Dai quark alle galassie

Viaggio dal micro al macrocosmo passando per la Terra, per capire come e perché il Sole e le stelle brillano

Gianpaolo Bellini, Marco Bersanelli, Enrico Bonatti

• Publisher: Hoepli
• Year: 2022
• ISBN:
  9788836008223
• Topic: Biological Sciences
• Subtopic: Science General
• Index: Biological Sciences

Cosa costituisce la materia che ci circonda? Come si è formato il pianeta 11 Terra? Come si evolve l'Universo? Tre luminari, un fisico subatomico, un astrofisico e un geofisico, affrontano la sfida di spiegare la realtà dal microcosmo al macrocosmo. Un libro che tratta dalle particelle elementari alle stelle: per mostrarci che nella struttura della materia non c'è nulla di casuale e che il nostro mondo è un punto infinitesimo negli spazi abissali dell'Universo, tra miliardi di stelle. Il tutto impreziosito dagli ultimi risultati delle ricerche: l'esperimento Borexino ha infatti trovato la spiegazione alla millenaria domanda sul perché il Sole e le stelle brillano, tanto da essere nominato nel 2014 e nel 2020 fra i dieci più importanti risultati del mondo e da ricevere il premio Cocconi dalla Società europea di Fisica. Con prefazione di Roberto Battiston, fisico inserito nella Hall of Fame della Federazione Astronautica Internazionale.

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Che cos’è la materia?

Macromondo e micromondo

Noi abitiamo, fin da quando siamo nati, in un mondo che ha una larghezza, una lunghezza e un’altezza, cioè un mondo a tre dimensioni, che in generale ci appare compatto e soprattutto continuo. Camminiamo per una strada, saliamo le scale, entriamo in casa e tutto ciò su cui ci appoggiamo ci appare continuo. Constatiamo in ogni momento che siamo sottoposti a una forza, la forza di gravità, e che qualunque gesto che noi compiamo è sottoposto a questa forza.

Sulla base di ciò che sentiamo e vediamo in questo mondo – il macromondo – arriviamo a sospettare che la struttura e il comportamento della materia, cioè ciò di cui sono fatte tutte le cose, siano basati su leggi e regole molto diverse da quelle del mondo nel quale viviamo. Quest’altro mondo, il micromondo, regge tutta la materia e determina molti fenomeni che osserviamo inconsciamente nel mondo macroscopico. Ci sono alcune spie che dovrebbero farci sospettare dell’esistenza di questo micromondo: per esempio, gli oggetti colorati, o ancora l’effetto per il quale se illuminiamo con luce gialla un oggetto rosso (che così appare quando è illuminato con luce bianca), questo ci appare nero, oppure ancora la sintesi clorofilliana che fa crescere le piante.

I corpi con i quali abbiamo a che fare sono sottoposti alla forza di gravità della Terra, che avvertiamo come «forza peso»; sono di dimensioni generalmente visibili e hanno un peso, perché la loro massa è sottoposta all’accelerazione di gravità.¹ Non vorremmo che qui il lettore si confondesse perché abbiamo parlato di materia e ora parliamo di massa. Nella vulgata spesso viene detto che la massa non è altro che una porzione di materia. Ciò non è vero perché la materia, della quale sono fatte tutte le cose, comprende la massa e le forze, e, come spiegheremo nei paragrafi successivi, le forze giocano un ruolo molto importante.

Le nostre osservazioni e i nostri modelli, cioè il modo con il quale cerchiamo di rappresentarci i fenomeni del micromondo, si rifanno molto spesso al mondo che ci circonda, che è fatto di materia solida, generalmente compatta e in certi casi liscia; di materia liquida, che non ha una forma prestabilita ma che mostra una continuità; di materia gassosa, che molto spesso è invisibile ai nostri occhi e di cui magari riusciamo a cogliere la presenza con l’olfatto.

Queste caratteristiche del mondo che ci circonda fissano il modo con il quale noi ci rappresentiamo anche cose che non vediamo e delle quali però abbiamo un riscontro di qualche tipo. In altri termini, i modelli che siamo in grado di concepire si rifanno sempre alla nostra esperienza quotidiana e quindi al macromondo che ci circonda, con uno spazio a tre dimensioni, con la massa costante. Se vogliamo capire come la materia funziona e come è fatta, dobbiamo penetrare al di sotto di quanto i nostri sensi ci dicono e cercare di esplorare il micromondo che sta alla base del macromondo. È questa un’avventura che ha coinvolto, solo negli ultimi due secoli, migliaia di scienziati, in particolari i fisici e prima ancora i chimici, i quali hanno dedicato la loro vita a investigare come sia fatta e come funzioni la materia.

Il lettore si chiederà quale sia l’interesse per l’uomo nell’andare a investigare qualcosa che sembra non investire la nostra vita quotidiana. L’aspetto più importante riguarda la nostra capacità di orientarci nel mondo stesso, di comprendere il perché dei fenomeni ed eventualmente di poter influire su di essi. Infatti, per capire perché la materia e tutto ciò che ci circonda si comportino un certo modo, bisogna studiare il micromondo e anzi, come vedremo, addirittura componenti che non esistono nella materia e che bisogna produrre e studiare in tempi brevissimi.

Quando ci si addentra nel micromondo si osservano dei comportamenti in contrasto con quello che vediamo nel macromondo. Così si osservano velocità anche estremamente elevate, che possono arrivare all’80-90% della velocità della luce, pari a 300.000 km/s, che risulta essere la massima velocità raggiungibile nell’Universo; quando un corpo viaggia a velocità non trascurabile rispetto a quella della luce, la sua massa non è più costante, ma aumenta con la velocità. Inoltre i concetti di spazio e tempo vengono sostituiti da quello di spazio-tempo come un tutto unico, e quindi si ha a che fare con uno spazio a quattro dimensioni, cioè le tre dimensioni dello spazio in cui viviamo (larghezza, lunghezza, altezza) più il tempo. Uno spazio a quattro dimensioni è difficile da concepire per noi che viviamo in uno spazio a tre dimensioni.

In questo capitolo vogliamo trascinare il lettore in questa affascinante avventura che ci fa inoltrare nel micromondo come in una esplorazione dei romanzi di Jules Verne, o, per rifarsi a un romanziere moderno, di Bruce Chatwin.

Particelle elementari e forze

Quando si affronta la descrizione della composizione elementare della materia, ci si trova spesso di fronte allo scetticismo o al disinteresse di parte delle persone che non hanno dimestichezza con la scienza, le quali magari hanno dei dubbi sul fatto che realmente esista un micromondo così strutturato, oppure pensano che questa sia una fissazione dei fisici o ancora ritengono che sia di poco interesse. Credo che questo scetticismo potrebbe essere in parte attenuato se riuscissimo a spiegare, come tentiamo di fare in questo libro, che la conoscenza dei costituenti elementari della materia è di grande aiuto per capire il funzionamento dell’Universo; in altre parole, la conoscenza dell’infinitamente piccolo aiuta a capire l’infinitamente grande.

I fisici che studiano questi aspetti, e che magari passano le notti accanto all’acceleratore di particelle ai cui fasci² sono esposti i rivelatori del loro esperimento, hanno due tipi di atteggiamenti. Alcuni pensano che sia semplicemente il loro lavoro, anche se comunque di grande interesse, mentre altri pensano che questo loro lavoro possa portare un tassello, anche se piccolissimo, a una maggiore conoscenza dell’Universo e di tutto quanto ci circonda.

Entrando ora nel merito, anche se forse tutti hanno percepito in qualche modo che la materia è fatta di atomi e di molecole, è bene fare una premessa. L’atomo è costituito da un nucleo, nel quale è concentrata tutta la massa, circondato da un numero di elettroni di carica elettrica negativa pari alle cariche elettriche positive del nucleo. A sua volta il nucleo è costituito da particelle, delle quali parleremo più tardi e che si chiamano protoni e neutroni; i protoni sono dotati di carica elettrica positiva, i neutroni invece sono privi di carica. Quindi il nucleo ha una carica elettrica positiva pari al numero dei protoni dei quali è costituito, insieme ai neutroni. Il numero di neutroni è variabile. Le dimensioni dell’atomo sono 10.000 volte più grandi di quelle del nucleo.

Gli elettroni circondano il nucleo portando a zero la carica elettrica dell’atomo; essi infatti, quando l’atomo è nello stato fondamentale, sono in numero pari a quello dei protoni del nucleo.

Per particelle elementari si intendono i componenti base della materia che non sono ulteriormente divisibili, cioè non sono a loro volta composti da altre particelle più elementari^*. È certamente fondamentale studiare le particelle elementari perché svolgono una funzione simile a quella dei mattoni di cui è fatta una casa, mentre il cemento che lega i mattoni fra di loro è rappresentato dalle forze presenti in natura, anzi, come vedremo, da tre di esse, perché la quarta, cioè la forza gravitazionale, è troppo debole per avere un qualche effetto nel micromondo.

Le cosiddette particelle elementari sono più di un centinaio, anche se i componenti veramente ultimi sono solo 12 più le corrispondenti antiparticelle. Ma in questo paragrafo parleremo solo delle particelle che sono costantemente presenti nella natura. Quattro di esse sono stabili e sono l’elettrone, il protone, il neutrone e il neutrino. Il neutrone non è propriamente stabile, vive in media approssimativamente 15 minuti. L’elettrone e il neutrino sono veramente elementari nel senso che non sono costituiti da altre particelle; impareremo che non è così per il protone e il neutrone.

L’elettrone è portatore di una carica negativa pari alla carica elettrica elementare³ e ha un ruolo fondamentale nella corrente elettrica, come credo sia ben noto; è una particella molto leggera e non si è ancora riusciti a misurarne le ridottissime dimensioni in quanto la tecnologia attualmente a disposizione non è capace di ottenere una simile misura: calcoli teorici portano a un raggio minore di 10^-18 centimetri, cioè zero seguito, dopo la virgola, da 18 zeri e un 1. Il protone e il neutrone sono i costituenti del nucleo atomico; hanno masse fra loro quasi uguali e pari a circa 2000 volte quella dell’elettrone.

Mentre il neutrone è privo di carica elettrica, il protone ha una carica elettrica positiva uguale in valore assoluto a quella negativa dell’elettrone.

Esiste un’altra particella che sembra non avere una funzione evidente nella struttura della materia: si tratta del neutrino, una particella di massa piccolissima, talmente piccola che non si è ancora riusciti a misurarla, priva di carica elettrica, che può attraversare anche tutto l’Universo senza interagire con atomi o molecole. Questa sua proprietà, di poter rimanere invariata anche attraversando grandi quantità di materia, fa di questa particella una sonda particolarmente efficace, perché può dare informazioni su quello che avviene all’interno del Sole, della Terra e su fenomeni che hanno luogo in lontanissime stelle.

Queste quattro particelle vengono tenute assieme nella materia da tre delle quattro forze della natura. Gli atomi sono tenuti insieme nelle molecole, ed essi stessi sono stabili, grazie alla forza elettromagnetica, che è collegata ai fenomeni dell’elettromagnetismo. Gli elettroni vengono attirati verso il nucleo perché hanno carica negativa mentre, come detto precedentemente, i protoni del nucleo hanno carica positiva. In una descrizione non completamente realistica, gli elettroni non cadono nel nucleo perché ruotando intorno a esso sono sottoposti a una forza che li spinge verso l’esterno (forza centrifuga; è la stessa ragione per la quale la Luna non cade sulla Terra); in verità la situazione è un po’ più complicata, ma per il momento questa spiegazione dà un’idea di che cosa avvenga all’interno dell’atomo.

Protoni e neutroni sono mantenuti dentro un volume piccolissimo, quello del nucleo atomico, a causa delle forze di maggiore intensità che esistono in natura, cioè le forze nucleari forti, che sono circa 200 volte più intense delle forze elettromagnetiche. Mentre però le forze elettromagnetiche si avvertono anche a grande distanza, le forze nucleari forti si fanno sentire in una regione molto piccola, dell’ordine del raggio del nucleo, pari a 10^-13 cm (cioè un decimillesimo di un miliardesimo di centimetro); esse riescono a mantenere insieme i protoni dentro il nucleo malgrado le forze di repulsione elettrostatica fra le cariche elettriche uguali dei protoni, in questo caso positive.

Infine ci sono le forze nucleari deboli le quali legano il neutrino nella materia. Sono forze 100.000 volte più deboli delle forze nucleari forti.

Rispetto a queste forze, la forza gravitazionale, che mantiene i corpi ancorati alla Terra, tiene insieme il Sistema solare, lega la Luna alla Terra, impedisce che le galassie che ruotano su se stesse si dissolvano nello spazio, è di gran lunga la più debole.

Quindi, ricapitolando, la materia è fatta da tre particelle elementari: protone e neutrone (presenti nei nuclei atomici) ed elettrone, che nell’atomo circonda il nucleo. Inoltre è presente nella materia il neutrino, anche se non sembra avere un ruolo sulla sua stabilità. Il tutto viene tenuto assieme da tre forze: la forza elettromagnetica, la nucleare forte e la nucleare debole. La forza elettromagnetica è 200 volte più debole della nucleare forte, mentre la nucleare debole è 100.000 volte meno intensa.

Natura delle particelle elementari

Cosa sono in realtà queste particelle? Hanno una massa, che abbiamo misurato tranne che nel caso del neutrino, avente massa talmente piccola che è impossibile misurarla con le tecniche a nostra disposizione; hanno delle dimensioni, anche se elettrone e neutrino hanno dimensioni talmente piccole che le tecniche attuali non sono capaci di misurare. Ma allora, se hanno massa e dimensioni, sono dei piccoli corpi e quindi potremmo immaginarli come delle piccolissime palline.

Data la nostra esperienza acquisita nel macromondo, ci immaginiamo quindi le particelle elementari come delle palline estremamente piccole, anche perché siamo abituati ad associare la massa a una certa quantità di materia. In verità la natura delle particelle elementari è molto più complessa. Per capire un po’ meglio di cosa si tratta dobbiamo affrontare una delle proprietà fondamentali della natura, e cioè la quantizzazione. Abbiamo accennato prima al fatto che la carica elettrica è quantizzata nel senso che qualunque carica elettrica può avere solamente un valore che sia un multiplo intero della carica dell’elettrone, sia che si tratti di una carica elettrica positiva sia negativa. Al di là di questo si osserva che in natura tutto è quantizzato e in particolare lo è l’energia.

La quantizzazione dell’energia riguarda il trasporto di energia da parte delle onde elettromagnetiche e la quantizzazione dei livelli energetici dell’atomo. Tutto ciò coinvolge un capitolo fondamentale della fisica: la meccanica quantistica.

Per poter capire di che cosa stiamo parlando dobbiamo avere almeno una minima idea di che cosa siano le onde elettromagnetiche.

LE ONDE

Nella nostra vita abbiamo a che fare con onde radio, microonde, luce, raggi X e raggi gamma. Le onde radio ci permettono di usufruire della radio e della televisione; le microonde ci permettono fra l’altro di scaldare le vivande; la luce è conosciuta da tutti e sappiamo che può assumere vari colori; i raggi X hanno una notevole importanza diagnostica; i raggi gamma vengono emessi da alcuni tipi di nuclei e vengono usati nel campo oncologico a scopo terapeutico.

Non so però se tutti siano a conoscenza del fatto che tutte queste radiazioni sono onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche sono l’insieme di un campo magnetico e di un campo elettrico che oscillano propagandosi nello spazio con la velocità della luce. Ma il lettore si chiederà: che cos’è un campo nell’accezione che qui vogliamo dare al termine? In fisica, quando si parla di campo, si intende un campo di forze, cioè il campo è qualche cosa che è sempre connesso con una forza, sia essa gravitazionale oppure elettromagnetica. Per capire meglio, la cosa migliore è fare l’esempio del campo gravitazionale.

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