6/10/14

La meravigliosa avventura dell’atomo. 4: aspettando Bohr e la spettroscopia *

Per una trattazione completa, inserita in un contesto più ampio, dell’argomento affrontato in questo articolo, si consiglia di leggere il relativo approfondimento

 

Un momento di pausa e di chiarezza prima di proseguire con l’atomo e sconfinare nella spettroscopia. Ho deciso di mandare avanti le cose in contemporanea, dato che ormai i legami si sono fatti troppo stretti. Una pausa in attesa di far rinascere l’Universo!

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 credeva e considerava un artefatto di comodo. D’altra parte proprio a chi stava 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 continueremo con l’atomo di Bohr e le sue successive rielaborazioni sempre più inserite nella MQ e dall’altro parleremo 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. I riferimenti reciproci saranno possibili, 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… 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, manderò avanti la struttura dell’atomo e di pari passo la spettroscopia. A volte sembrerà di saltare da un argomento all’altro. Non preoccupiamoci: anche gli elettroni vivono … saltando! Per dare un quadro il più possibile unitario, cercherò di cominciare proprio da zero. Molti troveranno banali e risaputi i primi concetti, ma penso che un bel ripasso non faccia mai male a nessuno…

Aspettatevi, qua e là, qualche semplicissima formula…

4 commenti

  1. beppe

    Grazie Enzo!!

  2. gioyhofer

    Magnifico, non vedo l'ora

  3. beppe

    Segnalo questo post molto interessante che mostra quanto la fisica quantistica sia presente a livello macroscopico:

    http://www.link2universe.net/2014-10-07/spettacolari-reazioni-chimiche-filmate-in-ultra-hd/

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