e si stacca dal filo per viaggiare da sola nello spazio come un'onda, a una velocità di circa trecentomila chilometri al secondo, che è anche la velocità della luce, perché la luce stessa è una di queste onde elettromagnetiche, solo con frequenze altissime. Lo spettro di queste onde copre le radiofrequenze, dove le stazioni in modulazione di frequenza si aggirano intorno ai cento megahertz, cioè cento milioni di cicli al secondo, e hanno lunghezze d'onda di circa tre metri, scende fino al Wi-Fi domestico a 2,4 gigahertz, cioè duemilacento milioni di cicli al secondo, con le sue onde di circa dodici centimetri, e risale poi di frequenza attraverso l'infrarosso del telecomando fino alla luce visibile, che oscilla centinaia di migliaia di volte più in alto e ci permette proprio in questo momento di leggere lo schermo.

Prima di passare ai banchi di prova, costruiamo la mappa promessa, che riattacca ogni concetto di questo capitolo al posto dove lo incontrerai di nuovo, perché la tensione, la corrente e la resistenza torneranno già nel prossimo modulo, dove la legge di Ohm ci servirà per accendere un LED con la batteria giusta e per capire cosa fa un resistore in un circuito, mentre il silicio e i semiconduttori di oggi diventeranno, nel modulo sulla logica digitale, i transistor che trasformano la corrente in decisioni tra zero e uno. Quei segnali a due livelli saliranno poi nell'architettura di Neumann, dove milioni di interruttori li organizzeranno in istruzioni eseguite una dopo l'altra, i sistemi operativi faranno da padroni di casa assegnando tempo e memoria a ogni programma, e il capitolo finale sulle reti raccoglierà il frutto di tutto il viaggio, perché le onde elettromagnetiche di oggi diventeranno i messaggi che viaggiano su cavi e antenne portandoci Internet. L'energia e la potenza, infine, ti accompagneranno ovunque, dalla batteria del portatile al consumo di un intero centro dati, e ogni volta che leggerai un'etichetta rivedrai il vocabolario di questa pagina.

È arrivato il momento di smettere di guardare e cominciare a toccare, perché questi fenomeni si possono incontrare gratis in casa, con oggetti che hai già nei cassetti, e toccarli con mano lascia un segno nella memoria più profondo di qualunque spiegazione. Tutti gli esperimenti che seguono funzionano con batterie e pile e con strumenti alimentati a batterie, e questa sarà la nostra unica frontiera di sicurezza, perché la presa di casa, con i suoi 230 volt alternati capaci di spingere correnti pericolose attraverso il corpo umano, resta fuori da qualunque prova che faremo insieme, e ogni avvertenza che incontrerai va seguita alla lettera.

Il primo esperimento, il più semplice di tutti, ti chiede un palloncino gonfiato oppure una penna di plastica, i tuoi capelli oppure un maglione di lana, e alcuni pezzetti di carta strappati e sparsi sul tavolo, poi strofina con decisione il palloncino sui capelli per una decina di secondi, avvicinalo piano ai pezzetti e osserva la carta saltare verso l'alto e restare attaccata alla superficie, perché lo strofinio strappa elettroni dagli atomi di un materiale e li trasferisce all'altro, lasciando il palloncino elettrizzato. Il punto raffinato è che la carta è neutra eppure viene attratta, e il merito è di un fenomeno chiamato induzione elettrostatica, per cui la carica del palloncino respinge gli elettroni della carta più lontana e avvicina la carica opposta più prossima, così la forza verso il vicino vince sulla forza verso il lontano, e l'attrazione che vedi è la stessa forza, resa visibile, che tiene gli elettroni legati ai nuclei dentro ogni materiale dell'universo.

Il secondo esperimento arriva da solo in inverno e non costa nulla, perché ti basta toglierti un maglione di lana al buio, dopo averlo portato a lungo sopra una camicia sintetica, e ascoltare i piccoli schiocchi guardando gli spruzzi azzurrastri di luce tra i filati, magari sentendo anche un leggero colpetto sulla pelle, e quella scintilla è la stessa elettricità statica del palloncino, accumulata dallo sfregamento dei due tessuti e scaricata in un colpo solo quando i fili si allontanano abbastanza da permettere il passaggio dell'aria, che di solito isola ma cede quando il campo diventa troppo deciso. Ti racconto anche il rovescio della medaglia, perché la stessa elettricità che qui diverte è un nemico silenzioso nelle fabbriche di circuiti, dove una scarica invisibile può bruciare transistor minuscoli, e per questo chi lavora con l'elettronica indossa braccialetti e tappeti appositi per scaricarsi in modo controllato.

Il terzo esperimento accende una luce con le dita e introduce il primo componente vero, perché ti servono una batteria a bottone da tre volt, come quella piatta e larga che alimenta l'orologio sulla scheda madre del computer, e un LED, cioè un diodo a emissione luminosa, dall'inglese light emitting diode, che è un componente dalla forma di minuscola cupola trasparente capace di trasformare in luce la corrente che lo attraversa, a patto che entri dal suo lato positivo, il piedino più lungo. Prendi la batteria tra pollice e indice, appoggia il LED sopra con i due piedini che toccano i due lati metallici della pila, e se il verso è giusto il LED si accende con una luce ferma, mentre se resta spento basta rigirarlo, e in quel gesto hai già imparato il concetto di polarità, che nel prossimo modulo governerà ogni circuito, insieme alla regola che un LED va protetto con una resistenza non appena la tensione supera di poco la sua soglia.

Il quarto esperimento costruisce una pila da zero e richiede un limone, oppure un pezzo di carta assorbente intriso di acqua e sale in cui avvolgere i due metalli, una moneta di rame e una graffettina di acciaio, oppure un chiodino zincato se ne trovi uno. Fai due piccole incisioni nella polpa del limone, inserisci la moneta da un lato e la graffettina dall'altro, avvicinando le due code il più possibile senza farle toccare, e misura con il multimetro in modalità volt la tensione tra i due terminali, che dovrebbe attestarsi intorno al volt o poco sotto, perché l'acciaio cede elettroni più volentieri del rame e l'acido del limone completa il giro chimico, proprio come nella pila di cui abbiamo parlato. Con due o tre limoni collegati in fila, così che le tensioni si sommino, un LED rosso si accende debolmente nel buio, e se la luce manca il multimetro ti dirà il perché, e avrai prodotto elettricità con una frutta, come faceva Alessandro Volta con i suoi mucchi di dischi metallici più di duecento anni fa, tanto che il volt porta il suo nome.

Il quinto esperimento insegna al multimetro il suo mestiere principale, e per farlo prendi le pile che hai in casa, dalla stilo alla batteria a bottone del terzo esperimento, ruota la manopola dello strumento sulla zona dei volt in corrente continua, spesso indicata da una linea tratteggiata sopra la lettera V, scegliendo il fondo scala dei venti volt, poi inserisci il puntale rosso nel foro segnato dalla V e quello nero in quello marcato COM. Appoggia il rosso sul polo positivo di una pila nuova, il nero sul negativo e leggi il numero, che per una stilo sana starà vicino a 1,5, per il blocchetto delle scale elettroniche intorno a nove e per la batteria a bottone vicino a tre, e ripeti la misura su una pila vecchia raccolta dalla raccolta differenziata per vedere come il numero scenda quando la chimica si è esaurita. In un colpo solo hai imparato a leggere il volt, il simbolo della corrente continua e lo stato di salute di una batteria, tre abilità che il prossimo modulo userà a ogni pagina.

Il sesto esperimento classifica i materiali di casa e allarga il vocabolario del capitolo, perché con il multimetro impostato sulla modalità di continuità, segnalata da un'icona a onda sonora, oppure sulla misura di resistenza, puoi toccare con i due puntali una chiave metallica e sentire il bip oppure leggere una resistenza vicina a zero, provare un pezzo di legno e la guaina di plastica di un cavo staccato e sentire il silenzio assoluto, poi scoprire che un foglio di carta bagnato conduce un pochino grazie ai sali dell'acqua di rubinetto, che l'acqua del rubinetto stessa conduce mentre quella distillata quasi no, e perfino che la mina di una matita, fatta di grafite, conduce abbastanza da far suonare il bip. Ogni oggetto, così, ammette la sua classe, conduttore o isolante, e la scoperta pratica che porterai a casa è che la conducibilità è una questione di gradi, con materiali buoni, cattivi e mediocri, esattamente come ci servirà per i semiconduttori tra due moduli.

Il settimo e ultimo esperimento è il più sorprendente, perché prova che anche tu sei un circuito, e consiste nell'impostare il multimetro sulla misura di resistenza e nell'appoggiare un puntale sul palmo di una mano e l'altro sul palmo della mano opposta, tenendo i due contatti fermi e distesi, e vedrai sul display un numero grande, da qualche decina di migliaia di ohm con la pelle asciutta fino a poche migliaia con le mani umide, e quel numero racconta che il corpo umano conduce la corrente, grazie all'acqua e ai sali che ci compongono, pur resistendo molto più di un filo di rame. È esattamente questa resistenza, però, a rendere la corrente della presa di casa così pericolosa per noi, perché a 230 volt bastano pochi milliampere attraverso il torace per interferire col cuore, e questo esperimento, fatto soltanto con lo strumento a batteria, è anche il motivo più chiaro per rispettare la regola che ci siamo dati all'inizio della parte pratica.

Prima di salutare questo primo gradino, diciamocelo con chiarezza, ed è che questa pagina non cita alcun libro di informatica, e la cosa è voluta, perché il primo gradino attinge alla fisica di base e alla cornice della Fisica Ontologica che abbiamo attraversato insieme, mentre i testi classici dell'informatica, i volumi di architettura, sistemi operativi e reti della libreria di Tutanum, entreranno in scena dal prossimo modulo in poi. È proprio lì che la strada diventa artigianale, perché con batteria, fili, LED e resistenze cominceremo a piegare la corrente ai nostri scopi, quindi quando sei pronto prosegui verso il modulo sull'elettronica, dove i fenomeni visti con la carta, il limone e il palloncino diventeranno circuiti veri.