Sunday, October 21, 2018

Materia ed Energia

Quanta varietà nell’Universo. Un incredibile assortimento di oggetti, colori, forme e temperature per tutti i gusti. Eppure, in realtà, l’essenza di tutte le cose è la stessa, ed esiste immutata fin dalla nascita del Cosmo.

In fisica, il termine Materia indica genericamente qualunque cosa che abbia massa e che occupi spazio. La materia è costituita da diversi tipi di minuscole particelle, chiamate “subatomiche”, perché sono più piccole di un atomo.

Spinte dalle forze fisiche (di cui tanto parleremo) esse possono aggregarsi, e dare origine a strutture sempre più grandi e complesse. Tra queste minuscole particelle, le più note anche ai non scienziati sono i protoni, i neutroni e gli elettroni, nomi piuttosto comuni perché sono gli elementi fondamentali dell’atomo.

E’ importante sapere che quasi tutte le particelle posseggono una carica elettrica (ad esempio, l’elettrone ha carica negativa, il protone positiva). Per ogni particella, inoltre, in natura esiste una antiparticella, che generalmente è una particella identica (con la stessa massa) ma di carica opposta (un antiprotone è un protone a carica negativa, un positrone è un elettrone a carica positiva, ecc.).

Non sempre la definizione di antimateria è così semplice: il neutrone e l’antineutrone, ad esempio, hanno entrambi carica nulla, ma i loro componenti, i quark, hanno cariche opposte. Oppure pensiamo ai fotoni, che differiscono dagli antifotoni per l’opposta fase di oscillazione. Concetti un po’ complessi e non indispensabili per la nostra narrazione…

Occorre invece che teniamo presente una regola fondamentale di comportamento: quando una particella e la sua antiparticella si incontrano, entrambe si distruggono, un fenomeno detto annichilazione, di cui parleremo moltissimo in seguito. Per convenzione, chiamiamo “materia” le particelle che compongono gli oggetti dell’Universo (fatti di protoni ed elettroni), e “antimateria” le particelle di carica opposta, che sono rarissime nel cosmo, ma naturalmente è solo una convenzione.

L’atomo è la struttura che costituisce la materia ordinaria, fatta degli elementi chimici che ben conosciamo. Pensiamo agli atomi come ai mattoni che compongono una casa. I mattoni non saranno tutti uguali, ma tutti sono fatti della stessa sostanza. Allo stesso modo, tutti gli atomi sono costituiti da un nucleo, composto da protoni e neutroni, e da elettroni che orbitano il nucleo (per essere precisi, esiste anche un atomo che non ha neutroni, l’atomo di idrogeno, che è costituito solo da un protone e da un elettrone).

Tuttavia il numero delle particelle subatomiche può variare notevolmente. In particolare, è il numero di protoni presenti nel nucleo a determinare il tipo di elemento chimico. Può sembrare sorprendente, ma l’unica differenza tra, ad esempio, l’ossigeno e il ferro, è determinata solo dal numero dei protoni contenuti nei loro nuclei atomici!

Insomma, le enormi diversità apparenti in realtà nascondono una meravigliosa unità. Generalmente, in un nucleo atomico il numero dei protoni equivale al numero di neutroni. Esistono però anche “varianti” dello stesso elemento chimico, con un numero di neutroni diverso da quello dei protoni. Queste varianti si chiamano isotopi. Ad esempio, se aggiungiamo un neutrone all’idrogeno, otteniamo il deuterio; se ne aggiungiamo 2, otteniamo il trizio. Deuterio e trizio sono quindi due isotopi dell’idrogeno. Gli isotopi hanno proprietà chimiche leggermente diverse dall’elemento di base, pertanto anche il numero di neutroni ha un ruolo importante.

Gli atomi, come detto, compongono gli elementi chimici (per chiarirci, quelli presenti sulla tavola periodica!). Gli elementi chimici, a loro volta, possono combinarsi in strutture più complesse, proprio come i mattoni vengono cementati insieme in strutture diverse a seconda della loro funzione nell’edificio. Gli atomi possono ad esempio aggregarsi in molecole, come l’acqua, che è l’unione di atomi di idrogeno e ossigeno.

Vedremo presto come da minuscole particelle si sia sviluppata la maestosa varietà di forme e sostanze che oggi ci circonda. Parleremo molto di elementi chimici, di come vengono prodotti e di come, grazie a questa instancabile produzione, l’Universo ha potuto generare le innumerevoli forme in cui si presenta, perfino esseri viventi. Perfino Noi…
L’Energia

L’Energia è ovunque, ed esiste, come la materia, fin dall’inizio del Tutto. In natura esistono molte forme di energia: termica, elettrica, chimica, nucleare ecc.

Ma come la materia, l’Energia non si crea, né si distrugge, ma può solo passare da una forma all’altra. Qualsiasi cosa, anche ciò che può sembrare inerte, in realtà contiene energia. La fisica definisce l’energia come la “capacità di compiere lavoro”. Con termini un po’ meno scientifici e più fantasiosi, potremmo dire che l’energia è la caratteristica che rende l’Universo un luogo dinamico, vibrante, vivo.

Nel nostro viaggio tra i misteri dell’Universo, parleremo in particolare dell’energia radiante, quella che viene emessa da qualsiasi oggetto nella forma di onde elettromagnetiche. Una forma di radiazione elettromagnetica è la luce visibile, ma ne esistono tante altre, che si differenziano tra loro solo per la loro lunghezza d’onda. Le onde più lunghe sono le onde radio, seguite dalle microonde, i raggi infrarossi, la luce visibile, la radiazione ultravioletta, i raggi X e i raggi Gamma. L’insieme di tutte le possibili forme di radiazione è detto spettro elettromagnetico.

Ogni tipo di radiazione elettromagnetica ha un ruolo importante nella nostra vita di tutti i giorni. Pensiamo alle applicazioni dei raggi X per le radiografie in medicina, ai forni a microonde, o alle nostre radio! La natura dell’energia è ondulatoria (sono onde), ma è anche corpuscolare. Le radiazioni vengono infatti trasportate da pacchetti di energia chiamati fotoni. Essi sono particelle, ma diverse dalla materia in quanto non hanno massa. Bel rompicapo, eh?

Occorre tener presente alcune importanti caratteristiche della radiazione elettromagnetica che ci saranno molto utili nella nostra narrazione:
tutti i tipi di radiazione elettromagnetica si muovono alla stessa velocità, cioè alla velocità della luce (circa 300.000 km al secondo). Questa velocità, indicata con la lettera “c” (dal latino celeritas), è sempre costante
oltre alla lunghezza d’onda, i diversi tipi di radiazione elettromagnetica si distinguono per la loro frequenza, che si misura come il numero di onde che si formano in un secondo, o hertz. La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda, cioè più corta è l’onda, più alta è la frequenza. Questo è intuibile: muovendosi alla stessa velocità, nel medesimo periodo, le onde più corte si susseguiranno più velocemente. I fotoni a più alta frequenza sono più energetici di quelli a bassa frequenza;
tutti gli oggetti emettono una serie di radiazioni elettromagnetiche (anche il nostro corpo). La frequenza massima della radiazione emessa (il suo picco) dipende dalla temperatura dell’oggetto: più alta è la temperatura, più corta è la lunghezza d’onda (quindi più alta è la frequenza, e maggiore è l’energia). Il nostro corpo ad esempio, con una temperatura di circa 36 gradi, emette radiazioni nell’infrarosso, invisibili agli occhi umani ma facilmente rilevabili con telecamere a infrarossi.

Queste non sono noiose nozioni di fìsica, ammesso che la fisica sia noiosa. L’energia, come la materia, ci compone. Senza la luce, nelle sue forme visibili e invisibili agli occhi, inoltre, non potremmo conoscere nulla di ciò che ci circonda e di ciò che siamo, perché le onde elettromagnetiche sono messaggeri di ciò che accade, e, soprattutto, di ciò che è accaduto. E come vedremo, perfino il Big Bang ci parla ancora, proprio attraverso la radiazione elettromagnetica.
Forme diverse, stessa realtà

Abbiamo descritto separatamente Materia ed Energia per praticità, in quanto si manifestano in modo molto diverso. Ma in realtà sono la stessa cosa! La materia contiene al suo interno energia, che può sprigionare in determinate condizioni. Allo stesso modo l’energia può trasformarsi in materia.

La formula che ci spiega questa realtà è la famosa equazione E=mc2, determinata da Einstein nell’ambito della Relatività ristretta. Analizziamo questa meravigliosa, sorprendente equazione.L’equazione più famosa del mondo

I parametri in gioco sono E (energia), m (massa) e c (la velocità della luce nel vuoto).
Sostituendo le parole ai simboli, leggeremo che l’energia equivale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato! Significa insomma che una piccola quantità di materia in sé contiene, e può rilasciare, una enorme quantità di energia.

Questa equivalenza può aiutarci a comprendere la natura dei fotoni come particelle prive di massa, che abbiamo menzionato sopra. I fotoni trasportano energia, e poiché materia ed energia sono la stessa cosa, possiamo quindi immaginare i fotoni come particelle.
Materia ed energia invisibile

Se vogliamo comprendere l’Universo, come del resto qualsiasi altro fenomeno o avvenimento nella nostra vita, è necessario in primo luogo liberarci dalla convinzione che ogni cosa sia come ci appare. Le prime impressioni, a volte, ingannano. “L’abito non fa il monaco” ci dice la saggezza popolare. E nessun proverbio si applica meglio alla Cosmologia.

Non dobbiamo lasciarci sconvolgere dal fatto che le forme di materia ed energia sopra descritte costituiscono solo una minima parte della materia e dell’energia che pervade l’Universo. I fisici stimano questa quota a un misero 4%. Solo il 4% del contenuto dell’Universo è direttamente rilevabile dai nostri occhi o da altri strumenti. Solo il 4% dell’Universo emette o assorbe radiazione. E il rimanente 96%?

I termini “materia oscura” ed “Energia Oscura” sono ormai di uso comune. L’aggettivo “oscuro” si riferisce appunto al fatto che non vengono rilevate direttamente, oltre al fatto che, ammettiamolo, non si sa ancora che cosa siano, e neppure se esistano veramente. Tuttavia, la loro presenza è testimoniata da effetti tutt’altro che oscuri, ma tangibili e intensi, e cruciali per l’esistenza del Cosmo e della vita come la conosciamo.

Dedicheremo approfondimenti a queste strane entità, di cui ancora si sa ben poco. Per ora concentriamoci sulla materia di cui essenzialmente siamo fatti (in cosmologia detta materia barionica), e sull’energia elettromagnetica, quella che possiamo captare facilmente. Ma teniamo sempre presente i nostri saggi proverbi.
Punti essenziali

Abbiamo raccontato così poco, ma abbiamo già menzionato alcuni aspetti fondamentali, e stupefacenti, dell’Universo:
tutto ciò che esiste oggi è sempre esistito. Le innumerevoli forme in cui si presenta la natura, così estremamente variegata, in realtà riflettono trasformazioni dei costituenti del Cosmo
gli elementi chimici differiscono tra loro solo per il numero di protoni nei nuclei dei loro atomi
materia ed energia, la prima tangibile, la seconda solo apparentemente più effimera, sono la stessa essenza
potrebbero esistere forme di materia ed energia che non vediamo direttamente, che però compongono la quasi totalità dell’Universo e giocano ruoli fondamentali nella sua esistenza

Questo è già sufficiente, a mio parere, per farci percepire quanto siamo importanti e come non siamo soli, ma tutti uniti dalla stessa origine e dallo stesso destino. Non siamo spettatori che studiano l’Universo. Noi siamo Universo.

Nel prossimo Capitolo parleremo del terzo elemento costituente dell’Universo, lo spazio. Sembra un concetto banale, e invece ci sarà tanto da dire!

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