Apr 5

Quando la Natura rompe la simmetria... la colpa è nostra ***

Il titolo è alquanto sibillino, ma vuol dire, in pratica, che se ci accorgiamo che la Natura rompe quella che noi consideravamo una perfetta simmetria, è molto facile che il modello da noi costruito sia sbagliato.

L'argomento non è facile e mi limiterò ai concetti base, lasciando ai più volenterosi la possibilità di approfondirlo, non tanto nell'articolo originario (a pagamento su Nature), ma in un suo ampio sommario pubblicato sempre su Nature tra le news particolarmente importanti.

La Natura ama sicuramente la simmetria. Si può già vedere nel mondo macroscopico sia attraverso alcune forme ripetitive (vedi anche la rete dei neuroni del cervello e la rete cosmica che lega le galassie tra di loro, di cui abbiamo parlato QUI), sia nelle stesse creazioni primigenie degli esseri viventi, come ad esempio la tela di un ragno o un alveare. Tuttavia, nel mondo macroscopico, spesso e volentieri, cause esterne, sia artificiali che naturali, riescono a sconvolgere le regole di simmetria. Prendiamo ad esempio un colpo di vento che strappa una perfetta tela di ragno o un uomo che raccoglie funghi lungo un bellissimo cerchio delle streghe, lungo il quale spesso e volentieri si sistemano molte specie di questi ghiotti esseri viventi.

E' invece molto più facile assistere a regole di simmetria praticamente indistruttibili nel microcosmo, dove si esprimono le leggi fondamentali più importanti e fondamentali della materia dell'Universo. Non per niente, nemmeno il tempo riesce a influire su di esse e può scorrere sia avanti che indietro senza colpo ferire. Come ovvia conseguenza di questa regola, nasce la sicurezza di non capire o di avere sbagliato qualcosa quando ci si trova di fronte a manifeste mancanze di simmetria, come quella tra materia e antimateria. Si sta ancora lottando disperatamente per comprendere dove i nostri modelli siano sbagliati o dove si debba intervenire per comprendere le cause di una "rottura" che sembra andare contro natura.

Proprio per queste ed altre ragioni, i vari modelli della materia, che si cercano di affinare sempre più, nascondono probabilmente al loro interno errori o fraintendimenti decisamente inaccettabili. Consideriamo, ad esempio, la struttura dell'atomo. Ne abbiamo raccontato la lunga storia e abbiamo visto come sia cambiata di volta in volta la sua descrizione, dal panettone ripieno di canditi alla visione puramente probabilistica. Forse ci siamo illusi troppo presto di avere capito tutto e di avere anche compreso le vere capacità dei costituenti  base, siano essi i protoni, i neutroni, gli elettroni o le particelle ancora più elusive come i quark. A volte fa quasi ridere leggere gli schemi che rappresentano l'attuale modello della materia, sempre in attesa che compaia qualche nuova particella in grado di sanare ciò che non si riesce ancora a capire (vedi materia oscura...).

Torniamo al nostro atomo... Sappiamo bene che esiste un nucleo formato da protoni e neutroni circondato da quelle straordinarie e irrefrenabili creature che sono gli elettroni. La loro continua fuga e i loro giochi sempre più arditi, compiuti insieme ai fotoni, li mettono quasi sempre in evidenza. Sono loro che causano i fenomeni maggiormente visibili e spettacolari. Non dimentichiamo, però, che la massa dell'atomo sta quasi completamente nel nucleo, anche se esso sembra una parte pigra e desiderosa di stare tranquilla. In realtà, non è affatto così.

Se una stella come il Sole riesce a vivere per miliardi di anni lo deve proprio ai loro giochi meno appariscenti, ma di straordinaria importanza. Se gli elettroni che fuggono e i fotoni che si lanciano verso lo Spazio ci regalano la luce, il motore resta acceso e funzionante perché i protoni riescono a superare barriere apparentemente insormontabili (tanto per fare un esempio l'effetto tunnel). Analizziamo un po' meglio coloro che compongono il nucleo: protoni e neutroni. Creature del tutto simili che differiscono solo perché i primi hanno una carica e i secondi sono neutri. Ma la struttura generale può anche tralasciare questo fatto che si ripercuote (e sappiamo abbastanza bene come) durante i loro cambiamenti energetici.

In altre parole, da un punto di vista strutturale, protoni e neutroni sono del tutto equivalenti. Ed ecco, invece, che durante studi mirati a comprendere sempre meglio la formazione degli elementi pesanti nelle supernove e nei loro residui stellari, appare un'asimmetria del tutto inaspettata. Cosa si è fatto in pratica? Si sono considerati due elementi tali da avere lo stesso numero di particelle nel loro nucleo, ma invertite tra neutroni e protoni. In particolari si sono predisposti due isotopi dello stronzio e del bromo,  tali da avere entrambi 73 particelle, ma il primo con 38 protoni e 35 neutroni  e il secondo con 35 protoni e 38 neutroni. Entrambi isotopi rapidi nel loro decadimento. Tuttavia, a livello di minima energia, essi sarebbero dovuti apparire con la stessa identica struttura nucleare e, invece, hanno già mostrato una differente "sistemazione" dei loro componenti. La figura che segue ne dà un'idea molto semplicistica, ma abbastanza efficace.

D.E.M. Hoff et al., Nature, 2020.
Fonte: D.E.M. Hoff et al., Nature, 2020.

La simmetria speculare tra protoni e neutroni, che ci si aspettava, era già rotta e la disposizione presentava una chiara differenza. Possiamo dire che si è notato uno spostamento di posizione del tutto incomprensibile.  Sembrerebbe cosa da poco e, invece, è un fatto che crea forti dubbi sulla nostra reale comprensione della struttura del nucleo atomico. Come già detto, una rottura di simmetria nasconde molto probabilmente un nostro errore nei modelli teorici.

Non posso andare nei particolari, ma sembrerebbe che il modello dell'atomo -e del suo nucleo, in particolare- debba essere, ancora una volta, modificato e perfezionato.

Maggiori informazioni QUI o nell'articolo originale QUI.

 

1 commento

  1. maurizio bernardi

    La visione di  una natura simmetrica , totalmente simmetrica è una idea radicata nella nostra mente. Forse perché ci fermiamo troppo alla superficie, alle apparenze. Il corpo umano sembra simmetrico, dal di fuori. Ma al suo interno non troviamo una grande simmetria. Due polmoni ma un solo cuore, a sinistra, per giunta. Due reni ma un solo fegato , un solo stomaco, messi un po’ qua e un po’  là.

    Pierre Curie, studiando le cause che producono variazioni nella dinamica dei sistemi fisici enunciò il principio che “cause simmetriche producono effetti simmetrici”.  Se così fosse il flusso dell’aria attorno ad un corpo simmetrico sarebbe simmetrico, e il flusso di un liquido in un’apparecchiatura con simmetria circolare avrebbe simmetria circolare. Ma nella realtà non è così. Il flusso d’aria attorno ad un aereo a simmetria bilaterale non ha simmetria bilaterale. Lo sanno bene i piloti. Occorre tenere conto della stabilità del sistema.

    Se considerate una matita in equilibrio sulla punta, in posizione perpendicolare al tavolo, potete affermare che questo sistema presenta una simmetria di rotazione attorno all’asse verticale della matita. Però sappiamo che questa situazione è altamente instabile, basta una minima perturbazione e la matita cade. Lungo quale direzione? Non lo sappiamo prevedere, perché non si può prevedere.  Ma in ogni caso la caduta fa perdere la simmetria lungo l’asse verticale. Lo stato di minima energia assunto dalla matita non è compatibile con la simmetria “evanescente” iniziale.

    All’interno di un reticolo cristallino troviamo un ordine e una simmetria di grado estremamente elevato. Tuttavia, nella realtà in zone circoscritte si presentano rotture locali della simmetria. L’assenza di un solo atomo, o di uno ione  o di una molecola , in un punto dove dovrebbe essere, produce una distorsione delle celle elementari adiacenti.

    C’è sicuramente molto da capire e molte semplificazioni da rimuovere dalla nostra visione della natura, nel macrocosmo come nel microcosmo.

Lascia un commento

*

:wink: :twisted: :roll: :oops: :mrgreen: :lol: :idea: :evil: :cry: :arrow: :?: :-| :-x :-o :-P :-D :-? :) :( :!: 8-O 8)

 

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.