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Dall'atomo alle stelle, dalle stelle all'atomo

Come vedete siamo arrivati a bomba alle righe spettrali. Siamo entrati, senza quasi accorgercene, nel mondo dei giganti e le stelle rappresentano la prosecuzione della storia dell'atomo. Inoltre, solo la Meccanica Quantistica (MQ) può spiegarci sia il modello atomico che le righe degli spettri stellari. E’ ora che intervengano i pacchetti d’energia e la nuova interpretazione di Bohr. Come si fa a toccare la materia senza avere i rudimenti base della MQ?

E’ perfino un peccato che l’atomo di Rutherford sia durato pochissimo, talmente è innovativo. Forse è per questo che si continua  a usarlo in tante scuole? Tuttavia, questo è il destino delle grandi scoperte: mettono subito in condizioni di fare il passo successivo. Rutherford, perciò, ha avuto un’importanza fondamentale e le grandi scoperte non si misurano con la loro durata temporale. Oltretutto, il succo del modello (nucleo e elettroni molto distanti) rimane inalterato anche nell’ottica dell’onnipresente principio d’indeterminazione di Heisenberg.

Con l’atomo di Rutherford, una piccola meraviglia che, però, non può esistere, siamo arrivati a un punto fondamentale nella fisica della materia (microcosmo) e nell’astrofisica (macrocosmo). Non possono più fare a meno una dell’altra! Fino a questo momento, in qualche modo, la chimica si è occupata delle interazioni tra le particelle più piccole (atomi), mentre l’astrofisica ha cercato di capire cosa fossero le stelle e come si potessero leggere le loro caratteristiche attraverso l’unica informazione che ci mandano (la luce).

Tuttavia, la luce fa parte delle interazioni tra le particelle del microcosmo e la faccenda si annoda e si ingarbuglia sempre più. In un momento in cui sembrava che la fisica classica avesse spiegato quasi tutto (soprattutto dopo le equazioni di Maxwell) si aprono da tutte le parti problematiche nuove e rivoluzionarie. Molte di loro evidenziano la polvere che in qualche modo è stata messa sotto al tappeto, come la catastrofe ultravioletta, un argomento collegato strettamente agli spettri stellari. Non parliamo poi delle righe spettrali che si rifanno direttamente alla consistenza del modello atomico.

Quasi senza accorgersene nasce la meccanica quantistica, una soluzione matematica prospettata da Planck, quasi per disperazione, in cui lui stesso non crede e considera un artefatto di comodo. D’altra parte proprio a chi sta rivoluzionando la meccanica classica a seguito delle scoperte di Maxwell (e che sa utilizzare al meglio le trasformazioni già prospettate da Lorentz) si deve la prova decisiva di quanto Planck avesse ragione. Sì, proprio lui, Einstein, che sarà sempre un duro oppositore delle leggi assurde che sembrano negare una realtà deterministica. “Dio non può giocare a dadi”, diceva, intendendo che ogni cosa capita a seguito di un'altra, in una continua successione di causa ed effetto. E, invece, questa nuova “scienza” sembra dimostrare che la Natura agisce a casaccio, scegliendo senza alcuna regola e affidandosi solo alle probabilità che un evento possa accadere.

Insomma, un momento meraviglioso di menti sublimi e di idee innovative, di cui è quasi impossibile fare una storia temporale, tanto le varie scoperte si intrecciano e si annodano una con l’altra. Sembra di rivivere, nella Scienza, il periodo artistico del primo quattrocento. Mai tanti artisti geniali erano vissuti assieme e avevano incrociato le idee personali in una visione sempre più generale e coerente. Non vi era un vero maestro, dato che ognuno portava un mattoncino in più alla rivoluzione tecnica della prospettiva e alla visione solida e potente dell’uomo che, per la prima volta, prendeva coscienza di sé e poteva calpestare il suolo reale che la prospettiva gli aveva creato.

Così sta succedendo nei primi del novecento, in cui si intrecciano teorie diverse, esperimenti al limite dell’assurdo e visioni sempre più generali che permettano al microcosmo di spiegare ciò che capita nel macrocosmo. Una rivoluzione concettuale prima che fisica.

Tante parole per dirvi che non è facile scegliere come andare avanti nella storia della scienza dell’inizio del nuovo secolo. Per spiegare una cosa bisogna darne per assodata un’altra e viceversa. Se lavorassimo solo sull’evoluzione della meccanica quantistica perderemmo di vista lo sviluppo degli studi delle stelle come entità macroscopiche. Se parlassimo dell’evoluzione stellare avremmo comunque bisogno delle righe spettrali e quindi della meccanica quantistica. Per non parlare della meccanica relativistica che, se apre una nuova visione dello spazio-tempo, si oppone duramente a molte conclusioni quantistiche, prima fra tutte l’impossibilità della gravità, la forza che domina il macrocosmo, di trovare un posto ben definito all’interno delle regole dell’infinitamente piccolo.

Siamo, quindi a un bivio fondamentale nella storia dell’astrofisica e della fisica della materia. Ognuna ha bisogno dell’altra. Non ci resta che andare avanti di pari passo e mantenere un continuo collegamento tra le due discipline, come fossero due elettroni che si scambiano l’informazione attraverso il loro messaggero luminoso, il fotone. In fondo, le due avventure, vedono proprio il fotone come personaggio principale.

Da un lato dovremmo continuare con l’atomo di Bohr e le sue successive rielaborazioni sempre più inserite nella MQ e dall’altro dovremmo parlare delle stelle, dei loro meccanismi esistenziali e -soprattutto- di ciò che la luce può raccontarci, proprio perché nasce dalle interazioni esistenti nel microcosmo.

Spettroscopia e struttura atomica sono, quindi, due facce della stessa medaglia. La spettroscopia riesce a raccontarci le stelle, le loro differenze e le loro caratteristiche “personali”. Tuttavia, essa ha bisogno della luce e della sua produzione, la quale può essere descritta e analizzata solo con la perfetta conoscenza della struttura dell’atomo. D’altra parte, l’interesse verso l’atomo nasce proprio perché ha ripercussioni sul mondo macroscopico. Il  messaggio troppo criptico e codificato delle stelle può essere decodificato solo conoscendo come lavora l’atomo e come interagisce con i propri simili. Lo studio delle stelle ha bisogno di sapere come funziona il mondo atomico; il mondo atomico viene studiato per riuscire a leggere i messaggi stellari.

Seguiremo quindi due strade, apparentemente diverse, ma sempre abbracciate l’una all’altra. Faremo salti enormi, con riferimenti reciproci  costanti, proprio perché manderemo avanti l’evoluzione scientifica e i suoi problemi in tempo quanto più possibile reale. Tuttavia, è un modo del tutto arbitrario, scelto per scopi utilitaristici e di semplicità divulgativa. Se qualcuno mi chiedesse quanto Paolo Uccello ha ricevuto da Masaccio e quanto Paolo Uccello ha dato all’arte del quattrocento, non esisterebbe nessuna formula esatta capace di legare il passaggio d’informazione dal primo al secondo e dal secondo agli altri, e via dicendo. Ognuno riceve e trasmette secondo regole non quantificabili.

Forse dovremmo inserire una moltiplicazione di ampiezze di probabilità e poi fare delle somme vettoriali… Forse la mente lavora proprio secondo le regole della QED (l'elettrodinamica quantistica)… Fermiamoci qui, se no cadremmo nella speculazione filosofica. Ricordiamo, però, che comunque si proceda nella spiegazione della Scienza, esiste sempre un filo comune che tiene il tutto ben legato e niente è veramente indipendente da qualsiasi altra “cosa”.

In pratica, l’atomo quantistico ci permette di risolvere la catastrofe ultravioletta, di capire cosa sono le righe spettrali, perché ve ne sono tante e non una sola, e perché esse rappresentano la carta d’identità preziosissima e indispensabile per conoscere una stella e le sue azioni. Con tutte queste informazioni legate al messaggio luminoso, solo apparentemente “semplice” e sempre uguale, si può ricostruire non solo la posizione spaziale e temporale delle stelle, ma anche la loro intrinseca differenza di composizione e di modo di vivere.

D’altra parte, le condizioni che esistono all’interno di queste “enormi stufe” ci informano sulla situazione a cui devono sottostare gli atomi e ci permettono di comprendere sempre meglio le loro interazioni. Un serpente che si morde la coda? Beh… la Scienza porta sempre a questo risultato, dato che cerca, in modi solo apparentemente diversi, di spiegare la stessa identica cosa: la Natura.

In conclusione, come già accennatovi, sospenderemo per un po'  la struttura dell’atomo e andremo sulle... stelle. Salteremo da un argomento all’altro, ma non preoccupiamoci: anche gli elettroni vivono "saltando"!

Via libera alla luce (ma per poco)

Immaginiamo di tornare indietro nel tempo, a una data particolarmente importante e fondamentale per la storia dell’Universo. Anno più, anno meno, sono trascorsi 380 000 anni dal Big Bang o da qualsiasi altra cosa abbia gonfiato quello strano palloncino spazio-temporale in cui è nata la materia e che è diventato l’Universo. Non vogliamo cercare di spiegare cosa è successo in questo intervallo ancora in larga parte sconosciuto e misterioso. Oltretutto, anche se ci sforzassimo di vedere cosa succede in questo periodo non vedremmo niente per una ragione molto semplice: non esiste la luce o -molto meglio- la luce non riesce a lanciarsi verso il futuro e quindi non può arrivare fino a noi. Troppa confusione e troppo poco spazio a disposizione! Ci basta sapere quello che si è formato: sicuramente gli atomi dei primi due elementi della Natura, i più leggeri, ossia l’idrogeno (soprattutto) e l’elio. Vi è anche un po’ di litio, ma possiamo anche trascurarlo.

L’Universo è nato caldissimo, ma si è velocemente raffreddato e gli elettroni si sono inseriti attorno ai nuclei atomici creando strutture neutre (le cariche positive e quelle negative si equivalgono). Elettroni, nuclei, raffreddamento… parole che ormai conosciamo. Per adesso, interessiamoci poco di loro dato che gli atomi neutri non sono in grado di produrre luce e la luce, come vedremo, è l’unica fonte di energia che noi uomini riusciamo a cogliere dalle stelle. Pensiamola anche come l’unica informazione che ci viene regalata.

Immaginiamo, quindi, questi atomi dispersi in uno spazio enorme per le loro dimensioni, troppo piccole anche se il loro numero è incredibilmente alto. Hanno raggiunto una stabilità interna e hanno tutto lo spazio che vogliono a loro disposizione. Anzi, questo spazio continua a dilatarsi e a ingigantirsi, mentre loro rimangono sempre gli stessi. La materia è quella che è e non può cambiare: nulla si crea e nulla si distrugge.  Sembra tutto perfetto e, invece, l’Universo è in una situazione veramente critica.

Tanto lavoro per nulla?

Ha lavorato in modo frenetico, violento, caotico, rapidissimo e ora si trova in una fase di stallo che sembrerebbe senza via d’uscita. Per un attimo siamo riusciti a “vederlo”, ossia abbiamo ricevuto la luce di ciò che stava stabilizzandosi. Poi anche quell’energia è finita (nessuno può rilasciarla e rimane circoscritta all’atomo) e la calma regna sovrana. Un atomo qui, un atomo là, senza interazioni e sempre più lontani gli uni dagli altri. Ma, soprattutto, un Universo che non potrebbe inviare luce e informazione. L’astronomia finirebbe, ma non solo. Non nascerebbero le stelle, i pianeti, la vita biologica e gli unici abitanti sarebbero tantissimi atomi di idrogeno, molti meno di elio e qualche atomo di litio. La storia dell’Universo sarebbe già terminata.

In realtà, ogni atomo ha una potenzialità enorme, vi sono forze potentissime che lo tengono unito e ne comandano la struttura, ma a che pro? Tutta fatica inutile, dato che queste forze o agiscono solo su distanze infinitesime oppure hanno bisogno che le cariche non si annullino, ossia che gli atomi cessino di essere neutri. Proprio questa condizione aveva permesso, poco tempo prima, di inviare, per un tempo molto breve, la luce verso un futuro in cui, però, nessuno potrebbe, ora, essere in grado di riceverla. Un destino buio, una specie di nebbia impenetrabile.

Insomma, ci vorrebbe proprio una bacchetta magica per cambiare una situazione che sembra senza speranza. Fortunatamente, questa bacchetta magica esiste già fin dall’inizio di tutto (o poco dopo) ed è la quarta forza del Cosmo, la meno potente, ma quella che meglio lavora sulle distanze enormi dell’Universo: la gravità. E’ la gravità, da sola, che permette agli atomi di non seguire una vita monotona, ripetitiva, senza alcuna interazione tra di loro. E’ la gravità che permette di far nascere le stelle, gli attori fondamentali del Cosmo, gli unici capaci di creare elementi più complessi dell’idrogeno e dell’elio, i primi oggetti che hanno permesso agli atomi di emettere nuovamente luce e accendere un Universo che ormai sembrava inesorabilmente spento.

A molti, forse, questo inizio sembra tutto fuorché scientifico. Assomiglia a un romanzo di fantascienza o a una triste favola per bambini, in attesa che qualche buona fata rompa un tragico incantesimo. Non abbiate paura, lentamente arriveremo a discutere in termini matematici e fisici, ma cosa sia una stella e cosa capiti nel suo interno sono proprio episodi simili a quelli di una meravigliosa avventura.

La Natura, ricordiamocelo sempre, segue regole molto semplici che siamo spesso noi a complicare, non riuscendole a capire.

 

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