Dall'atomo all'io

Avventure alle frontiere della scienza

Gianpaolo Bellini

• Publisher: Hoepli
• Year: 2017
• ISBN:
  9788820379551
• Topic: Physical Sciences
• Subtopic: Physics
• Index: Physics

I progressi della scienza non coinvolgono solo pochi addetti ai lavori; in realtà interessano tutti, perché influenzano e modificano aspetti culturali e anche pratici del nostro essere e vivere quotidiano. Per questo tutti dovrebbero conoscere almeno alcuni capisaldi della fisica, dell'astronomia, della biologia, delle neuroscienze. Per esempio: che la materia è ordinata e segue uno schema logico di regole ben determinate; che l'Universo è iniziato all'origine del tempo e da allora si espande continuamente; che l'origine della vita è ancora sconosciuta ma tutti deriviamo da organismi molto semplici esistiti sulla Terra miliardi di anni fa; che il rapporto tra l'Io e il suo cervello si dimostra elusivo e misterioso anche alle più raffinate indagini delle neuroscienze. Rendere accessibili le affascinanti scoperte della scienza mediante un'esposizione semplice, ma aderente al sapere scientifico: ecco la motivazione che ha spinto cinque scienziati di fama internazionale a scrivere questo libro. Prefazione di Giovanni Caprara, Presidente UGIS (Unione giornalisti scientifici italiani).

1.Di cosa sono fatte le cose?

1.1.Cosa nasconde il mondo macroscopico

Viene qui presentata in modo schematico la traccia seguita in tutto il capitolo. Idea guida: malgrado le apparenze la materia è discontinua e sostanzialmente vuota di massa e piena di forze, dato che la massa ne occupa un piccolissimo volume; essa è estremamente ordinata e segue una rete logica di regole.

Le cose che ci circondano nascondono al loro interno un mondo complesso, affascinante e incredibilmente ordinato. Quando per esempio scendiamo lungo una scalinata, non temiamo che i gradini di granito di cui è fatta non ci sostengano perché li sentiamo duri e compatti sotto i nostri piedi. Analogamente appare compatto, duro e solido il corrimano di ferro che la affianca. Usando i soli nostri sensi non abbiamo indizi per pensare che al loro interno scalinata e corrimano sono invece totalmente discontinui, fatti di piccolissime masse tenute fortemente insieme da forze che le legano e collegano l’una con l’altra pur tenendole distanti.

I costituenti alla base della materia sono gli atomi, i quali generalmente si aggregano a formare le molecole grazie a forze di origine elettrica e magnetica. Le proprietà dei vari materiali sono in ultima analisi dovute alle proprietà delle molecole, ovvero degli atomi che le compongono e del loro modo di aggregarsi, creando insieme strutture di grande versatilità pur sottostando a regole rigide. Ci sono diversi tipi di atomi: sono poco meno di un centinaio e compaiono tutti nella famosa tavola periodica esposta nelle aule di chimica, dove gli atomi (detti elementi) sono elencati al crescere della loro massa e classificati in base alla similitudine delle loro proprietà chimiche. La stabilità degli atomi e delle molecole assicura la stabilità della materia e, in ultima analisi, la stabilità della materia presente nell’Universo.

Per tornare alla scalinata e al corrimano, le qualità su cui noi facciamo affidamento quali solidità e durezza (ma anche conducibilità termica, malleabilità ecc.), si devono agli atomi e ai legami che li tengono insieme in strutture molecolari, che a loro volta si aggregano variamente fino a formare il granito e la lega metallica.

Lo studio della costituzione della materia a partire da atomi e molecole è stato perseguito dapprima dai chimici il cui lavoro, a partire più o meno dall’inizio dell’Ottocento, ha portato a capire che la materia è fatta di atomi (è del 1869 la formulazione della tavola periodica degli elementi a opera di Mendeleev) e a comprendere le leggi cui gli atomi obbediscono nel formare le molecole e quindi la materia del nostro mondo quotidiano.

In questo capitolo vogliamo sviluppare tre concetti chiave:

1.tutte le forze che esistono in natura sono derivate dall’azione congiunta o separata di solo quattro forze;

2.lo spazio occupato dalla materia è sostanzialmente vuoto anche su scala ultramicroscopica; è pieno di forze mentre la massa è concentrata in volumi piccolissimi;

3.la materia non è caotica, ma è retta da una rete ben precisa di regole cui obbediscono senza eccezioni i suoi costituenti a qualunque scala, microscopica o macroscopica che sia.

È giunto il momento di precisare cosa si intenda per massa. Nella “vulgata” la massa di un oggetto viene considerata come la quantità di materia che lo costituisce e che ne determina il peso. Nel nostro mondo quotidiano (che chiameremo mondo macroscopico) la massa è una caratteristica intrinseca di ogni oggetto che dipende solo da due caratteristiche, la densità e il volume; essa, moltiplicata per l’accelerazione di gravità, dà il peso del corpo. Se si indica con m la massa, con g l’accelerazione di gravit๠e con p il peso, vale la relazione p = mg (vedi Massa e peso).

Massa e peso

La massa può essere definita in un modo statico (massa gravitazionale) o in modo dinamico (massa inerziale). La massa gravitazionale di un corpo è collegata al peso dall’accelerazione di gravità, cioè moltiplicando la massa per l’accelerazione di gravità si ottiene il peso, e quindi la massa di un corpo è data dal rapporto fra il peso di quel corpo e l’accelerazione di gravità. Posso confrontare due masse utilizzando una bilancia a due piatti, perché essendo l’accelerazione di gravità, in una stessa zona, uguale per tutti i corpi, questa non ha influenza e quindi si confrontano direttamente le due masse. La massa inerziale invece esprime l’inerzia con cui un corpo si oppone quando lo si vuole spostare: se il corpo è più grande e/o ha densità maggiore, la resistenza di un corpo a mettersi in movimento è maggiore. Più precisamente, la massa inerziale viene definita come il rapporto fra la forza applicata a un corpo libero da vincoli e l’accelerazione che il corpo acquista di conseguenza, cioè m = F/a. Nel nostro mondo macroscopico, ove i corpi si muovono a velocità molto piccola in confronto alla velocità della luce, la massa è una costante, che dipende solo dalle caratteristiche del corpo al quale si riferisce. Si può mostrare, attraverso esperimenti, che le due masse, inerziale e gravitazionale, sono uguali. Per capire meglio e in modo semplice il concetto di massa possiamo fare l’esempio dell’astronauta che sulla Terra ha un certo peso e che, sbarcato sulla Luna, ha un peso minore. Il suo organismo e le sue caratteristiche, e quindi la sua massa, non sono cambiati per nulla: quella che è diversa è l’accelerazione di gravità che sulla Luna è un sesto di quella sulla Terra. L’astronauta sulla Luna peserà perciò un sesto di quanto pesava sulla Terra.

Ritornando al mondo microscopico parliamo di tre concetti fondamentali, che riassumono sostanzialmente le proprietà basilari della materia. Iniziamo dal primo concetto parlando di forze.

Tutte le forze della natura si riducono a quattro, due della quali sono due aspetti della stessa forza (vedi oltre) e quindi, in ultima analisi, le forze della natura sono di fatto tre.

La prima è la forza gravitazionale, che ci àncora alla Terra. In sua assenza saremmo tutti proiettati nello spazio dalla forza centrifuga generata dalla rotazione della Terra: sarebbe come stare su una giostra senza la cintura che ci tiene legati al seggiolino. Ma la forza gravitazionale tiene insieme anche il sistema solare, lega la Luna alla Terra, impedisce che le Galassie che ruotano su se stesse si dissolvano nello spazio. La forza gravitazionale è di gran lunga la più debole delle quattro forze della natura, ma agisce a lungo raggio.

La seconda è la forza elettromagnetica, responsabile dei legami tra atomi entro ogni molecola; è anche la forza che tiene insieme i componenti dell’atomo. L’atomo infatti è costituito da un nucleo atomico, intorno al quale si muovono i leggerissimi elettroni. I nuclei sono carichi positivamente e gli elettroni negativamente: essi stanno insieme perché attratti dalla forza elettrica, ma non precipitano sul nucleo perché, come vedremo, sono stabilizzati in livelli quantizzati. La massa dell’atomo è concentrata essenzialmente nel nucleo, mentre gli elettroni hanno una massa molto piccola.

I nuclei atomici a loro volta sono costituiti da due tipi di particelle: i neutroni (elettricamente neutri) e i protoni (carichi positivamente), vincolati a stare nel nucleo da una forza molto più intensa di quella elettromagnetica, che viene chiamata forza nucleare forte. Ecco la terza forza, che ha un raggio d’azione molto corto. Tuttavia il protone e il neutrone non sono l’ultimo tassello, non sono particelle elementari cioè indivisibili, ma sono costituiti a loro volta da particelle ancora più piccole, praticamente puntiformi, tanto che l’attuale tecnologia non è in grado di misurarne le dimensioni. A queste particelle viene dato il nome di quark. Sono ancora le forze nucleari forti che tengono i quark legati molto strettamente all’interno del protone e del neutrone, nonché all’interno di altre particelle non presenti stabilmente nella materia, come vedremo in seguito.

Infine, la forza nucleare debole agisce anch’essa all’interno dei nuclei e delle particelle, ma è molto più debole della forza nucleare forte, più debole anche della forza elettromagnetica. Per capire la funzione di questa forza, ricordiamo quanto abbiamo detto sulla costituzione dell’atomo: la materia è fatta essenzialmente da tre particelle, protone, neutrone, elettrone. In aggiunta c’è un’altra particella, il neutrino, che non si trova nella materia e che si palesa in alcune trasformazioni spontanee dei nuclei. Il neutrino è una particella neutra, di massa piccolissima (non si è ancora riusciti a misurarla) che interagisce pochissimo con la materia cui è legato proprio dalla forza nucleare debole. Si è dimostrato che la forza nucleare debole e la forza elettromagnetica sono due aspetti di una stessa forza detta elettrodebole.

Passiamo quindi al secondo concetto: la materia è praticamente vuota (di massa) e piena di forze. Le uniche particelle elementari, cioè indivisibili, sono gli elettroni e i quark, le cui dimensioni sono così piccole da non poter essere misurate ma nelle quali tuttavia è concentrata la massa presente nella materia: nello spazio in cui siamo immersi il volume occupato dalla massa è piccolissimo, tutto il resto è vuoto, cioè senza massa. Ci rendiamo conto di come lo spazio sia vuoto guardando l’Universo intorno a noi: stelle e astri ne occupano una parte piccolissima. È meno noto però che ciò avviene anche nel mondo atomico e subatomico e in scala molto maggiore: il volume occupato dalle masse delle particelle elementari non si riesce neppure a misurare! Ma cosa percepiscono allora i nostri sensi quando scendiamo la scalinata appoggiandoci al corrimano? Non sono le masse impenetrabili del granito e del corrimano che ci permettono di scendere saldi? No, la scalinata e il corrimano appaiono compatti e solidi non per l’incompenetrabilità delle masse con cui sono fatte le sostanze che li compongono, ma per le forze – elettromagnetiche e nucleari, forti e deboli – che agiscono tra i loro costituenti e sono sempre attive entro tutto lo spazio, vuoto o pieno che sia.

Quando si parla di struttura elementare della materia ci si riferisce proprio agli elementi base che formano la materia. In questo contesto lo studio della struttura elementare parte dalla molecola singola, scende fino all’atomo, poi fino al nucleo, alle particelle subnucleari e ai loro componenti elementari.

La materia risulterebbe in definitiva strutturata in quattro particelle – protone e neutrone (costituiti da quark), elettrone e neutrino – e in tre forze – elettrodebole (elettromagnetica e nucleare debole), nucleare forte, gravitazionale.²

È veramente così? Nel 1937 avvenne qualcosa di inaspettato: studiando i raggi cosmici, cioè particelle che arrivano dal Cosmo e collidono con gli atomi dell’atmosfera ad altissime quote, si osservò una particella non presente stabilmente nella materia e che in brevissimo tempo si trasformava in elettrone più neutrini. Negli anni successivi se ne scoprirono altre che però, tutte molto rapidamente, da qualche milionesimo (10^–6 sec) a qualche milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo (10^–24 sec), si trasformano in altre particelle, stabili e/o instabili. Si usa chiamare decadimento della particella questa trasformazione in altre particelle e vita media il tempo che trascorre tra la sua produzione e il suo decadimento.³ Studiando queste particelle si capì che esisteva un mondo subatomico sconosciuto al quale era possibile ricondurre le proprietà della materia. A partire dagli anni ’50 del secolo scorso si diede inizio a un grossissimo sforzo a livello mondiale per venire a capo di questo mistero e si iniziarono a concepire e a costruire i grandi acceleratori di particelle e di nuclei, attorno ai quali nacquero grossi centri di ricerca negli Stati Uniti e in Europa e si svilupparono rivelatori adatti a osservare e studiare queste particelle. Molte centinaia di fisici hanno lavorato (e lavorano tuttora) da più di cinquant’anni con grande entusiasmo per ottenere un quadro completo di questo universo della fisica subnucleare. E molte risorse sono state destinate a questo studio.

Si è così capito che alla base della materia vi è una rete di regole ben precise che regge il suo funzionamento e questo è il terzo concetto fondamentale qui trattato. Lo studio dell’insieme delle particelle elementari instabili, e naturalmente di quelle stabili, ci ha permesso di capire che alla base della materia vi è una rete, fatta di una serie di regole consequenziali, che regge il suo comportamento in modo mirabile. La cosa importante è che le particelle costituenti stabilmente la materia, protone, neutrone, elettrone nonché il neutrino entrano in questa rete: quindi lo studio delle particelle instabili ci ha fatto capire come si comporta anche la materia stabile.

In questo capitolo illustreremo i vari passi fatti nella comprensione della costituzione elementare della materia, che abbiamo tracciato qui a grandissime linee, facendo riferimento soprattutto a esperimenti che furono cruciali per il progredire di questi studi. Va detto che parallelamente, in un dialogo continuo fra teoria ed esperimenti, si sono sviluppati modelli e teorie che hanno messo in un quadro coerente i risultati raggiunti, e molte volte hanno predetto quanto gli esperimenti avrebbero poi trovato. Data la complessità di queste teorie, di difficile comprensione per i non addetti ai lavori, faremo solo brevi cenni.

Prima di chiudere questo paragrafo introduttivo, è bene però precisare che la costituzione elementare della materia può essere compresa solo alla luce della fisica quantistica relativistica (la branca della fisica che descrive il mondo atomico e subatomico) e in particolare di suoi tre aspetti caratteristici.

Il primo è la relatività ristretta (o speciale). Nel nostro mondo di tutti i giorni, nel quale i movimenti avvengono con velocità molto piccole, sostanzialmente trascurabili, rispetto a quella della luce (~300.000 km/sec), il tempo, le lunghezze, la massa non dipendono dalla velocità, ma solo dalle caratteristiche del fenomeno e ...