Dove si parla di luce, di suono e di quello che è successo nelle supernovae

110-Decibel

Il suono è provocato inizialmente da una perturbazione, essenzialmente esso è una vibrazione. Una vibrazione alla quale vengono sottoposte le molecole della sostanza che viene attraversata dagli effetti di questa perturbazione. E gli effetti di queste vibrazioni procedono ad una certa velocità, come un susseguirsi di pressioni e depressioni. Questa velocità di propagazione non è mai la stessa, ma cambia e dipende dalla densità del mezzo che deve attraversare. Vedremo infatti che un mezzo solido e compatto viene attraversato più velocemente rispetto ad un mezzo liquido, come l’acqua ad esempio, ed ancor più rispetto ad un ambiente gassoso come l’aria. Si capisce che nel cosmo la sua velocità è minima, e ben presto la sua spinta iniziale si esaurisce. Immaginiamo ora quella iniziale perturbazione che ha provocato, venti miliardi di anni fa, una colossale vibrazione molecolare capace di diffondersi dappertutto e che ancora si ripete là dove vi sono  altre sorgenti sonore disperse per il cosmo e che sono figlie di quella prima immane sorgente perturbatoria. Una diffusione che ha seguito e che continua a seguire delle regole ben precise, proprio come la luce ed il calore, delle regole che sono esclusivamente proprie e sono le stesse in ogni angolo dell’universo.

 Così, questo rumore se ne và a spasso per gli spazi immensi, ma, come abbiamo detto, alla pari del  calore, si disperde subito, e tutto ritorna silenzio, o quasi. Solo la luce riesce ad andare più lontana. Eppure il suono, anzi il rumore per eccellenza, quello emesso venti miliardi di anni fa, miliardo più miliardo meno, dall’ormai famoso big bang, è stato così imponente che ancora oggi può essere ascoltato con strumenti particolari, sotto forma di una radiazione di fondo che pervade tutto l’universo. C’è chi ha valutato l’intensità reale di questo suono primordiale in alcuni miliardi di miliardi di decibel. Il decibel è la misurazione della intensità del suono cioè serve per distinguere un suono forte da uno debole e dipende dalla ampiezza dell’onda sonora. Se disegniamo un’onda con i suoi picchi superiori ed inferiori ad una certa distanza e poi ne disegniamo un’altra con i picchi più distanti tra loro, possiamo dire che la seconda è più ampia della prima, quindi essa rappresenta un suono più forte, ha più decibel. Per fare degli esempi di suoni o rumori più o meno forti con onde più o meno ampie: le onde del mare emettono un suono che è di quaranta decibel, la musica rock, di cento decibel. Oltre i centoventi decibel c’è la soglia del dolore, cioè suoni più forti che vanno oltre quella soglia, ci provocherebbero dolore. I  decibel che dobbiamo sopportare nelle nostre città, specie le più grandi e trafficate, sono nell’ordine di sessanta, settanta e più. Tra i novanta e i centoventi ci sono il rumore della sirena, di un martello pneumatico e le casse acustiche della discoteca a tutto volume. Comunque, così come succede per la visione della luce, anche per l’ascolto del suono noi esseri umani siamo un poco handicappati. Non riusciamo cioè ad ascoltare tutti i suoni che ci sono intorno a noi con le nostre orecchie.

111-Tuono e lampo

Dunque abbiamo visto che il suono è essenzialmente una vibrazione. E allora immaginiamo un elastico teso  o la corda di una chitarra che vibrando emette un suono. Con la sua vibrazione vibra anche tutta l’aria, cioè le molecole dell’aria che ci sono intorno. Ma la vibrazione non è altro che una serie di oscillazioni ed è rappresentata dalle onde che abbiamo disegnato. Il numero delle vibrazioni complete che avvengono in un secondo ci da la frequenza. Ora più le onde sono strette, maggiore è la frequenza, più sono larghe, minore è la frequenza. E la frequenza si misura in Hertz. I limiti per il nostro orecchio sono compresi tra venti e venti mila Hertz. Tutti i suoni più frequenti oltre i ventimila, detti ultrasuoni, e quelli meno frequenti al di sotto di venti, detti infrasuoni, da noi non sono udibili. Il suono non è come la luce, si propaga nei solidi, nei liquidi e nei gas, e in ciascuna sostanza ha una velocità diversa. Anzitutto nell’aria, viaggia ad una velocità di trecento quarantaquattro metri al secondo, una velocità cioè ben diversa e molto al di sotto di quella della luce, che, invece viaggia a circa trecentomila chilometri al secondo. 

Un esempio classico, che ci fa capire la differenza tra la velocità della luce e quella del suono, ci è dato  da quello che succede durante un temporale. Il tuono e il fulmine o lampo non sono altro che l’espressione sonora e visiva di un unico evento. Cioè in effetti non è altro che una scintilla che avviene tra il cielo e la terra, quando il cielo è così gonfio di nubi da caricarsi elettricamente ma in maniera diversa rispetto al suolo. Si parla di differenza di potenziale tra il cielo e la terra. E la scintilla, anche quella piccolina che possiamo vedere ad esempio negli accendigas della cucina fa una certa luce e un certo rumore come un crepitio. Ora la scintilla  piccolina dell’accendigas e quella enorme  del fulmine  altro non sono che un passaggio di corrente tra due punti carichi elettricamente in maniera diversa. Comunque  essendo noi vicinissimi all’accendigas succede che i due eventi possono essere rilevati nello stesso istante in cui essi avvengono e soprattutto contemporaneamente. Si vede cioè l’effetto visivo di quella scintilla nello stesso istante in cui si sente il suo effetto sonoro.  Nel caso del tuono–lampo succede che, date le enormi distanze che esso deve percorrere per giungere fino a noi, vedremo prima la luce che va molto più veloce (lampo o fulmine) e poi, dopo un poco, il suono (tuono) cioè il rumore generato da quella scintilla nello stesso momento in cui essa si è verificata. La propagazione del suono però dipende anche dalla densità del mezzo attraverso cui passa. Per cui se passa attraverso una sostanza molto densa, va più veloce, nell’acqua corre a 1498 metri al secondo, mentre nel ferro va a 5120 metri al secondo. Se io  potessi per esempio sdraiami per ascoltare con l’orecchio sui binari l’arrivo del treno, lo sentirei arrivare prima ancora di ascoltare il suo rumore stando in piedi sul marciapiedi della stazione. E’ lo stesso suono, solo che attraverso il metallo delle rotaie a arriva prima, che non attraverso l’aria.

112-Stelle

Passiamo ora dalla teoria alla pratica. Vediamo cioè come quelle leggi di cui abbiamo parlato siano state messe in atto dall’universo in formazione, a partire dalle stelle. Avevamo lasciato le nostre stelle in formazione piene zeppe di atomi di Idrogeno, ed è lì che la nostra storia continua. Dunque all’inizio, mentre la massa di materiale informe si sta dilatando, si cominciano a formare delle increspature all’interno delle galassie. Le galassie si erano formate dal quel plasma incandescente che subito dopo il Big Bang aveva preso a raffreddarsi e a dilatarsi, anche esse erano inizialmente delle increspature, una concentrazione di materia che si andava formando là dove tutto andava diventando sempre più rarefatto. Le galassie, sempre più numerose man mano che l’universo si dilatava, diventavano degli ammassi di materia che andavano assumendo varie forme, dove la materia era in alcuni punti più concentrata, in altri più rarefatta. Un numero incredibile di galassie andava formandosi nell’universo in espansione, mentre, al loro interno si formavano zone sempre più rarefatte e dilatate e zone dove gli atomi di idrogeno si andavano concentrando sempre più, cioè le future stelle. Abbiamo visto che gli atomi possiedono una massa e quindi un peso, e possiamo immaginare come il peso delle  stelle, in seguito all’accumularsi di queste piccolissime masse, diventasse sempre più grande con il conseguente aumento del peso degli strati più esterni su quelli più interni. Con l’aumento del peso, aumentava anche la forza di gravità, la capacità cioè di attirare a sé altri corpi vaganti per lo spazio. Questi agglomerati di atomi di Idrogeno, sempre più grandi fungevano infatti, da aspirapolvere spaziali, nel senso che ripulivano lo spazio circostante dei detriti incandescenti. Noi vediamo, di notte queste stelle brillare da sempre, ed in effetti brillano da tempo immemorabile, da quando cioè quel mondo fatto di luce e di altro materiale originatosi dal Big Bang ha cominciato ad accumularsi in alcuni punti delle galassie in formazione. Le stelle in effetti sono delle fucine dove avvengono delle reazioni chimiche che danno origine alla emissione di una quantità enorme di energia luminosa. 

L'esplosione di una supernova è uno dei fenomeni più devastanti dell'universo

Le stelle di cui stiamo parlando e che spesso possiamo vedere brillare nelle notti stellate prendono il nome di Supernovae all’inizio della loro vita possono essere anche dieci, venti volte più grandi del nostro sole. Data la loro enorme grandezza, e quindi il peso enorme esercitato dagli strati esterni, sull’interno di queste stelle, la temperatura può salire anche a centomila gradi. In questo ambiente infernale succedono delle cose molto importanti. Innanzi tutto a queste temperature gli atomi di Idrogeno si muovono così furiosamente che finiscono per entrare in collisione tra loro. Infatti a quelle altissime temperature l’energia di movimento (si chiama energia cinetica) è maggiore della energia elettrica con cui normalmente si respingono. Ricordate l’esempio?  Basta soffiare con forza dentro un pugno semichiuso per verificare come un aumento di pressione dall’esterno possa far alzare la temperatura all’interno.

113-Einstein

Dentro le stelle, dunque, gli atomi di Idrogeno vanno e vengono, si mischiano, si confondono tra di loro, rischiano, e lo fanno molto spesso, di unirsi tra di loro e di formare così degli atomi diversi, nuovi, cioè delle sostanze nuove. Questo è il cosiddetto processo di fusione nucleare che è responsabile della energia irradiata dalle stelle da miliardi di anni. Tutto ciò comporta, all’inizio del processo di fusione, la formazione di un nuovo tipo di atomo, quello di Elio. Per essere più precisi quattro nuclei di idrogeno si fondono tra loro per dare origine ad un nucleo di elio. Il conteggio però non è così preciso, perché in effetti avanzano alcuni pezzi di nucleo e per la precisione, il numero dei protoni di partenza, è maggiore rispetto ai protoni di cui è formato l’atomo di elio finale. Avanzano cioè due protoni. Questa perdita di due protoni nel corso della reazione si traduce in una perdita di massa da parte della stella. A causa del vorticoso turbinio degli atomi, che avviene alla velocità della luce, la massa persa all’interno della stella, si trasforma in energia che viene irradiata tutta intorno. A proposito di ciò c’è da fare un’altra parentesi per cercare di capire che rapporto esiste tra massa ed energia. 

Ci viene in soccorso il grande scienziato Einstein con la sua intuizione che gli ha permesso di formulare l’equazione E uguale ad mc2, cioè energia uguale alla massa per la velocità della luce al quadrato. Era il 1905, quindi l’inizio del secolo scorso, quando Einstein enunciò la sua famosa formula che non era basata su esperimenti ma semplicemente su una sua intuizione. Intuizione che successivamente venne verificata e accertata dalla sperimentazione. La intuizione si basava sul fatto che egli era sicuro che dovesse esserci per forza una relazione tra l’energia e la massa, e che l’una potesse trasformarsi nell’altra e viceversa. Ma egli aveva anche capito che non poteva essere una trasformazione pura e semplice. Tot massa e tot energia. Per lui una piccolissima quantità di massa poteva originare una enorme quantità di energia e viceversa, ma una eventuale trasformazione poteva essere indotta solo alla velocità della luce. Oggi sappiamo ormai che solo a questa velocità, circa trecentomila chilometri al secondo, può avvenire una trasformazione di massa in energia o viceversa. Un esempio di trasformazione di energia in massa è dato dalla famosa astronave che viaggia alla velocità prossima alla luce. Supponiamo che il suo manovratore se ne infischi dell’avvertimento che non sarebbe riuscito mai e poi mai a superare quella fatidica velocità, e supponiamo che allora cominci a dare ulteriore gas  e quindi energia alla sua astronave. Insomma supponiamo che accenda dei motori più potenti o metta altra legna nella fornace che alimenta i motori, nel tentativo di andare più veloce, cosa accadrebbe? Se noi potessimo vedere dall’esterno questa astronave, vedremmo che essa, per quanto l’omino lì dentro si affanni ad accelerare, non andrebbe affatto più veloce, ma accadrebbe un fenomeno strano. L’astronave e l’omino stesso si appesantirebbero, aumenterebbero la loro massa. L’energia in più si trasformerebbe in massa, lo spazio si dilata e il tempo quindi si dilaterebbero e l’omino avrebbe dei movimenti sempre più lenti.