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ALLA SCOPERTA DELLA MATERIA

 Una ipotetica conversazione tra professore e studente
per scoprire di che cosa è fatto l'universo.




$: Professore, di che cosa è fatta la materia che ci circonda?

$: Tutta la materia che ci circonda, sia allo stato solido, liquido e gassoso, così come la materia che costituisce tutti i tessuti del nostro organismo, è fatta di soli tre tipi di particelle: i protoni, i neutroni e gli elettroni.

$: So che gli elettroni hanno carica elettrica negativa, i protoni hanno carica elettrica positiva, mentre i neutroni sono elettricamente neutri. So anche che i neutroni ed i protoni hanno una massa molto simile, mentre gli elettroni hanno una massa di circa 1800 volte più piccola. Sono queste le sole differenze tra queste particelle?

$: No, ci sono molte altre importanti differenze. Innanzitutto gli elettroni sono dei leptoni, mentre i protoni ed i neutroni sono degli adroni. Gli adroni sono tutte quelle particelle che sono soggette all'interazione nucleare forte, mentre i leptoni non ne sono soggetti.

$: Se ho ben capito, questo significa che i leptoni non risentono dell'interazione nucleare forte proprio come una particella elettricamente neutra non risente di un campo elettrico.

$: Certamente, e questo è molto importante perchè l'interazione nucleare forte è la più intensa che esista nell'universo. E' proprio l'interazione nucleare forte che è responsabile dell'esistenza e della stabilità dei nuclei atomici, che sono degli aggregati di protoni e neutroni.

$: E questa è la ragione per cui non esistono dei nuclei fatti di elettroni. Ma esistono altri leptoni oltre agli elettroni?

$: Sì, i leptoni sono sei. Tre di essi hanno carica negativa e sono l'elettrone, il muone ed il tau. Il muone ed il tau differiscono dall'elettrone perchè hanno una massa molto maggiore. Per ognuno di questi tre leptoni elettricamente carichi, c'è un corrispondente neutrino, particelle di massa nulla o piccolissima, elettricamente neutre.

$:Ma professore, lei non mi ha parlato di muoni e di tau, quando le ho chiesto di che cosa è fatta la materia che ci circonda!
Perchè non ci sono dei muoni o dei tau dentro gli atomi e dentro le molecole?

$: Perchè i muoni ed i tau non sono particelle stabili, ma decadono rapidamente. Non li troviamo quindi in natura come componenti di atomi o molecole, ma possiamo produrli in laboratorio attraverso processi ad altissima energia, ed osservare così i loro decadimenti. Come previsto dalla teoria della relatività, è infatti possibile trasformare l'energia in massa, e quindi creare delle particelle. L'energia necessaria per creare una particella è però molto superiore all'energia liberata nei processi chimico-fisici della materia stabile, e per osservare i muoni ed i tau dobbiamo ricorrere ad esperimenti di laboratorio. Considera che i moderni acceleratori di particelle permettono di raggiungere energie oltre un miliardo di volte superiori alle energie dei processi chimici e molecolari. L'elettrone ed i neutrini sono i soli leptoni stabili.

$: Ma se i neutrini sono stabili, perchè non li troviamo dentro gli atomi come gli elettroni?

$: Perché i neutrini sono neutri e quindi, al contrario degli elettroni, non risentono dell'attrazione elettrica dei protoni presenti nel nucleo atomico.

$: Ma anche i neutroni sono neutri! Eppure sono presenti negli atomi e nelle molecole.

$: Questo perchè i neutroni sono adroni, e quindi soggetti all'interazione nucleare forte. La formazione di atomi e molecole è dovuta unicamente a queste due interazioni, elettromagnetica e nucleare forte. Poichè i neutrini non sono soggetti a nessuna delle due, essi sono particelle solitarie, le quali, una volta create, si allontanano a grande velocità.

$: Adesso capisco perchè gli elettroni sono gli unici leptoni presenti negli atomi e nelle molecole. Ma torniamo agli adroni; a questo punto immagino che ne esistano altri, oltre al protone ed al neutrone.

$: Certamente. Oggi ne conosciamo circa 200, ma c'è una fondamentale differenza con il caso dei leptoni. I sei leptoni infatti sono considerati particelle fondamentali, ossia particelle prive di struttura interna. Gli adroni non sono invece particelle fondamentali, ma aggregati di due o tre particelle fondamentali. Queste particelle fondamentali che costituiscono tutti gli adroni sono i quark. I quark sono solo sei: up, down, charme, strange, top e bottom.

$: Quindi sei quark e sei leptoni, per un totale di dodici particelle fondamentali. Ma qual'è la forza che lega insieme i quark, permettendo loro di formare gli adroni?

$: Si tratta dell'interazione nucleare forte, la stessa che lega nel nucleo i protoni ed i neutroni.

$:Immagino che la ragione per cui nella materia che ci circonda siano presenti solo protoni e neutroni, sia che tutti gli altri adroni sono instabili e decadono rapidamente.

$: Proprio così. Non solo, ma dei sei quark, solo due sono stabili, il quark up ed il quark down. Il protone è costituito da 2 up ed 1 down, mentre il neutrone da 1 up e 2 down.

$: Quindi se ragioniamo in termini di particelle fondamentali, possiamo affermare che tutta la materia stabile che ci circonda è costituita da soli tre tipi di particelle: l'elettrone, il quark up ed il quark down. Ma allora che cosa sono i fotoni?

$: Nella fisica classica, l'interazione tra le particelle è descritta in termini di forze, di contatto o a distanza, che le spingono o le tirano. Nella fisica quantistica invece l'interazione è descritta in termini di scambi di portatori di interazione, chiamati bosoni mediatori. I fotoni sono i bosoni mediatori dell'interazione elettromagnetica. Per esempio, gli scambi di energia tra il campo elettromagnetico e gli elettroni vengono descritti in termini di assorbimento ed emissione di fotoni.

$: Immagino che vi saranno dei bosoni mediatori specifici per ogni tipo di forza, o meglio, di interazione. Ma quanti tipi di interazione esistono in natura?

$: Esistono solo quattro tipi di interazione: nucleare forte, elettromagnetica, nucleare debole e gravitazionale. L'interazione gravitazionale è la più debole: pensa che essa è più di un miliardo di miliardi di miliardi di miliardi di volte più debole dell'interazione elettromagnetica.

$: Se è così debole, non dovrebbe avere nessun effetto sulla materia.

$: In effetti, l'interazione gravitazionale tra gli elettroni, i protoni ed i neutroni che costituiscono un atomo, una molecola o un cristallo, è del tutto trascurabile. L'interazione gravitazionale ha però il vantaggio di avere un raggio d'azione infinito.

$: Se ben ricordo, questo significa che, sebbene il campo gravitazionale diminuisca mano a mano che ci allontaniamo, esso non sparisce mai del tutto.

$: Esatto, e poichè il campo gravitazionale di un insieme di particelle è la somma dei campi di tutte le particelle, enormi ammassi di particelle possono esercitare una forza di attrazione rilevante anche a grandi distanze. Questa è la ragione per cui la forza di gravità è di fondamentale importanza nella descrizione della dinamica dei pianeti e delle stelle. Ed è pure così importante sulla terra, dove si manifesta come forza di attrazione verso il basso. Nella teoria della relatività generale, la gravità modifica anche il tempo, ma sulla terra noi non ce ne accorgiamo perchè si tratta di modifiche piccolissime.

$: Gli effetti della gravità terrestre sono quelli che mi sono più chiari, se non altro per esperienza diretta. Vorrei invece capire ora quali siano gli effetti dell'interazione nucleare debole.

$: L'interazione nucleare debole è circa cento miliardi di volte più debole di quella elettromagnetica. Al contrario della gravità, essa ha un raggio di azione molto piccolo, circa un milionesimo di miliardesimo di centimetro. Per questa ragione i suoi effetti in natura si limitano ad alcuni processi di decadimento radioattivo, come il decadimento beta, dove un neutrone si trasforma in un protone.

$: Per spiegare i fenomeni che osserviamo nella materia stabile, come i processi molecolari, chimici e biologici, ci restano allora solo due interazioni: nucleare forte ed elettromagnetica.

$: Questo è corretto, ma dobbiamo innanzitutto precisare che queste due interazioni svolgono un ruolo molto diverso. L'interazione nucleare forte è circa cento volte più intensa di quella elettromagnetica, ma ha un cortissimo raggio di azione: circa un millesimo di miliardesimo di millimetro, e questo è l'ordine di grandezza dei nuclei atomici.

$: Questo significa che il nucleo non produce nessun effetto di tipo nucleare forte sulle particelle che si trovano al di fuori del nucleo stesso. A meno che nella materia i nuclei non siano così vicini l'uno all'altro che quasi si tocchino!

$: I nuclei sono invece relativamente lontanissimi l'uno dall'altro: la distanza che li separa è circa diecimila volte superiore alle loro dimensioni.

$: Ossia diecimila volte superiore al raggio di azione dell'interazione nucleare forte! Ma cosa succederebbe se due nuclei si avvicinassero fino quasi a toccarsi?

$: In questo caso si avrebbe una reazione nucleare. Devi però capire che poiché tutti i nuclei hanno carica positiva, essi si respingono fortemente. Per avvicinare a tal punto due nuclei occorre lanciarli l'uno contro l'altro ad altissima velocità, e per fare questo occorre moltissima energia. Questa è la ragione per cui nella materia stabile non avvengono reazioni nucleari. Queste reazioni avvengono in natura nel caso di elementi radioattivi perchè questi atomi hanno un nucleo troppo grande che tende a spezzarsi, lanciando i frammenti ad alta velocità.

$: Se i nuclei troppo grandi sono instabili, allora possiamo avere solo pochi tipi di atomi diversi.

$: Esatto; esistono infatti meno di un centinaio di elementi stabili. Naturalmente combinando questi elementi in modi diversi è possibile ottenere moltissime molecole diverse.

$: Dunque, nella materia stabile, il solo ruolo dell'interazione nucleare forte è quello di tenere saldamente legati i protoni ed i neutroni dentro il nucleo. Questo significa che tutti i processi che osserviamo nella materia stabile sono determinati unicamente dall'interazione elettromagnetica.

$: Proprio così. La meccanica quantistica ha infatti dimostrato come tutti i processi molecolari, chimici e biologici siano in realtà solo processi di natura elettromagnetica.

$: Se l'interazione che tiene uniti gli atomi che formano la molecola è sempre solo l'interazione elettromagnetica, perché esistono tante molecole diverse?

$: Come saprai, l'interazione elettromagnetica ha carattere sia repulsivo che attrattivo: cariche uguali si respingono mentre cariche opposte si attraggono. Poichè l'interazione elettromagnetica dipende dalla distanza tra le particelle, modificando la posizione dei nuclei, si modifica anche l'interazione tra i nuclei e tra i nuclei e gli elettroni. Una molecola stabile si forma quando i nuclei si trovano in una configurazione geometrica in cui le forze repulsive ed attrattive si equilibriano. Le equazioni della meccanica quantistica permettono di calcolare quali siano queste configurazioni, quanta energia sia necessaria per rompere la molecola o per deformare la struttura geometrica della molecola.

$: Quindi esistono tante diverse molecole perché al variare del numero e del tipo di atomi, esistono tante diverse configurazioni geometriche stabili. E la rigidità della molecola dipende da quanto è grande l'energia necessaria per modificare la struttura della molecola stessa. Ma cosa avviene allora in una reazione chimica?

$: In una reazione chimica, una o più molecole si rompono, il chè significa che uno o più atomi si staccano dalla molecola. Questo crea uno squilibrio di forze che spingono gli atomi verso una nuova configurazione stabile, ossia una nuova molecola o nuove molecole.

$: E qual'è la causa della rottura della molecola?

$: Possono essere molteplici; per esempio la temperatura. La temperatura è una misura dell'energia cinetica delle particelle, ossia della loro energia di movimento. Più è alta la temperatura, più le molecole si muovono velocemente, ed urtandosi trasmettono questa energia anche ai nuclei atomici, i quali quindi vibrano sempre più fortemente all'aumentare della temperatura. Quando l'intensità di queste vibrazioni supera una certa soglia, l'atomo o gli atomi si staccano dalla molecola.

$: La meccanica quantistica spiega quindi molto chiaramente tutti i processi chimici in termini meccanicistici. Ma questo significa che anche tutti i processi biologici sono spiegabili in termini meccanicistici.

$: Certamente. La vita biologica consiste infatti unicamente in successioni di reazioni chimiche concatenate tra loro.

$: In che modo queste reazioni chimiche sono concatenate?

$: Come ho spiegato, dopo una reazione chimica, gli atomi si trovano in una nuova configurazione geometrica. Se l'energia della nuova configurazione è maggiore di quella precedente, significa che le molecole hanno assorbito energia dal'ambiente esterno, mentre nel caso opposto, c'è stata una emissione di energia; questa energia liberata può innescare una nuova reazione chimica, e così via.

$: Questo mi a pensare a quel gioco giapponese in cui si posizionano tanti tasselli in piedi tutti in fila; quando il primo cade, fa cadere anche il secondo, che a sua volta fa cadere il terzo, e così via.

$: In un certo senso, è così; naturalmente il processo continua solo se tutti i tasselli sono al posto giusto, altrimenti la catena si interrompe. Allo stesso modo, la morte di un organismo biologico consiste nell'interruzione della catena di reazioni chimiche a causa di qualche fondamentale tassello mancante.

$: La scienza ci fornisce quindi una chiara e logica spiegazione meccanicistica della vita biologica. Ciò che manca però è una spiegazione della vita psichica. Gli elettroni ed i quark certamente non pensano, non sono né tristi né felici, non provano né piacere né dolore.

$: Esattamente. Il materialismo è una filosofia che si sviluppò molto prima della meccanica quantistica, ai tempi in cui la biologia e la chimica venivano considerate scienze autonome ed indipendenti dalla fisica. A quei tempi la materia biologica veniva considerata su un piano diverso dalla materia inorganica, e si riteneva che i processi biologici, ed in particolare quelli cerebrali avessero natura diversa dai processi della materia inorganica. La meccanica quantistica ha scientificamente dimostrato la falsità di queste opinioni. Oggi sappiamo che sia la materia che i processi cerebrali hanno la stessa identica natura della materia inorganica e dei suoi processi; e tali processi sono determinati unicamente dalle leggi dell'elettrodinamica quantistica.

$: I materialisti affermano che le reazioni chimiche e gli impulsi elettrici nel cervello generano le sensazioni, le emozioni ed i pensieri.

$: Si tratta di un'opinione chiaramente sbagliata sul piano scientifico, dato che le reazioni chimiche, sia dentro che fuori dal cervello, consistono solo in un cambiamento di configurazione geometrica dei nuclei atomici, con un conseguente riassestamento degli elettroni. Gli impulsi elettrici (sia dentro che fuori dal cervello) sono in realtà solo elettroni in movimento; le leggi della fisica stabiliscono che gli impulsi elettrici generano solo onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio alla velocità della luce. Gli impulsi elettrici del cervello sono quindi del tutto equivalenti a quelli che attraversano una lampadina, e non generano alcuna sensazione, emozione o pensiero.

$: Che cos'è allora che crea le sensazioni, le emozioni e la coscienza?

$: Ciò che possiamo affermare è che la causa dell'esistenza della coscienza, delle sensazioni, delle emozioni e dei pensieri è un'entità né materiale né fisica. Possiamo chiamare tale entità con molti nomi diversi, come mente, psiche, anima o spirito. A prescindere dal nome che scegliamo, il risultato fondamentale è che tale entità certamente esiste nell'uomo, e quindi l'uomo non è soltanto un organismo biologico. Nell'uomo c'è qualcos'altro, qualcosa che trascende la realtà fisica, materiale e biologica.

$: Come si spiegano allora gli effetti psichici delle droghe o di traumi cerebrali?

$: Si spiegano con l'esistenza di una interazione tra psiche e cervello. Del resto, se tale interazione non esistesse, l'uomo non potrebbe mai conoscere la realtà esterna e sarebbe completamente isolato da essa. L'uomo infatti conosce la realtà esterna attraverso i sensi, che sono collegati al cervello, il quale funge quindi da interfaccia tra la realtà esterna e la psiche. A causa di questa interazione, ogni alterazione delle normali funzioni cerebrali si riflette anche sulla psiche.

$: Poichè il cervello non può generare alcuna sensazione, mi chiedo se sia possibile dimostrare scientificamente l'esistenza di sensazioni ed emozioni negli animali.

$: Assolutamente no. Non esiste alcuno strumento che permetta di misurare o rilevare sensazioni od emozioni. Questo perchè tutti gli strumenti che possediamo sono progettati sulla base delle leggi della fisica, e le esperienze psichiche trascendono le leggi della fisica.

$: E' possibile dimostrare scientificamente l'eventuale esistenza di sensazioni ed emozioni negli animali attraverso l'analisi del loro comportamento?

$: No, perchè si tratterebbe in ogni caso di interpretazioni soggettive ed arbitrarie, e quindi non di dimostrazioni scientifiche. Infatti, un requisito fondamentale di ogni teoria scientifica è l'intersoggettività; in altre parole, una teoria scientifica deve essere sostenuta da elementi oggettivi (sperimentali e razionali) che possano essere condivisi da chiunque, dotato di ragione ed intellettualmente onesto. La scienza ha dimostrato che è possibile costruire macchine (computer, robot, ecc.) in grado di reagire agli stimoli esterni ed analizzare immagini, suoni etc. Queste macchine utilizzano naturalmente dei processi automatici, e non percepiscono alcuna sensazione od emozione. Il comportamento degli animali è quindi spiegabile nello stesso modo, ossia come un meccanismo di reazione automatica agli stimoli esterni. Tale spiegazione è plausibile da un punto di vista logico e scientifico. A causa dell'assenza di oggettivi dati scientifici, l'idea che anche gli animali abbiano sensazioni ed emozioni, è da ritenersi solo una opinione personale, priva di alcun fondamento scientifico.

$: Mi sembra che la domanda più importante allora sia: come nasce la nostra mente o psiche?

$: Questa è certamente la domanda più importante. Sulla base delle nostre conoscenze scientifiche possiamo affermare che la nostra psiche non nasce a causa di processi fisici, chimici o biologici. La Causa dell'esistenza della nostra psiche trascende le leggi della fisica e la realtà materiale. Siamo quindi arrivati a parlare di Dio.

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