Dove si parla delle forze che tengono uniti tra loro i vari componenti della materia e si comincia a parlare dell’atomo elemento base della materia stessa.

93-Collanti

E allora da una parte, cioè oltre il violetto, ci sono radiazioni che noi non vediamo e sono appunto gli ultravioletti. Questi hanno più energia e sono più forti Dall’altra parte, cioè oltre il rosso ci sono gli infrarossi che  hanno meno energia e sono più deboli. Gli ultravioletti sono quelli che abbronzano, ma fanno venire anche i tumori della pelle, ancora più duri ed energetici sono i raggi gamma e i raggi X, così forti da riuscire ad attraversare le ossa. Dall’altra parte invece gli infrarossi permettono di vedere al buio, e più in là le microonde, quelle del forno, e poi le onde radio; tutte onde lente e deboli. Sono tutti raggi che non vediamo, come dicevo ma di cui sentiamo gli effetti. Quello che meraviglia però è il fatto che tutto si allontani da tutto senza sfuggire al controllo di qualcosa che comunque tiene unito il cosmo. Si tratta insomma di un allontanamento controllato. Cosa che si può capire scoprendo il segreto della conformazione della materia e, in ultima analisi della conformazione del più piccolo costituente della materia. Essa, in ultima analisi, è formata dai quark, stipati dentro i protoni  insieme ai neutroni a formare il nucleo, piccolissima pallina dentro un enorme spazio vuoto alla cui periferia ci sono i gusci di una specie di cipolla nei quali girano vorticosamente gli elettroni. Il tutto a formare l’atomo, che insieme ad altre strutture uguali, vanno a formare le molecole di cui è composta la materia. 

Alcuni collanti potentissimi tengono insieme tutti questi elementi, ed impediscono che essi saltino da tutte le parti. Questi collanti altro non sono che delle forme di energia, delle forze in grado, alla fin fine, di tenere insieme l’essenza del mondo e quindi il mondo stesso. Se queste forze venissero meno, sarebbe la fine, se queste forze cedessero, tutto salterebbe per aria, niente più le terrebbe insieme. Anzi, tutto sarebbe saltato per aria, fin dall’inizio dei tempi, quando cominciò a formarsi la materia e con essa lo spazio e il tempo. Già all’epoca del Big bang, quando cominciarono a saltare fuori da quell’immane energia i primi elettroni e a formarsi i primi protoni, microscopici pezzi di massa e quindi di materia, ogni cosa andò al proprio posto come in un puzzle cosmico auto formantesi, attirato da quelle forze che stanno alla base della costruzione della struttura stessa della materia. Queste forze praticamente servono per tenere unite tra loro tutte le parti costituenti la materia, dalle più infinitesimamente piccole a quelle cosmiche come stelle e pianeti. Gli scienziati, sempre alla ricerca dei motivi per cui l’universo si sia formato così come in realtà oggi è, e, supponendo comunque che possano esistere altri universi sui quali possano vigere altri tipi di leggi, hanno scoperto che questo nostro universo è tenuto insieme da quattro tipi di forze fondamentali e le hanno così classificate, una forza nucleare, una forza elettromagnetica, una forza debole e una forza gravitazionale. Dette così, queste forze sono in ordine di intensità decrescente.

94-A stretto contatto

La forza nucleare è quella che agisce all’interno del nucleo dell’atomo e tiene insieme i suoi componenti, è la più forte che esista, ma a distanze più grandi non si fa sentire. La forza gravitazionale è quella che agisce a grandi e grandissime distanze, tiene insieme stelle e pianeti ed è comunque la più debole delle quattro. La forza nucleare forte è prodotta da neutroni e protoni, i quali, soltanto, rispondono ad essa. Essa serve per mantenere stabile il nucleo, ma solo quando protoni e neutroni sono presenti in proporzioni determinate. Se le proporzioni sono diverse, l’atomo non è più stabile e sotto l’influenza della interazione debole, tende a diventarlo con la emissione di particelle radioattive. La forza elettromagnetica, pur essendo abbastanza forte, si manifesta solo come attrazione o repulsione tra le particelle, a seconda della loro carica elettrica che può essere positiva o negativa. Molti sanno che più e più, meno e meno si respingono, invece più e meno si attraggono. L’attrazione tra particelle, comunque viene consolidata dalla forza nucleare forte. 

La repulsione invece, per quanto possa essere forte la carica elettromagnetica, non avviene mai, se le particelle, come i protoni, sono stipati all’interno del nucleo e sono soggetti alla forza nucleare forte. Infatti i protoni sono tutti positivi e dovrebbero respingersi, ma la forza nucleare forte è così forte da superare quella elettromagnetica, e i protoni rimangono a stretto contatto. Se usciamo dal nucleo e, dopo un lungo viaggio arriviamo nei paraggi degli elettroni, cioè alla periferia dell’atomo, notiamo che essi non sono influenzati dalla forza nucleare forte, ma solo da quella elettromagnetica che li tiene uniti ai protoni. Ricordiamo infatti che gli elettroni hanno carica negativa, i protoni ce l’hanno positiva e, nel suo complesso, l’atomo è elettricamente neutro. Più e meno si annullano. Nonostante questa conclusione, gli atomi non possono ignorarsi a vicenda, ma, essendo la carica negativa tutta distribuita all’esterno, non si possono avvicinare tra loro più di tanto e tendono, pertanto, a respingersi, rimbalzando via. Ed è per questo che gli atomi di una qualsiasi sostanza non stanno mai fermi. Un continuo movimento che aumenta all’aumentare della temperatura,  e diminuisce con il calare della temperatura fino al loro blocco totale, anche se assolutamente teorico, impossibile da raggiungere su questa terra, che avviene allo zero  assoluto, cioè -273,14. L’aumentare di questi movimenti degli atomi porta naturalmente ad un certo allontanamento tra di loro; il che si traduce in una dilatazione della materia. Ad esempio un pezzo di ferro riscaldato si dilata proprio per questo aumento dello spazio tra atomo e atomo ad alte temperature. Una curiosità: quando ancora le rotaie dei treni non erano fatte di materiali poco soggetti a dilatazione, avevano un piccolo spazio vuoto tra un pezzo e l’altro. Questo per permettere che si dilatassero senza problemi quando faceva caldo. Ed è per questo che una volta i treni facevano quel rumore caratteristico…. tutumtutu…. tutumtutu… perché le ruote passavano su quegli spazi vuoti, e……

95-Gravità

Queste forze, in definitiva, si bilanciano l’una con l’altra e servono ad agglomerare ogni cosa, dalle particelle di polvere, alle cellule che compongono il nostro organismo, ai detriti che compongono le montagne. Alla fin fine tengono insieme addirittura tutta la terra e la mantiene compatta. I processi metabolici che avvengono nel nostro corpo, che in ultima analisi consistono in scambi di sostanze chimiche e cioè scambi di elettroni tra un atomo e un altro, avvengono sotto il controllo della forza elettromagnetica. La quarta forza, ultima ma non in ordine di importanza, bensì perché più debole di tutte le altre tre forze, è la Gravità o gravitazione. Questa forza agisce su tutto ciò che ha una massa, cioè dalle particelle più piccole come quelle subatomiche, ai corpi celesti più grandi come pianeti e stelle. A livello subatomico questa forza è così debole che non vale nemmeno la pena di prenderla in considerazione. Nonostante la sua debolezza, a certi livelli, questa forza si fa sentire ugualmente. La prova é che sulla terra tutto cade, attratto dal centro del pianeta. Noi non possiamo restare sospesi, e cadiamo a terra. Probabilmente anche l’elettrone cadrebbe verso il centro dell’atomo se fosse soggetto alla forza di gravitazione, ma, come ho detto, questa forza a questi livelli è debolissima e l’attrazione o la repulsione a cui queste particelle sono soggette, è determinata soprattutto dalle altre forze di cui ho parlato prima. Per quanto riguarda la gravitazione, essa esiste solo come attrazione tra un corpo con massa maggiore ed uno con massa minore. Non esiste una repulsione gravitazionale, come per la forza elettromagnetica. 

E così, ad esempio la Terra attrae la Luna, il Sole attrae la Terra e tutti i pianeti si attraggono tra loro. O meglio la attrazione tra due corpi celesti è la risultante della attrazione che ciascuno esercita sull’altro. Lo stesso fa il sole con i suoi pianeti. Quando si formò il sistema solare, la stella centrale, con la sua massa enorme e il suo altrettanto enorme campo gravitazionale, funzionò come un aspirapolvere che attirò a sé tutti i detriti vaganti. Ma non potè fare altrettanto con i suoi nove pianeti e dei loro satelliti. Essi avevano una massa abbastanza grande da restare a debita distanza dal sole, ma esso, con la sua forza di gravità riuscì a catturarli ugualmente  e ad obbligarli a girargli intorno. Così ancora oggi la coesione del sistema solare, di tutte le stelle e di tutti i sistemi di pianeti della galassia e di tutte le galassie dell’universo, è assicurata solo dalla forza di gravità. La terra come anche gli altri corpi celesti, posseggono anche una certa forza elettromagnetica che però è molto bassa poiché la causa di questa forza sono i campi elettromagnetici dei protoni e degli elettroni che la compongono. Queste forze tendono a neutralizzarsi e così l’elettromagnetismo che ne risulta è debole, sufficiente appena a orientare l’ago di una bussola.

96-Addensamenti

Sempre a proposito di materia e dei suoi costituenti vediamo ora più da vicino questo benedetto atomo, i cui primissimi esemplari si sono formati con la coesione di quegli elementi disciolti nel plasma primordiale, mentre esso andava dilatandosi e raffreddandosi, Già da tempo gli scienziati sono riusciti ad identificare gli elementi formatisi in quel plasma incandescente e hanno anche dato loro un nome, dopo essere riusciti a penetrare dentro la materia per svelarne i segreti. Si tratta innanzitutto di elettroni, una particella di carica negativa che costituirà l’involucro esterno di tutti gli atomi presenti nel futuro universo, e di protoni, una particella di carica positiva e con la stessa massa degli elettroni. C’erano poi i neutrini, particelle fantasma senza massa e senza carica elettrica. Poi c’erano i fotoni, cioè tanta, tantissima luce. I fisici oggi sanno per certo che il numero di  ciascuno di questi elementi era lo stesso, e che essi si creavano dall’energia pura e si distruggevano in continuazione. Fino a che l’abbassamento della temperatura non riservò loro un diverso destino. Infatti, dopo i primi tre minuti, la temperatura era di un “solo” miliardo di gradi. Sufficientemente bassa perché protoni ed elettroni potessero cominciare a combinarsi tra loro, dando origine ai primi atomi. Sappiamo, ormai tutti lo sanno, che l’atomo più semplice in natura è quello di Idrogeno, un protone al centro e un elettrone a girargli intorno.

 Questo perché carica elettrica positiva e carica elettrica negativa si attraggono. Così, mentre gli atomi di Idrogeno continuavano a formarsi, la materia, già un poco meno informe, continuava a dilatarsi con grande rapidità, diventando sempre più fredda e rarefatta. Ma sono già passati, nel frattempo, un centinaio di migliaia di anni. Nell’universo sempre più rarefatto si formano zone di addensamento che corrispondono ai punti in cui avvengono le unioni tra neutroni e protoni con la formazione di atomi di Idrogeno. In queste zone enormi dove si uniscono elementi che posseggono, oltre alla carica elettrica, anche una massa. Grande aumento, quindi, della massa e della forza di gravità, in queste zone increspate dell’universo in dilatazione. Si stanno formando degli addensamenti detti galassie, e, al loro interno con la stessa tecnica si formeranno agglomerati più densi detti stelle. Le stelle quindi non sono altro che degli accumuli di atomi di idrogeno, dove la temperatura si è abbassata ulteriormente rispetto a quella iniziale. Nelle stelle più grandi la temperatura è infatti di sessantamila gradi Per avere un punto di riferimento ricordiamo che sul nostro sole che è una stella più piccola, di seconda generazione, la temperatura è di seimila gradi. Lasciando da parte, per ora, il sole che è ancora di là da venire, la nostra storia continua all’interno di questi agglomerati di atomi di idrogeno che qua e là, all’interno delle galassie si stanno formando, mentre tutto continua a raffreddarsi, per modo di dire, e a dilatarsi.

97-Atomi

E necessario ora, prima di andare avanti nel racconto di questa storia che è appena agli inizi, vedere da vicino l’atomo e la sua struttura. Una specie cioè, di consigli per gli acquisti. L’atomo è’ il mattone base di tutta la materia che già in questa fase troviamo come costituente base di tutto l’universo nascente e delle stelle in formazione. Vedremo che dagli atomi di base, cioè quelli di Idrogeno, si formeranno altri tipi di atomi più complessi i quali saranno i costituenti di tutto l’universo ed anche della nostra terra e di noi esseri umani. Quindi è necessario sapere come è fatto, per sapere, in definitiva, come siamo fatti noi. 

Un filosofo greco, vissuto circa duemila cinquecento anni fa, ebbe l’idea di chiamare atomo la più piccola particella costituente la materia. Egli immaginava che tutte le cose fossero formate da queste palline di diversa grandezza ma tutte con la stessa proprietà. Quella di essere indivisibile, e la parola stava a significare proprio questo: che non si può dividere ulteriormente. E così si credette, appunto, per migliaia di anni. Ma con la nascita delle scienze moderne, la chimica, la fisica, sono state scoperte tante cose a proposito di questi atomi. Soprattutto che sono piccolissimi. Purtroppo noi, gente comune, non siamo abituati a queste scale di grandezze, o meglio, di piccolezze. E’ difficile per noi capire l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande, perché rapportiamo tutto alle nostre dimensioni e abbiamo confidenza esclusivamente con dimensioni che vanno dal millimetro al chilometro (quasi!). Per avere una idea, seppure vaga delle dimensioni di un atomo, rispetto a noi, prendiamo un centimetro, lo dividiamo in cento milioni di parti, ne prendiamo una sola di queste parti ed ecco l’atomo. Osservando bene questa pallina scopriamo che per la maggior parte è vuoto. Un vuoto alla cui periferia un certo numero di elettroni  gira vorticosamente su orbite casuali e mai fisse. In mezzo a questo “enorme vuoto” potremo vedere in fondo, verso il centro della pallina, un nucleo. Lo spazio occupato dall’atomo è molte migliaia di volte maggiore di quello occupato dal suo nucleo. Tuttavia nonostante questo vuoto abissale, tra gli elettroni che girano vorticosamente in periferia e il nucleo centrale, esiste una forza di attrazione che tiene unito il tutto in una entità unica. Questo perché gli elettroni, come detto, hanno carica elettrica negativa e il nucleo invece carica elettrica positiva. Per meglio capire a che dimensioni siamo, teniamo presente una cellula del nostro corpo, l’unità biologica di base dell’organismo, è così piccola che, per esempio, in uno spazio grande come il puntino di questa i, ce ne potrebbero essere, stipate insieme, cinquecento. Ebbene una cellula è composta da miliardi di molecole e ciascuna molecola a sua volta è composta da un numero enorme di atomi.