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.

dove si parla del calore e delle leggi che lo governano

106-Il resto

Parliamo ora del calore, altra caratteristica dell’Universo. La termodinamica, la scienza che studia la propagazione del calore, dice che esso fluisce spontaneamente dai corpi caldi ai corpi freddi e non succede mai il contrario. E’ questo quello che succede se due corpi, uno caldo e uno freddo, sono abbandonati a se stessi. Solo con un nostro intervento possiamo ridare calore a quel corpo che si sta raffreddando e sta cedendo il suo calore. Questo dimostra che per dare calore bisogna fare un lavoro, consumare delle energie dobbiamo mettere il corpo sulla fiamma, nel forno, consumare il gas, l’elettricità……e pagarci pure la bolletta. Viceversa, il processo opposto avviene spontaneamente. I corpi caldi, perdendo calore, non fanno altro che andare verso un livellamento, un appiattimento della temperatura. Questo è quello che succede normalmente nell’universo, dove non c’é altro che una continua dispersione del calore emanato insieme alla luce da quelle centrali nucleari che sono le stelle. Infatti il calore non viene emesso inutilmente perchè nelle stelle, grazie alla loro attività continua, responsabile della emissione del calore, si sono formati dapprima l’idrogeno e poi via via tutti gli altri costituenti la materia, fino agli elementi più pesanti come l’oro o il ferro Quindi un lavoro utilissimo. Una parte di questo lavoro, però, va continuamente distrutta, si dissipa nel cosmo sotto forma di luce e di calore, appunto. Così anche quando mettiamo una pentola a bollire, dissipiamo una parte del calore, perchè riscaldiamo inutilmente anche l’ambiente circostante. Però dopo possiamo calare la pasta e farci un buon piatto di spaghetti. Quindi i soldi spesi per pagare la bolletta del gas, consumati per far bollire l’acqua, in fondo ci hanno permesso di mangiare gli spaghetti i quali hanno dato sostanze al nostro organismo permettendoci di vivere. 

Risulta chiaro quindi, che, tanto lavoro si fa, tanto è il risultato che si ottiene, cioè sempre lo stesso. Per portare alla ebollizione una pentola d’acqua ci vorrà sempre la stessa quantità di energia. E allora la termodinamica con la sua prima legge ci dice che in natura nulla si crea e nulla si distrugge, cioè tanta energia si impiega, tanto lavoro si riesce a compiere, non di più e non di meno. E’ il principio di conservazione dell’energia, la quale si può trasformare da una forma all’altra, si può trasferire da un corpo ad un altro, ma non può essere né creata né distrutta. E’ un  po’ come con i soldi: con cinque euro sappiamo cosa comperare e così con cinquanta euro, non si scappa; tanti soldi, tanta merce, non di più, non di meno. Tutt’al più, ci potrà essere alla fine un piccolo resto del quale, per la verità non si sa mai che fare, roba di centesimi, con cui in genere non ci si compera niente oggi come oggi. C’è sempre, quindi, del resto di cui non si sa mai che fare. Però si può metterlo da parte e alla prossima occasione aggiungerci altri dieci o venti centesimi. Così facendo  arriveremo a uno o due euro da poter usare per comperare magari un gelato. In natura invece, per quanto riguarda il calore non è così.

107-Livellamento

Quel resto, quel piccolo resto, tra dare e avere, quel po’ di calore inutilizzato, non è possibile metterlo da parte nè utilizzarlo più, non ci si può fare nulla, e allora si disperde nell’aria. Si perché il calore non ci pensa due volte, se non si utilizza,  se ne va, anche se non serve a nulla, anche se non va a riscaldare niente, si disperde semplicemente perché è una tendenza costante dell’universo: quella di propagare il calore se esso non viene utilizzato. E gli scienziati dicono che questa tendenza è spontanea e irreversibile. Tutto tenderebbe quindi verso un livellamento delle varie differenze di calore, verso un disordine estremo. Se vogliamo ripristinare un certo ordine, ricreare cioè zone di calore, rispetto ad altre più fredde, dobbiamo fare altro lavoro e consumare altra energia. Allora a prima vista sembrerebbe una contraddizione, cioè il tentativo spontaneo verso il livellamento, verso cioè una propagazione del calore in modo da non avere zone calde e zone fredde, viene definito come disordine, mentre, al contrario, l’ordine sta nella coesistenza di zone calde e zone fredde. questa naturale tendenza al livellamento, al disordine, viene detta, con un nome difficile, Entropia. Ma prima che avvenga questa naturale dispersione di calore, quello che viene emesso dalle stelle viene utilizzato e trasformato. Sulla terra ad esempio il calore e la luce del sole sono utilizzate per far vivere noi animali. Di tutta l’energia che la Terra riceve dal Sole, la stragrande maggioranza viene dispersa, viene accumulata nel suolo, nell’acque e con essa evapora. Solo l’uno per cento dell’energia viene catturata dalle piante e tramutata in molecole organiche ad alto contenuto energetico, cioè in cibo, in materiale, in lavoro capace di permettere a tutta la biosfera di vivere ormai da millenni. 

Questo avviene, come abbiamo già visto, grazie alla fotosintesi  che letteralmente significa fare cose con la luce. Ma, come abbiamo visto, gran parte di questa energia se ne va, si perde e si disperde. Certo viene da piangere a sapere che tutta l’umanità in un anno consuma una quantità di energia diecimila volte inferiore a quella che, nello stesso periodo di tempo, il Sole invia sulla Terra. Comunque questi fenomeni di dispersione sono spontanei ed   irreversibili. E cioè avvengono solo in un senso e non nel senso opposto. Ecco degli esempi di dispersione del calore che poi diventa irrecuperabile. Un corpo in movimento si arresta per attrito, emette calore e si riscalda; la pentola d’acqua calda lasciata sul fornello spento si raffredda, un falò che brucia della legna, se non ci mettiamo vicino almeno una salsiccia, quel calore non sarà servi finché loro lavorano e si moltiplicano……certo poi, quando un organismo vivente muore, cessa il lavoro delle cellule, il calore lo lascia e il corpo diventa freddo. La tendenza spontanea nell’universo, quindi, è verso l’appiattimento, la uniformità, l’annullamento delle diversità, e in fondo il caos, cioè un aumento dell’entropia.

108-Ordine e disordine

Altri esempi ci possono dimostrare che la tendenza è sempre verso il disordine: un castello di sabbia in una spiaggia deserta, col tempo tornerà ad essere un mucchio di sabbia e mai potrà accadere il contrario. Un mazzo di carte ordinato per semi e per numeri crescenti, cadendo si sparpaglieranno alla rinfusa e mai potrà capitare il contrario. In una camera è più facile che, una volta messa in ordine, dopo un poco di tempo si ritrovi in disordine, e non il contrario. La conseguenza di questa irreversibilità dei fenomeni naturali è l’evoluzione dell’universo, è lo scorrere del tempo che avviene sempre da un passato a un futuro, dall’ordine al disordine estremo, al caos. Da ciò si capisce perché sia più facile mettere in disordine che mettere in ordine. Il disordine in effetti si mette da sé e noi non dobbiamo sprecare energie per ottenerlo. Se abbiamo la camera in ordine, basta urtare inavvertitamente una sedia, basta che caschi  un foglio di carta in terra, che si rovesci un porta penne, siamo già sulla buona strada verso il caos, il disordine. 

Si, sono cose provocate da noi, ma del tutto inavvertitamente, senza volerlo e senza sprecare la benché minima energia. D’altronde anche senza il nostro intervento l’orologio si fermerebbe, la polvere si depositerebbe ovunque e in breve diventerebbe tutto più disordinato. Resterà un certo tipo di ordine fino a quando la camera rimarrà chiusa ed isolata dal mondo esterno. Se si aprono porte e finestre, i colpi di vento potranno far volare altre carte e in breve il disordine sarà assicurato. Invece l’ordine potremo riaverlo solo a costo di fatica e sudore. Allora, tutti i fenomeni in cui c’è un aumento del disordine sono spontanei, mentre quelli in cui il disordine diminuisce hanno bisogno di qualcuno che intervenga dall’esterno che impieghi energia per dare calore e, in fondo, per creare ordine. All’interno del sistema universo possono esistere, tuttavia, dei sistemi isolati dove l’entropia diminuisce. Cioè, qua e là, ci sono è vero dei fenomeni di aumento dell’ordine e quindi di diminuzione dell’entropia, ma ciò avviene solo localmente, perché complessivamente nell’universo il disordine può solo aumentare. L’essenziale è che, alla fine, il bilancio totale tra la diminuzione dell’entropia in una parte dell’universo, e il suo aumento generale, sia a vantaggio di quest’ultimo. Gli organismi biologici, ad esempio sono una palese violazione di quanto abbiamo detto fino ad ora. Infatti essi sono delle strutture ordinate che evolvono verso un ordine sempre maggiore e quindi di minore entropia. Ma il bilancio globale è quello che conta e deve includere alla fine sia l’organismo, sia l’ambiente che lo circonda e con il quale scambia continuamente energia e materia. Infatti gli organismi sia vegetali che animali si sviluppano e vivono, grazie all’aumento dell’entropia che essi provocano nell’ambiente circostante. In definitiva la diminuzione interna dell’entropia viene compensata e persino superata da un aumento esterno dell’entropia.

109-Zero assoluto

Alla fine insomma è sempre valido il secondo principio della termodinamica che regola il passaggio spontaneo di un sistema da uno stato di ordine ad uno di disordine, con relativo aumento della entropia. Per finire vediamo cosa succede se la smettiamo di dare energia a questi atomi.  Finalmente essi tornano allo stato precedente. Però, non è che si fermano. E d’altronde non stavano fermi neanche prima. Ma  allora, quando è che si fermano? tutti gli atomi di tutte le sostanze si muovono, non stanno mai fermi. Ora la logica dice che se il movimento degli atomi aumenta se li riscaldiamo, evidentemente diminuisce se lo raffreddiamo. E allora, prendiamo l’acqua nella quale si può quasi vedere il movimento degli atomi quando bolle, ebbene, se  la raffreddiamo fino a farla diventare ghiaccio che succede? il ghiaccio noi  lo vediamo immobile, così come è immobile un qualsiasi altro pezzo di materia, ma in effetti gli atomi lì dentro, anche alla temperatura di zero gradi si muovono. 

E allora cosa bisogna fare? Bisogna raffreddare ancora…si ma non esiste posto dove portare questo benedetto pezzo di materia e dove faccia freddo abbastanza da fermare il movimento degli atomi. Hanno visto infatti, con degli esperimenti particolari, che gli atomi si fermano ad una particolare temperatura che è stata chiamata zero assoluto, alla quale appunto gli atomi sono immobili, anzi, sarebbero immobili, perché questa temperatura, che è di –273,2 gradi centigradi, non può essere raggiunta in natura. E infatti in tutto l’universo non esiste un solo atomo in stato di quiete assoluta. Quindi, anche se teorica quella dovrebbe essere la temperatura più fredda di tutto l’universo. Anche il suono fa parte dell’universo, ha delle sue regole ben precise e, nel nostro universo non potrebbe essere altrimenti. Se il suono avesse delle regole e delle caratteristiche diverse, avremmo un universo diverso dal nostro. Esso nasce, così come la luce e il calore nel momento in cui si verifica l’immane deflagrazione detta Big bang. Una esplosione, cioè una improvvisa liberazione di energia, altro non è che un fenomeno caratterizzato oltre che da emissione di luce e di calore, anche da un rumore fortissimo tale da rendere il fenomeno stesso non solo visibile, ma anche udibile. Quello fu il padre di tutti i suoni, che poi si ripetuto e si ripete all’interno di tutte le stelle. Una cosa, comunque che va molto più lenta della luce, e si perde per strada molto prima di essa. L’universo infatti è talmente grande che, nonostante tutto il rumore che fanno le stelle, rimane un ambiente silenzioso, oltre che buio. Se la luce infatti non riesce ad arrivare ovunque, a maggior ragione il suono, che va più lentamente, non ce la fa a coprire quelle enormi distanze. Basta considerare il fatto che noi vediamo la luce emessa dal sole che, oltretutto ci permette di vivere, ma non abbiamo alcuna percezione del rumore emesso dalle esplosioni che avvengono su quella stella.  Ma cosa è in effetti questo suono? in cosa consiste?

Dove si parla della luce e di come si capisce che le stelle si allontanano tra loro

102-Calore

Allora fermiamoci un attimo e non somministriamo più calore alla sostanza. La materia che stiamo esaminando, se noi non le avessimo rotto le scatole con il nostro calore, sarebbe rimasta lì senza dare fastidio a nessuno. E si perché la materia inanimata non da fastidio a nessuno, ma nemmeno vuole che gli si rompano le scatole. E infatti non appena noi la lasciamo perdere, non vede l’ora di cedere di nuovo quel calore che noi le abbiamo dato, ne cede un po’ di meno di quello ricevuto perché la differenza è servita agli atomi per muoversi. Fatto sta che, in men che non si dica, la nostra sostanza ritorna nel suo particolare stato di “quiete”, il calore viene ceduto all’esterno, gli atomi rallentano la loro corsa e tutto torna come prima. Ma vediamo cosa succede, invece, se continuiamo a somministrare calore alla nostra sostanza. Piccolo esempio: prendiamo un pezzo di ferro, magari con una molla per proteggerci le mani, mettiamolo sul fuoco e notiamo che dapprima si riscalderà ed emanerà calore, poi, ad un certo punto diventerà rovente  e dopo ancora addirittura incandescente, cioè emanerà una luce rossa. La temperatura è salita a tal punto che il calore è diventato visibile, tanto da non chiamarsi più calore, ma luce. E’ nata cioè la luce!!!. 

E allora è necessario andare a vedere cosa è successo all’interno della materia, cosa è avvenuto di tanto strano da provocare la nascita della luce. Diamo uno sguardo allora, all’interno della materia e finalmente sapremo la verità. Il perché della nascita di questo fenomeno che ora è diventato visibile è presto detto. Intanto avevamo lasciato le onde ad una certa lunghezza. Continuando nel processo di riscaldamento la lunghezza delle onde è diminuita  e la frequenza naturalmente  è aumentata a tal punto che siamo arrivati al rosso di quel famoso spettro. Infatti, continuando a somministrare calore, gli atomi finiranno per impazzire, a causa di questa perturbazione così violenta, e la loro stabilità relativa andrà a farsi friggere. La prima cosa che succede è che gli atomi, già per loro conto in preda a movimenti violentissimi con frequenti urti reciproci, cominceranno a perdere elettroni. Ricordate i vari strati su cui sono disposti gli elettroni? E allora gli elettroni dello strato più esterno voleranno fuori dall’atomo, quelli dello strato immediatamente sottostante se ne andranno su quello superiore e così via, man mano che si liberano posti nei vari strati, arrivano elettroni da sotto pronti ad occupare gli spazi vuoti. Questo succede perché l’elettrone, acquistando energia, dal calore che noi gli stiamo somministrando, non si trovano più bene dove stanno e quel surplus di energia li fa balzare ad un livello maggiore. Ma  la materia, e questo vale anche per gli elettroni, preferisce la quiete o meglio il suo particolare stato di quiete, che come ho detto non è riposo totale.

103-Atto di nascita

Avviene allora una vera e propria guerra, a un certo punto, tra noi che col nostro calore cerchiamo di scompaginare tutta la composizione atomica della sostanza, e gli elettroni che tentano di tornare al loro posto. E in effetti per una frazione infinitesima di tempo essi riescono a riprendere il loro posto originario, prima però di volare di nuovo via. Però se volando via essi assumeranno energia dall’esterno, quando tornano al proprio posto essi restituiranno l’energia che avevano acquistato e la restituiranno sotto forma di luce. La frequenza di quelle onde di cui era composto il calore è diventata così alta, la lunghezza d’onda così corta che siamo entrati nel campo della luce visibile, dopo il rosso. Il famoso spettro poi, ci dice che se la frequenza aumenterà e la lunghezza d’onda si accorcerà ulteriormente, si passerà attraverso tutti i colori dello spettro e poi si avranno i raggi ultravioletti, i raggi x e i raggi gamma che sono pieni di energia con una frequenza altissima e una lunghezza d’onda cortissima, che noi, proprio come gli infrarossi non vediamo, ma ne percepiamo in qualche modo  gli effetti. Così nasce la luce, quella cosa che corre a quella velocità pazzesca e che noi possiamo riprodurre anche a casa nostra, come abbiamo visto con l’esempio del ferro, ma soprattutto perché ci basta  accendere una lampadina. Premendo uno degli interruttori che abbiamo a parete, non facciamo altro che far passare corrente nel filo e dare energia a quel sottile filamento che sta dentro la lampadina. Gli atomi di quel filamento impazziscono,  perdono gli elettroni che tornano subito al proprio posto restituendo subito dopo l’energia che avevano acquisito. 

E così il filamento diventa incandescente. Tutto questo succede anche all’interno delle stelle che sono delle lampadine enormi. Esse si accendono perché qualcuno, o meglio qualcosa le riscalda, come abbiamo fatto noi con il pezzo di ferro. Esse in effetti si riscaldano da sole perché è il loro stesso peso a provocare calore. La grande massa di cui sono dotate non fa altro che premere su se stessa tanto grande è il suo peso. E allora cosa succede sotto, al centro di questa massa  a causa di questo enorme peso degli strati esterni? Piccolo esempio se chiudiamo la mano a pugno e ci soffiamo dentro con forza cercando di vincere la pressione dell’aria succede che la mano si riscalda. Quindi con l’aumentare della pressione dall’esterno l’aria dentro il pugno si è riscaldata. Ma ora immaginiamo l’enorme perso della materia di cui è composta una stella. Ebbene questo peso provoca un riscaldamento tale, che dal semplice calore si passa, grazie al movimento vorticoso degli atomi a soprattutto degli elettroni che saltano di qua e di là,  alla emissione di luce visibile. Quindi, per dirla in due parole il calore è una questione di atomi che cozzano tra loro, la luce è una questione di elettroni che saltano da una orbita all’altra. Abbiamo così visto l’atto di nascita della luce. Da quel momento essa prende a correre nello spazio infinito e a seconda della sua intensità  e della grandezza della sua fonte arriva più o meno lontano.

104-Il fischio del treno

Noi siamo bombardati da queste fonti luminose, e non solo di giorno in cui il sole la fa da padrone, ma anche di notte, con tutti quei puntini luminosi che ci guardano da distanze più o meno enormi. La notte restiamo affascinati  da quella immensità di fonti luminose, ma di una cosa non ci accorgiamo e non potrebbe essere altrimenti. Non ci accorgiamo cioè del fatto che questi puntini luminosi si allontanano inesorabilmente da noi. Lo spazio infatti, si dilata e le stelle si allontanano tra loro. Vorrei cercare ora di spiegare come si è giunti a questa constatazione, o meglio quale è la prova sicura di questa continua dilatazione che avviene dall’epoca del Big Bang e non si è più fermata. Anche questo allontanamento tra le stelle avviene secondo regole ben precise. Non è un moto caotico, chi in una direzione, chi in un’altra, le galassie si allontanano tra loro con un movimento ben preciso. Per dirne una, gli scienziati hanno visto che la velocità con cui esse si allontanano aumenta man mano che aumenta la distanza. Pensiamo un po’ in venti miliardi di anni quanta strada devono aver fatto!! La sola nostra galassia ha un diametro di centomila anni luce cioè un miliardo di miliardi di chilometri. E’ stato calcolato per esempio che una galassia che dista da noi 4 miliardi di anni luce, si allontana da noi alla velocità di 80 mila chilometri al secondo. Galassie più vicine ovviamente si allontaneranno da noi a velocità minori. Ma come si fa a capire che queste galassie si allontanano? Dunque quando osserviamo una galassia, praticamente osserviamo la luce che essa manda in tutte le direzioni, e quindi anche verso di noi. Se la galassia si allontana è chiaro che si allontanerà da noi la fonte di quella luce. Quindi il problema è capire se la fonte di quella luce che arriva a noi si stia allontanando o avvicinando o non addirittura stia ferma, rispetto a noi. Facciamo un salto indietro. La materia e quindi gli elettroni sono fatti di onde e corpuscoli. Anche la luce fa parte della materia in quanto non è che un fascio di elettroni, ed è fatta di onde, così come il suono. Ora queste onde si comportano in maniera particolare. Però per poter capire questo comportamento forse è meglio parlarne prima applicandolo al suono, in quanto risulta più intuitivo. 

Esempio, se io sto fermo alla stazione e aspetto che passi un treno…solo così per vederlo passare. Lo vedo da lontano e quello, per farsi sentire comincia a fischiare. Ora immaginiamo che invece di fare un fischio ogni tanto, faccia un fischio unico fino a che arriva in stazione dove ci sono io….e anzi anche oltre. Allora questo fischio lo sentirò sempre più forte, fino a che arriverà in stazione, poi lo sentirò sempre più piano, fino a non sentirlo più. Ma il suono in effetti arriva a me attraverso delle onde, le onde sonore. E allora immaginiamo una serie di onde che dal treno, quando è ancora lontano, arriva fino a me, basta disegnare delle onde, cioè una linea ondulata. Se il treno stesse zitto la linea sarebbe diritta. Ora che succede a questa specie di molla che va dal treno a me, mentre lui si avvicina?

 105-Dopo il rosso

Mentre il treno di cui abbiamo parlato si avvicina a noi e fischia, succede che le onde sonore si schiacciano e da larghe diventano sempre più strette. Questo significa che il suono avvicinandosi a me aumenta e le onde si fanno sempre più strette. Nella luce è lo stesso. Quando la sorgente di luce si avvicina, le onde che arrivano a noi si schiacciano, mentre se la sorgente si allontana, le onde si allargano. Sempre continuando nella analogia con il suono quando le onde si schiacciano il suono diventa più acuto, più forte. Nella luce, quando la sorgente che la manda si avvicina, diventa più forte. Ma che significa che la luce diventa più forte? Quando abbiamo parlato dell’arcobaleno, cioè dello spettro di colori che forma la luce stessa, abbiamo visto che da una parte c’è il rosso e dall’altra il violetto, per riferirci alla luce visibile al nostro occhio. Questo perché sia dall’una che dall’altra parte ci sono altre componenti della luce che non vediamo ma di cui sentiamo gli effetti. Avevamo detto che da una delle due parti e cioè oltre il violetto i raggi erano più forti, più pieni di energia, più duri, tanto che qui troviamo gli ultravioletti che possono fare venire i tumori della pelle e i raggi x capaci di trapassare persino le nostre ossa. Ora dal violetto fin verso questi raggi le onde saranno più strette. Il contrario succede dall’altra parte cioè dopo il rosso, le onde si allargano fino quasi a diventare una linea appena appena ondulata. E da questa parte ci sono prima le microonde, quelle dei forni, e poi le onde radio. Tutte onde deboli, molto larghe per così dire. Adesso si tratta solo di chiudere il cerchio. Questo di cui abbiamo parlato si chiama spettro, cioè lo spettro dei vari componenti della luce, al centro una serie di colori, di qua il rosso e di qua il violetto. Dopo il violetto i raggi più forti e quindi le onde più strette, dopo il rosso i raggi più deboli e quindi le onde più larghe. Considerando allora tutte questa gamma di componenti della luce possiamo dire che il centro è dove c’è il giallo. Infatti se noi osserviamo una sorgente di luce ferma con dei particolari strumenti si registrerà una luce gialla. Se la sorgente si avvicina e, come succede nel treno che si avvicina, le onde si fanno più strette, si registrerà una luce viola. E, finalmente se registriamo una luce rossa, vuol dire che le onde si fanno più larghe il che sta a significare che la sorgente di luce osservata si sta allontanando. Ed è questo quello che succede da molto tempo a questa parte, cioè da quando osserviamo le stelle…che registriamo sempre una luce rossa, qualsiasi stella, qualsiasi galassia osserviamo. 

Rosso, quindi sinonimo di onde larghe, sinonimo di allontanamento. E’ chiaro che se la fonte della luce, cioè la stella, stesse ferma, noi vedremmo una luce gialla e se si avvicinasse,  una luce violetta. Tutto questo dimostra che le galassie, le stelle e i pianeti si allontanano progressivamente tra loro, con una velocità che, come dicono gli esperti, aumenta con l’aumentare della distanza. Proprio come si allontanano le uvette in un plum cake che sta lievitando.

Dove si parla degli atomi esistenti in natura e dei primi atti del processo di formazione della luce all'interno delle stelle.

98-Protoni e neutroni

Ma andiamo a vedere, in mezzo a questo vuoto enorme che è l’atomo, come è formato il nucleo. Intanto non tutti gli atomi sono uguali. Cambiano a secondo del tipo di materia che vanno a formare; si perché il nucleo non è una pallina ma un insieme di palline, dette protoni, tutte attaccate tra loro che possono variare di numero. Vanno da una sola pallina  ad un centinaio. Così come sono un centinaio gli elementi conosciuti. Ogni elemento è caratterizzato da un particolare numero di palline, o protoni, all’interno del proprio nucleo. L’idrogeno, l’elemento più semplice, ne ha una sola, il carbonio sei, l’ossigeno otto, il ferro ventisei, l’oro settantanove, il piombo ottantadue, l’uranio novantadue. Il numero di protoni esistenti al centro è poi bilanciato dallo stesso numero di elettroni che girano in periferia. E allora, per esempio, un pezzo di ferro sarà fatto da atomi, tutti con un nucleo fatto di ventisei palline e ventisei elettroni che girano. Tutti questi elementi sono stati catalogati e classificati in base al loro numero atomico, cioè al numero di protoni che posseggono, da un chimico russo di nome Mendeleev 

il quale ne ha fatto una tabella molto utile per capire così a colpo d’occhio di quale elemento e soprattutto di quale classe di elementi stiamo parlando. Infatti gli elementi disposti sulla stessa colonna hanno tutti la stessa proprietà. Non è un concetto semplice da spiegare, ma, se si ha voglia di dare una occhiata a questa tabella, non sarà difficile distinguere e raggruppare tra loro le varie classi degli elementi, dai più semplici ai più complessi. Ma torniamo ai nostri bei nuclei così stipati di palline, cioè di protoni. Essi sono pesanti, hanno una massa, anzi rappresentano la maggior parte della massa dell’intero atomo ed hanno, come già detto, carica elettrica positiva. Questa carica viene neutralizzata, dalla carica elettrica negativa degli elettroni che girano intorno al nucleo. La legge è questa, tanti protoni, tanti elettroni, e così l’atomo nel suo complesso è neutro. Il protone ha una massa 1.836,11 volte maggiore di quella dell’elettrone. Nonostante ciò tutti i protoni di un atomo sono stipati insieme in una zona centrale piccolissima. Basta pensare che l’atomo è 100.000 volte più esteso rispetto al suo nucleo. Ma non è finita, anzi è appena cominciata, perché c’è da dire anche che nel nucleo ci sono altre palline che si chiamano neutroni che hanno anche essi una massa e quindi un peso, ma non hanno una carica elettrica, lo dice il nome stesso. Sono neutri. Ma a questo punto i fisici si sono chiesti. Come mai i protoni riescono a stare così bene stipati, attaccati gli uni agli altri, pur avendo tutti carica positiva? In teoria dovrebbero respingersi e l’atomo dovrebbe scoppiare, disintegrarsi. Passi per l’idrogeno il cui atomo presenta un solo protone, ma già l’elio che ne ha due….e l’uranio che ne ha novantadue? E allora si ipotizzò che ci dovesse essere un qualche collante molto forte che tenesse uniti questi protoni e neutroni tra loro.

99-Isotopi

E allora si ipotizzò che ci dovesse essere un qualche collante molto forte che tenesse uniti questi protoni e neutroni tra loro. Si scoprì allora che la forza di adesione era determinata da un’altra particella, detta mesone, che, come una pallina da ping pong, fa avanti e indietro tra protone e neutrone. Ogni secondo, cioè, fa avanti e indietro milioni di miliardi di volte. La sua forza di coesione è data quindi dal fatto che, grazie alla sua enorme velocità, è come se si trovasse in due luoghi diversi contemporaneamente, cioè attaccata al protone e attaccata al neutrone. Queste forze che tengono insieme la struttura del nucleo evitano che il tutto esploda con conseguente rilascio di energia. Nel nostro nucleo quindi  i neutroni hanno grande importanza in quanto, grazie al collante di cui dicevamo, contrastano le forze di repulsione esistenti tra i protoni tutti dotati di carica positiva. L’idrogeno non ha neutroni, ma per esempio i tre protoni del nucleo del litio hanno bisogno di quattro neutroni e così negli atomi maggiori la proporzione tra protoni e neutroni è sempre più sbilanciata a favore di questi ultimi. Ad esempio per mantenere appiccicati i novantadue protoni del nucleo dell’uranio, occorrono ben cento quarantasei neutroni. La differenza tra i vari elementi che esistono in natura quindi, sta tutta qui nella diversa composizione degli atomi di cui sono fatti. Ora abbiamo visto che il numero di protoni  deve essere uguale a quello di elettroni che girano intorno al nucleo, per far si che l’atomo sia elettricamente neutro, ma per quanto riguarda i neutroni, che non hanno carica, il loro numero può variare senza che l’elemento si trasformi. Quasi tutti gli elementi presentano forme secondarie che differiscono dalle principali per il numero di neutroni. 

E gli atomi con numero di neutroni diverso da quello base, prendono il nome di isotopi, letteralmente stesso posto, perché occupano lo stesso posto dell’elemento principale in quella tabella del chimico russo.  Esistono isotopi naturali e isotopi che sono stati creati dagli scienziati, togliendo o aggiungendo neutroni all’atomo. Dei novantadue elementi esistono trecento isotopi naturali e mille creati artificialmente in laboratorio bombardando i nuclei degli atomi. E infatti uno stesso elemento può presentare una varietà di nuclei diversi e cioè con un numero diverso di neutroni, gli isotopi con un neutrone in più sono detti pesanti, quelli con un neutrone in meno sono detti leggeri. Un esempio per tutti: l’idrogeno che normalmente ha nel nucleo un protone e un elettrone che gli gira intorno, ha un isotopo pesante il cui nucleo accanto al protone presenta un neutrone. Si chiama deuterio, costituisce la cosiddetta acqua pesante, non è presente in natura e viene prodotta in maniera artificiale nelle centrali nucleari. Ma lasciamo perdere gli isotopi dei quali ci sarebbe tanto da dire, soprattutto sulla loro radioattività, cioè delle radiazioni che essi emettono.

100-Elettroni

Per completare il discorso sull’atomo, occorre accennare, infine, a quelli che sembrerebbero essere i più piccoli costituenti della materia. I Quark. Senza entrare in particolari che sarebbero troppo complicati,  entriamo nel protone e nel neutrone, per  trovare appunto, i quark, parola magica  che fu presa dal suo inventore pari pari da un verso di un poeta inglese. In ogni protone e in ogni neutrone ce ne sono tre e anche essi sono tenuti insieme da un collante potentissimo sotto forma di particelle dette gluoni dotate di una forza ancora più potente di quei mesoni che tenevano uniti i protoni  e i neutroni tra loro. A proposito di questi quark solo un dato sconvolgente, la loro dimensione. Prendiamo un protone, che già di per sé ha dimensioni assurde, dividiamo il suo diametro in mille parti, prendiamone una sola parte ed ecco un quark. Certo è difficile riuscire a immaginare questi affari così piccoli, forse più difficile che non immaginare gli spazi immensi dell’universo. 

Comunque, a proposito di spazi immensi…..adesso usciamo dal nucleo di cui ci siamo occupati fino ad ora, e attraversiamo lo spazio immenso che ci separa  dalla periferia dell’atomo e, quando siamo quasi arrivati al confine, troviamo questi elettroni che girano vorticosamente. Anche qui parliamo di dimensioni veramente infinitesimali. Gli elettroni hanno il diametro lungo, si fa per dire, un milionesimo di miliardesimo del diametro dell’atomo; cioè occorrono un milione di miliardi di elettroni posti l’uno accanto all’altro per fare il diametro dell’atomo. La meccanica quantistica, la scienza che si occupa dello studio di particelle così piccole, dice che gli elettroni sono un poco pazzi e soprattutto sono imprevedibili. Le loro orbite non sono come quelle dei pianeti, determinate e precise, o meglio, non sono nemmeno casuali, sono loro che girano a caso e saltano da un’orbita all’altra così senza un apparente motivo. Queste orbite si trovano appunto nella parte più superficiale dell’atomo e possono essere considerate come gli strati di una cipolla. Ogni strato ha uno o più elettroni. Naturalmente, come detto, tanti sono i protoni al centro e altrettanti sono gli elettroni in periferia. Si va allora dall’atomo di idrogeno, che ha un solo protone e un solo elettrone che gira in un unico strato, all’atomo di uranio che ha novantadue protoni e novantadue elettroni che girano disposti su  sette strati. Ogni strato, dal più interno al più esterno può contenere un certo numero di elettroni. Gli strati più esterni, essendo più grandi, avranno la possibilità di accogliere  più elettroni. Appena uno strato è pieno di elettroni, si dice saturo e il successivo elettrone va a disporsi sullo strato più esterno e così via, fino a saturare tutti gli strati. Gli atomi, quindi sono fatti così, perchè così era scritto nel capitolato. E vedremo che tutto questo avrà un significato e una sua ragione d’essere.

101-Luce

Torniamo a parlare ora della luce e vedremo che sarà più chiaro il meccanismo, ora che sappiamo tutto sulla composizione dell’atomo anche la luce è una caratteristica dell’universo, fenomeno che abbiamo già visto nascere all’interno delle stelle, ma che adesso vedremo più da vicino. La luce come il calore e il suono, sono dei fenomeni che hanno preso origine nella notte dei tempi in quell’originaria deflagrazione che conosciamo come big bang.  Da allora la nascita di luce calore e suono  si ripete all’interno delle stelle, e ancora oggi essi vagano per l’universo in espansione. Intanto bisogna dire che la luce è fatta di onde elettromagnetiche, ma anche di corpuscoli (vedi meccanica quantistica) e prende origine all’interno dell’atomo. E vediamo come. Sappiamo che la luce è intimamente connessa con il calore, infatti un corpo illuminato è anche caldo. Ma un corpo caldo non deve essere necessariamente illuminato. Per fare in modo che un corpo sia illuminato bisogna prima dargli del calore, successivamente il corpo non sarà solo caldo, ma emetterà anche luce. Siccome poi la luce ha lunga vita, e il calore si disperde, noi, ad esempio del sole sentiamo poco del calore che emette, non solo, ma lo sentiamo e non lo vediamo. 

Ora se noi riscaldiamo un corpo cioè lo sottoponiamo ad un processo di riscaldamento conferendogli un certo quantitativo di energia, non facciamo altro che apportare una perturbazione del campo elettromagnetico di questi atomi. Infatti gli atomi della sostanza che abbiamo riscaldato, stavano così bene per conto loro con il loro bel stato che, tuttavia, non è di quiete, di immobilità, ma che comunque è caratterizzato da un loro movimento, un moto che è proprio della loro natura. Con i suoi bravi elettroni che girano attorno ad un enorme spazio per lo più vuoto al cui centro stanno stipati in poco spazio i protoni e i neutroni. E tutto quest’insieme di protoni, neutroni, vuoto ed elettroni si muove, così come, a stretto contatto di gomito, si muovono gli altri atomi. Un movimento che conferisce alla sostanza le caratteristiche che le sono proprie e soprattutto la temperatura della sua superficie esterna. Così noi, andando a perturbare il campo elettromagnetico di questi atomi, non abbiamo fatto altro che provocare la loro reazione, cioè abbiamo determinato un aumento del loro movimento all’interno della sostanza; aumenterà di conseguenza la sfregamento tra gli atomi e la temperatura dalla sostanza aumenterà. Quindi il calore somministrato alla sostanza fa si che essa entri in sintonia con questo calore e si riscaldi anch’essa tramite l’aumento del movimento degli atomi. La sostanza cioè emetterà delle radiazioni elettromagnetiche le quali hanno forma di onde e si propagheranno in tutte le direzioni. Un po’ come quando buttiamo un sasso nell’acqua del lago e andiamo a perturbare la sua quiete, e, su tutta la sua superficie, si propagano le onde determinate da quella perturbazione. Le onde di calore che ora la nostra sostanza emana, hanno una certa lunghezza (lunghezza d’onda) che fino ad un certo punto resterà al di sotto di un certo valore. Cioè, nel famoso spettro verrà prima del rosso, che è il limite della luce visibile per noi esseri umani. Ed è per questo che noi il calore lo percepiamo, ma non lo vediamo.

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.