1/01/19

C’è tanto spazio laggiù in fondo… (soluzione del quiz di fine anno) **

Questo articolo è stato inserito nella sezione d'archivio "Dall'atomo alle galassie".

Approfitto della soluzione del quiz di Capodanno per un brutale assaggio della materia (non dei cibi festivi!) e delle interazioni fondamentali. Cosa c’è di meglio della celebre frase di Feynman per il titolo? Su suggerimento di Paolo (il papallicolo) penso proprio che faremo uscire, tra non molto, un articolo ben più corposo e accurato sulle interazioni fondamentali…

Cosa è la materia? Fatemi disegnare un pezzo di materia, tenendo presente che ho dovuto ingigantire il nucleo atomico (quel puntino appena visibile nel centro dei cerchi) e restringere di molto un orbitale elettronico (le circonferenze esterne).

Figura 1. Il vuoto è materia o la materia è vuota?
Figura 1. Il vuoto è materia o la materia è vuota?

Questa è la materia… Va già bene che gli elettroni, personaggi molto peculiari e giocherelloni si adattano sovente a servire due padroni e unire gli atomi in molecole.

Figura 2. Gli elettroni sono disponibili a essere servi di due padroni...
Figura 2. Gli elettroni sono disponibili a essere servi di due padroni...

Tuttavia, lo spazio “vuoto” rimane sovrano. In poche parole, le uniche particelle che riescono a vivere a contatto effettivo sono quelle nucleari (protoni e neutroni e ciò che li forma, i quark). Stanno insieme solo perché esiste una forza (meglio chiamarla interazione) molto forte che supera perfino l’istinto dei protoni ad allontanarsi l’uno dall’altro a causa della loro carica positiva. La colla che li tiene assieme, ossia le particelle che fanno da mediatori in questa situazione abbastanza critica, sono i pioni e i gluoni. Se non ci fossero loro a calmare le acque, i nuclei si disintegrerebbero e addio materia… Un ruolo decisivo che gli impone di dare il massimo in uno spazio piccolissimo.

La loro azione è tutta compresa nel nucleo e poco gli importa cosa succede fuori da quel nocciolo così importante. Forse non si rende nemmeno conto di lottare e vincere contro un’interazione dall’azione ben più ampia, quella elettromagnetica, proprio quella che vorrebbe fare allontanare tra loro i protoni. La stessa interazione che rende gli elettroni i veri dominatori della parte superficiale della materia, una specie di scudo che protegge il nucleo atomico. Se non girassero a grande velocità e non esistesse il principio di Heisenberg loro cadrebbero volentieri nelle braccia dei protoni, avendo segno opposto, e invece diventano vere e proprie sentinelle in continua interazione gli uni con gli altri.

Per scambiarsi informazioni e per divertirsi con giochi acrobatici (sono capaci di fare salti “energetici” prodigiosi, ma anche di scappare appena possono), usano particelle-non particelle, piccoli pacchetti di energia che non hanno paura delle distanze. Li conosciamo molto bene, sono i fotoni, quelli che regalano la luce, ma non solo… ovviamente. Leggetevi la QED e vedrete quante ne sanno combinare.

Vi sono ancora due interazioni da considerare: una è quella che lavora e domina il macrocosmo, la gravità. Un’interazione molto debole, ma che non ha confini. Forse anch’essa ha una qualche particella che invia segnali e informazioni, ma ancora nessuno è riuscita a identificarla.

Infine, quella più strana, molto debole, e in qualche modo opposta alle altre. Invece di tenere unito qualcosa, cerca di dividerlo e si occupa dei decadimenti nucleari. Il suo raggio d’azione è infinitesimo e coinvolge gli stessi quark. E’ l’unica interazione che “seduce” anche il neutrino, una particella estremamente piccola, numerosissima, che sopravvive per molto tempo (molte delle altre, come quelle mediatrici, vivono pochissimo, tranne, ovviamente, il fotone) e che è del tutto insensibile all’interazione elettromagnetica e all’interazione forte. Sarebbe sensibile alla gravità, avendo una piccola massa, ma è talmente piccola e veloce che non ne viene praticamente mai influenzata.

Ovviamente, ho raccontato in modo rozzo e impreciso il modello standard (o almeno alcune sue caratteristiche principali), ma ci vorrebbe ben altro e stiamo pensando insieme a Paolo, il celebre “papallicolo”,  di costruire una qualche “favola” che illustri l’avventurosa avventura del microcosmo e delle quattro interazioni fondamentali (oltre alle favole, già disponibili QUI, sui Papalli nel mondo subatomico). Per adesso accontentiamoci e andiamo alla soluzione del quiz, che potrebbe già essere data considerando quanto è stato detto finora in modo così banalizzato e semplificato (i più esperti mi perdonino).

Riprendiamo la frase di Feynman che dà il titolo a questa introduzione: “C’è tanto spazio laggiù in fondo…”. Eh sì, c’è tanto spazio nella materia ed essa può essere considerata decisamente formata per la stragrande maggioranza da vuoto. Per riuscire a incontrare qualcosa mentre si penetra nella materia bisognerebbe essere proprio fortunati e avere tanto tempo. Il secondo problema è un problema molto comune, dato che la gran parte delle particelle vivono molto poco. L’unico modo per avvinarsi ai nuclei, la parte “solida”, sarebbe essere sensibili a una qualche interazione. In altre parole, essere trascinati a forza verso di lei.

Prendiamo allora i nostri due amici del quiz: il fotone e il neutrino. Il primo, sia quello che sia (onda, particella, pacchetto energetico), vive proprio per mandare informazioni tra gli elettroni, è il loro messaggero e compagno di giochi. Appena un fotone entra nella materia, la cosa più facile è che si fermi da un elettrone e cominci quella splendida e variegata danza che Feynman ci ha raccontato così bene nella QED.

In fondo, anche se in qualche modo virtuali, sono proprio i fotoni che tengono a distanza due elettroni e gli ricordano che hanno la stessa carica e si devono respingere.

Figura 3. Due persone che si gettano una palla in piede su due barche illustraìno molto bene come hli elettroni si tengano a distanza attraverso un fotone virtuale. La palla è proprio il fotone che una volta lanciato causa una allontanamento delle due barche. Da lontano non si vede la palla e si nota solo l'allontanamento...
Figura 3. Due persone che si gettano una palla, in piedi su due barche, illustrano molto bene come gli elettroni si tengano a distanza attraverso un fotone virtuale. La palla è proprio il fotone che una volta lanciato causa una allontanamento delle due barche. Da lontano non si vede la palla e si nota solo l'allontanamento...

 

Figura 4. Il celeberrimo diagramma di Feynman che illustra l'allontanamento di due elettroni per mezzo di un fotone "virtuale". Per saperne di più, consultare la QED.
Figura 4. Il celeberrimo diagramma di Feynman che illustra l'allontanamento di due elettroni per mezzo di un fotone "virtuale". Per saperne di più, consultare la QED.

E qui tocchiamo il tasto relativo alle domande supplementari (nascoste) che avrebbero potuto aiutare nella soluzione del quiz. Consideriamo il nostro caro “fondoschiena” e cerchiamo di vedere la sua superficie con un microscopio ultra-ultra-ultrapotente. Cosa vedremmo? Tante nuvole di elettroni che formano una barriera difensiva lontanissima dai loro nuclei atomici.

Cerchiamo di avvicinare il fondoschiena a una sedia. Anch’essa ha la sua superficie formata da nuvole di elettroni che proteggono i loro nuclei. Non solo però… Le nuvole elettroniche del fondoschiena e quelle della sedia non hanno nessuna intenzione di avvicinarsi troppo tra di loro. Ognuno a casa sua e occhio alla carica elettrica (elettrone respinge elettrone, avendo la stessa carica negativa). Conclusione? Fanno di tutto per respingersi e lo fanno utilizzando l’interazione elettromagnetica, ben più potente della interazione gravitazionale che tenderebbe a schiacciare il nostro fondoschiena sopra la sedia.

Fino a un certo punto tutto bene, poi si deve creare un cuscinetto di protezione tra elettroni nostri e quelli della sedia. In poche parole è come se noi fossimo sempre sospesi su un cuscinetto di vuoto, anche se pensiamo di sentire un contatto. Nemmeno per sogno, i nuclei atomici, la parte più corposa della materia sono ben distanti e nemmeno riescono a vedersi tra loro, altro che “toccarsi”.

Figura 5. Chi si accorge del cuscinetto di vuoto che ci sostiene mentre siamo seduti?
Figura 5. Chi si accorge del cuscinetto di vuoto che ci sostiene mentre siamo seduti?

Un attimo, un attimo… c’è qualcosa che non va… se io do un colpo troppo forte alla materia che dovrebbe essere vuota sento male e come! Bene, tutto ciò è dovuto al nostro cervello che sa trasformare le varie reazioni tra nuvole elettroniche in sensazioni sia mentali che fisiche.

Una prova ancora più semplice, in cui il cervello e le sue terminazioni nervose (che funzionano, in fondo, con impulsi elettromagnetici) non mettono “lingua” è il taglio di un foglio di carta con delle forbici.

Figura 6. Le forbici che tagliano un foglio di carta non fanno altro che fare scappare gli elettroni della carta e la lasciarle via libera.
Figura 6. Le forbici che tagliano un foglio di carta non fanno altro che fare scappare gli elettroni della carta e la lasciare via libera agli elettroni del metallo. Una fuga dominata dalla interazione elettromagnetica.

Taglio? Altro che taglio… gli elettroni delle forbici cercano di entrare nella materia-carta e davanti e di fianco vedono gli elettroni della carta che si ritirano di gran carriera, lasciandogli spazio, anche a costo di separarsi dai legami molecolari (vedi Fig. 2) che tenevano uniti gli elettroni con più di un atomo. E più questo legame tra atomi è forte e più difficile è il taglio. In certi casi saranno proprio le forbici a rompersi, ossia a subire una ritirata delle loro nuvole elettroniche più esterne. E non pensate che solo la carta o la carne o l’acqua siano fatte di vuoto. Lo sono anche le pietre e i pezzi di metallo, solo che i loro legami tra atomi è molto resistente e ci vogliono attrezzi con maggiore resistenza molecolare per ottenere la vittoria e separare le nuvole elettroniche dell’avversario.

Cosa succede, allora, a un fotone che cerca di entrare nella materia, o -meglio- nel vuoto della materia? Non ha massa e quindi solo in casi eccezionali la gravità riesce a modificarne la sua traiettoria. Tuttavia, i suoi amici elettroni lo chiamano da tutte le parti e, quasi sempre, è costretto (con gran piacere) a fermarsi presso uno di loro e ad essere veramente “assorbito” dal gioco. Poi magari ne viene riemesso un altro, ma poco importa… la luce è stata bloccata dagli elettroni che non hanno permesso un viaggio tranquillo e senza interruzioni.

Un foglio di carta sottile e scuro è sufficiente a bloccare la maggior parte dei fotoni che arrivano da una sorgente luminosa. A seconda del materiale che viene inserito come schermo, vi possono anche essere molti fotoni che tornano indietro da dove sono venuti (chiedete a un specchio come si fa…).

Ben diversa è la situazione per un neutrino, particella in gran parte ancora misteriosa (a cosa serve veramente? boh..!). E pensare che il loro numero è incredibile, ogni secondo milioni e milioni di loro attraversano un nostro dito e non ce ne accorgiamo. Mettetegli pure davanti una roccia o anche un intero pianeta e state tranquilli che la stragrande maggioranza di loro l’attraverserà senza colpo ferire.

In fondo, a pensarci bene, è proprio il neutrino che si comporta nel modo più naturale e semplice: la materia è fatta di vuoto e quindi è estremamente difficile finire contro un nucleo atomico o un elettrone (ricordiamoci la Fig. 1). L’unica cosa che potrebbe catturare un neutrino è l’interazione debole, ma rimane un caso rarissimo perché lui dovrebbe passare proprio vicinissimo al nucleo. Al limite è molto più facile che attraverso l’interazione debole si formi qualche neutrino in più che inizi il suo viaggio nel… vuoto.

La gravità è insignificante per un oggetto così piccolo e poi la gravità, la più debole tra le interazioni, crolla velocemente con la distanza… come volete che si faccia sentire quella di un nucleo atomico che chissà a quale distanza si trova? La vera forza del neutrino è che non risente assolutamente dell’interazione elettromagnetica (non ha carica elettrica) e può tranquillamente proseguire il suo cammino nell’immenso vuoto della materia, senza rischiare di morire.

Forse, proprio i neutrini, quando saremo capaci di rilevarli meglio di adesso (se ne “becca” uno su miliardi e miliardi), potrebbero raccontarci l’origine dell’Universo. Molti di loro potrebbero arrivare dai primi istanti dopo il Big Bang e non avere subito incidenti di percorso. Dopo le onde gravitazionali, sarà la volta del neutrino a creare un nuovo tipo di informazione… ci potremmo giurare!

Un’ultima considerazione. Le risposte (pochissime… come sempre) si sono avvicinate molto alla soluzione (forse Ezio ha complicato troppo la faccenda) e quella di Paolo è stata una trattazione più che esauriente e precisa. Comunque sia, quando vi sedete pensateci e vi sentirete in preda alla… levitazione! (ho detto levitazione non lievitazione che farebbe qualcuno, come Oreste Pautasso, buttarsi a pesce pensando a un panettone e al suo baricentro…)

Che la forza (interazione) sia con voi!

8 commenti

  1. mila

    Accidenti che bel sito ! Vi ho scoperti solo ora e ne sono contenta, avrò da leggere, imparare e godermi tutto quanto fino alla fine dei miei giorni !

  2. cara Mila,

    i commenti come il tuo danno la voglia e la forza di continuare! Spesso scherziamo e ci dedichiamo alle favole, ai racconti un po' assurdi, a giochi ironici, ma puoi trovare tante cose serie sia nell'archivio che nei più 2000 articoli del sito. E puoi sempre chiedere a Scherzy che riuscirà subito a trovare ciò che ti interessa (TROVA UN ARGOMENTO).

    Un grande abbraccio e un BUON 2019 con la nostra (allegra) brigata: conoscere e imparare è la migliore medicina per il nostro cervello!

  3. Andrea I.

    Me l'ero perso questo :cry:

    Comunque....non sarebbe piú corretto dire che siamo fatti 99.9% di....luce?

  4. Andrea I.

    Perché, nella mia testa, immagino lo spazio tra i quanti di carica elettrica come una sorta di "pista da ballo" dei fotoni :mrgreen: . Insomma, il continuo scambio di informazione tra i quanti immagino renda quello spazio quanlcosa di estremamente movimentato e ben lontano dall'essere vuoto.

  5. perfettamente d'accordo, un gioco continuo e spesso imprevedibile... la QED lo dimostra...

  6. Gianluca

    i fotoni e gli elettroni sono compagni di "merende" di toscana memoria!

  7. Daniela

    Che nessuno spieghi a fotoni ed elettroni chi erano i compagni di merende... non vorrei che si offendessero e smettessero di giocare!

    :wink:

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