I mattoni dell’Universo

Cosa c’è oltre a noi nell’Universo? Di cosa è fatto ciò che ci circonda? Sono domande a cui è difficile rispondere. Scopriamo perché!

Di cosa è fatto l’Universo? Il filosofo greco antico Democrito fu fra i primi a porsi questa domanda e a darsi anche una risposta. Secondo Democrito la realtà è costituita da atomi, particelle elementari, indivisibili e dotate di un eterno movimento che le caratterizza. Tale moto porta queste entità infinitesime ad aggregarsi, dando luogo a processi di creazione, distruzione e crescita, i quali sono alla base di tutto ciò che esiste. La realtà che ci circonda è dunque fatta da atomi e la sua varietà è dovuta alle diverse forme che queste particelle possono assumere e alle molteplici posizioni che loro stesse occupano, quando vanno a costituire la materia. L’atomismo democriteo ebbe successo e venne ripreso sia dal pensatore greco Epicuro, fondatore della scuola greca che porta il suo nome, che dal poeta latino Lucrezio.

Atomo di Litio: in rosso i protoni, in blu i neutroni e in grigio gli elettroni orbitanti.

La teoria atomica

La rivoluzionaria intuizione di Democrito è stata confermata e ribaltata allo stesso tempo dalla moderna teorica atomica. Oggigiorno è immediato affermare che la materia sia fatta atomi, ma essi non sono particelle elementari, in quanto possiedono una loro struttura interna. Lo studio dell’atomo ha portato ad affermare che ogni atomo possiede un nucleo, costituito da protoni e neutroni, attorno al quale orbitano gli elettroni, allo stesso modo con cui la Terra orbita attorno al Sole nel Sistema Solare. Sebbene esista un’analogia nel tipo di moto che descrive un sistema planetario e un sistema atomico, questi si distinguono nel tipo di interazione che li caratterizza, poiché Terra e Sole interagiscono per attrazione gravitazionale, mentre l’elettrone interagisce col nucleo tramite forze di natura elettromagnetica. Per spiegare questo punto, è importante sottolineare che protoni, neutroni ed elettroni sono particelle ben diverse fra di loro: protoni e neutroni hanno masse simili ma molto maggiori di quella dell’elettrone, che è invece una particella leggera; i neutroni sono neutri, come suggerisce il nome, mentre i protoni hanno una carica netta positiva, opposta a quella dell’elettrone, che è invece carico negativamente. La carica è proprio la grandezza fisica responsabile dell’interazione elettromagnetica fra le particelle.

La discussione sul concetto di elementarità potrebbe protrarsi ulteriormente, in quanto protoni e neutroni non sono a loro volta elementari, ma sono costituiti dai cosiddetti quark, particelle ancora più piccole che vanno ad inserirsi nel panorama del Modello Standard delle Particelle Elementari, la descrizione più fine del reale ottenuta finora.

Fermandoci al livello di nuclei ed elettroni, senza addentrarci nel modello a quark, possiamo rispondere con maggior precisione alla domanda di partenza. Con varie combinazioni di protoni, neutroni ed elettroni si ottiene una pletora di elementi. L’idrogeno è costituito da un protone e da un elettrone. L’elio è costituito da due protoni, due neutroni e due elettroni. Il litio è costituito da tre protoni, tre neutroni e tre elettroni. E così via si hanno elementi sempre più pesanti, come l’oganesson, che presenta ben 118 protoni! Per conferire ordine a questo zoo di elementi chimici, è stata ideata la nota Tavola Periodica degli Elementi, nella quale gli elementi sono disposti con ordine in base al loro numero di protoni, di elettroni e in base alle loro proprietà chimiche. Questa tavola rappresenta una formidabile descrizione della natura, in quanto ogni materiale esistente può essere suddiviso in costituenti fondamentali che le appartengono, ma l’amara verità è che non è tutto qui. La materia di cui abbiamo discusso finora è detta materia ordinaria, o barionica, e rappresenta solo il 4.6 % di ciò che costituisce l’Universo. La parte restante è detta materiale oscuro e si articola in energia oscura (Dark Energy) e materia oscura (Dark Matter).

Diagramma a torta dell’Universo oggi (sopra) e 13.7 miliardi di anni fa (sotto). Credits: Wikipedia.

Materia ed energia oscura

La materia oscura costituisce il 24% del nostro Universo e porta questo nome in quanto non riflette né emette luce o altre forme di radiazione elettromagnetica. La sua presenza è sperimentalmente verificata a causa degli effetti gravitazionali che esercita sulla materia visibile. Furono gli astronomi a verificarne l’esistenza, studiando la velocità di rotazione delle galassie. Infatti, alla fine degli anni ’60 l’astronoma Vera Rubin mostrò che la maggior parte delle stelle delle galassie a spirale orbita all’incirca con la stessa velocità e ciò implica l’esistenza di materia non visibile, cioè oscura. La domanda sorge spontanea: di cosa è fatta la materia oscura? I candidati ipotizzati presentano nomi esotici, fra i quali i neutralini, particelle elementari teorizzate, ma non ancora scoperte, analoghe in un certo senso ai neutrini, o i gravitoni, che sono le particelle responsabili della gravità. In aggiunta a queste nuove forme di materia, altre ipotesi plausibili presentano come candidati le nane brune e i buchi neri supermassicci. Le nane brune sono stelle con massa tale da non innescare la reazione di fusione dell’idrogeno al loro interno e quindi si raffreddano indefinitamente. Se esse fossero parte della materia oscura, allora alla materia barionica spetterebbe una fetta più ampia della torta dell’Universo. I buchi neri supermassicci hanno una massa pari a miliardi di volte quella del Sole e si suppone siano al centro di molte galassie. Essi sono il risultato di potenti collassi gravitazionali nello stadio finale della vita delle stelle.

L’energia oscura costituisce il 71.4% del nostro Universo. La prova della sua esistenza venne nel 1998 durante l’osservazione di supernove distanti, ovvero di esplosioni di stelle. La sua presenza è necessaria per giustificare l’espansione sempre più rapida del nostro Universo, ma, oltre a ciò, è un vero mistero. Alcune ipotesi sostengono che essa porterà all’estinzione dell’Universo nel cosiddetto Big Rip, che rappresenta il destino ultimo dell’Universo, nel quale gli atomi vengono disintegrati e l’Universo è ridotto ad una serie di particelle elementari separate le une dalle altre, senza possibilità di interazione. Nonostante questa fine possa sembrare catastrofica, il fisico britannico Roger Penrose afferma che l’Universo morto potrebbe dare origine ad un nuovo Big Bang e che l’attuale Universo è solo uno dei tanti universi che si susseguono.

Parafrasando le parole di Freeman e McNamara, noi non siamo essenziali per l’Universo e non siamo nemmeno fatti della maggior parte della sua stessa materia. Anzi, siamo fatti della più piccola parte di ciò che lo costituisce. L’Universo è fatto di oscurità.

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