Ultimo aggiornamento: 23/04/2025 • 23:34
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Tag: #relatività

Buchi bianchi: quando i quanti incontrano la gravità

Posted on by ALESSIA STURNIOLO

L’ipotesi dell’esistenza dei buchi bianchi è un’affascinante scintilla nell’avanguardia scientifica, eppure porta con sé una lunga storia di ricerca.

Elenco dei contenuti

Einstein predice i buchi neri

Prima foto scattata di un buco nero (Aprile 2019) Fonte

Il nostro cammino alla loro scoperta inizia dalla teoria della relatività di Einstein, un tassello rivoluzionario nella storia della fisica. Viene introdotto il concetto di spaziotempo che cambia il modo di guardare l’Universo. Il tappeto su cui la nostra realtà galleggia non è più piatto, ma viene deformato dalle masse che vi sono poggiate sopra. Le conseguenze sono paradossali: il tempo non scorre più nello stesso modo in ogni punto, ma più lentamente in prossimità di corpi pesanti.

Il buco nero nasce da questa teoria con il contributo dell’astrofisico Karl Schwarzschild. Si tratta di un corpo di massa enorme, estremamente denso. Il campo gravitazionale da lui generato è così forte da attrarre tutto ciò che lo circonda, persino la luce. Nulla può sfuggirgli e qualsiasi oggetto e particella che gli orbita intorno è destinato a essere inghiottito.

Oggi sappiamo che i buchi neri sono il risultato dall’implosione di masse elevate, come quelle di alcune stelle.

Cosa accade al loro interno?

Struttura di un buco nero Fonte

Sul bordo di questi oggetti esiste una regione, definita orizzonte degli eventi, al di là della quale è impossibile tornare indietro. Superato quel punto non si può che cadere all’interno del buco nero dove la materia viene deformata e compressa in una sfera infinitamente densa e calda, di cui non conosciamo la natura.

Dai buchi neri ai buchi bianchi

La relatività di Einstein si ferma qui ed è in questo punto che si apre il mondo delle ipotesi. Secondo la teoria della gravità quantistica a loop, la contrazione all’interno del buco nero non continuerebbe all’infinito.

Un’idea avanzata dal fisico teorico Carlo Rovelli è che quando la densità della materia, una volta arrivata al suo limite, raggiunge un valore stabilito (detto densità di Plank) si genera una forte pressione repulsiva che ferma il collasso e innesca un’esplosione. In questo momento si genera il buco bianco.

Questo oggetto sprigiona tutta la materia e l’energia assorbite precedentemente in un processo definito rimbalzo.

Questo processo avviene in soli pochi minuti, ma dal nostro punto di vista passano milioni di anni.

Un buco bianco si comporta in modo opposto rispetto al suo generatore. Da esso tutto può uscire, ma nulla può entrare, energia e materia accelerano dall’interno verso l’esterno.

I buchi neri come macchine del tempo

Cunicolo spaziotemporale Fonte

Questa teoria lascia aperte ipotesi affascinanti. Non viene, infatti, escluso che i buchi neri possano fungere da cunicoli spazio-temporali. Ciò vuol dire che attraversandoli si potrebbero raggiungere regioni remote dell’universo, distanti nel tempo e nello spazio, o, addirittura, i presunti universi paralleli. È da precisare, tuttavia, che un viaggio all’interno di un buco nero è impossibile per l’uomo poiché il nostro corpo verrebbe distrutto come il resto della materia che vi entra.

Se tale teoria si rivelasse corretta porterebbe alla scoperta di un punto d’incontro tra la meccanica quantistica e la relatività generale e a una comprensione più profonda dei fenomeni che ci circondano.

Conclusioni

Dopo questo breve viaggio nei punti più remoti dell’universo torniamo a quel ramo della Via Lattea dove la nostra piccola Terra continua a ruotare. Lì degli esseri che contengono dentro sé la vita hanno da poco iniziato a guardare l’universo con degli strani oggetti puntati verso il cielo. Questa esplorazione è appena iniziata per loro e le domande a cui rispondere sono, per fortuna, ancora tante.

Alessia Sturniolo

Bibliografia

 

 

 

 

Interstellar: un viaggio nello spazio tempo, tra fisica e fantascienza

Posted on by Redazione Scienza&Salute

L’amore per la fisica di Nolan ritorna con Interstellar. Ma avrà commesso errori scientifici anche questa volta?

Christopher Nolan, lo sappiamo, nella fisica ci sguazza. E con Interstellar è voluto andare oltre. Si, perché ha coinvolto addirittura Kip Thorne, premio Nobel per la fisica nel 2017 per la scoperta delle onde gravitazionali. Quindi sarà fisicamente perfetto, direte voi… Non esattamente, perché, in genere, dove comincia Hollywood si ferma la fisica.

Siamo sulla Terra, dove una calamità naturale ha stravolto l’ecosistema, tanto da permettere come unica coltivazione quella del mais, mettendo così a rischio la sopravvivenza del genere umano. La NASA ha riscontrato vicino all’orbita di Saturno un cunicolo spazio-temporale, il cosiddetto wormhole, che si pensa sia stato creato da esseri penta-dimensionali. Esso, teoricamente, conduce da tutt’altra parte dell’Universo, precisamente vicino ad un gigantesco buco nero, Gargantua, attorno a cui orbitano ben dodici pianeti, che si spera possano ospitare la vita. La NASA decide così di inviare, nella missione spaziale Lazarus, dodici scienziati, uno per pianeta, per riportare dati sulla loro abitabilità.

Il protagonista è Joseph Cooper (Matthew McConaughey), ingegnere ed ex pilota della NASA, ridottosi a gestire delle piantagioni di mais. Durante una tempesta di sabbia, Cooper nota sul pavimento della camera di sua figlia Murph delle strisce di sabbia ben definite. Egli intuisce subito che si tratta di un codice binario che cela delle coordinate geografiche. Seguendo queste indicazioni giunge, insieme alla figlia dodicenne, ad una base NASA, dove il professor Brand gli mostra i dati ricevuti dagli scienziati della missione Lazarus, iniziata più di dieci anni prima. Cooper, nonostante le resistenze di Murph, parte quindi in missione per verificare la vivibilità di tre dei dodici pianeti.

Tutto il film si basa sull’esistenza del wormhole. Ma che cos’è, in fisica, un wormhole?

Il wormhole Lorentziano, o ponte di Einstein-Rosen, è una scorciatoia, un cunicolo, che per l’appunto squarcia lo spazio-tempo e unisce due punti remoti dell’Universo. Il wormhole dovrebbe essere composto da un buco nero d’entrata, che assorbe tutta la materia a sé circostante, e un buco bianco d’uscita, che al contrario la emette. Interessante a leggersi, ma abbiamo prove certe della loro esistenza? Purtroppo no. Infatti, mentre i buchi neri si basano su solide teorie e riscontri sperimentali (per i quali Penrose, Genzel e Ghez hanno vinto il premio Nobel per la fisica nel 2020, ne parliamo qui), i buchi bianchi costituiscono ancora una mera speculazione.

I primi wormhole attraversabili, che rispettano la Relatività Generale, furono ipotizzati per la prima volta proprio da Kip Thorne, consulente scientifico del film, e da un suo studente, Mike Morris (essi infatti presero il nome di wormhole di Thorne-Morris). Questo tipo di wormhole, tuttavia, pur essendo ammissibile nella Relatività Generale, richiederebbe la presenza di un particolare tipo di materia esotica con densità negativa di energia. Si presume, inoltre, che alcuni paradossi circa i viaggi nel tempo, insiti nella relatività generale, comportino l’irrealizzabilità dei viaggi tramite wormhole.

Quindi, per il momento, più che di scienza stiamo parlando di fantascienza.

Ma Cooper e la sua navicella, l’Endurance, attraversano comunque il fantomatico wormhole e arrivano nei pressi di Gargantua. Il film offre a questo punto una rappresentazione molto realistica di un buco nero supermassiccio, tanto da valergli il premio Oscar per gli effetti speciali, oltre che uno straordinario sforzo da parte degli scienziati.

Arrivano quindi sul pianeta di Miller, uno dei dodici scienziati della missione Lazarus. Distruttivi moti ondosi imperversano sulla superficie del pianeta, ricoperta unicamente da acqua. Questi moti ondosi sono prodotti dalla forte attrazione gravitazionale di Gargantua. Talmente forte, però, che avrebbe dovuto attrarre a sé, inesorabilmente, la stessa Endurance. Inoltre, come se non bastasse, nel film viene sottolineato come un’ora passata sul pianeta di Miller corrisponda a sette anni passati sulla Terra. Questo è un errore: infatti, affinché ciò si realizzi, il pianeta dovrebbe essere così vicino al buco nero da venirne irrimediabilmente risucchiato e, di conseguenza, distrutto.

Ma un’altra domanda sorge spontanea: qual è la fonte di calore di questi pianeti? Non c’è nessuna stella attorno ad essi. Come la Terra viene riscaldata dai raggi del Sole, anche i pianeti che orbitano attorno a Gargantua dovrebbero godere del calore di una Stella per permettere la vita: così non è, risultando freddi e inospitali.

Dopo mille peripezie, comunque, Cooper decide di entrare dentro Gargantua. Ma nella realtà dei fatti, non è possibile. L’incredibile forza di gravità di un buco nero comporterebbe un fenomeno chiamato spaghettificazione che, come suggerisce il nome, fa sì che un corpo, superato l’orizzonte degli eventi, si disintegri, tanto da ridursi alle dimensioni di uno spaghetto. Anche se decidessimo di ignorare questo fenomeno, saremmo comunque soggetti ad una spaventosa e letale dose di radiazioni fortemente energetiche (raggi X e raggi gamma), che non ci lascerebbero scampo. Infine, una forza gravitazionale così intensa, in pratica, fermerebbe il tempo! Quindi Cooper, una volta entrato nel buco nero, morirebbe di vecchiaia senza raggiungerne mai il centro. Ma andiamo oltre e parliamo del tesseract, un evergreen dei film di fantascienza.

Cooper giunge in una struttura a cinque dimensioni, il tesseract. Si accorge molto presto, però, che questa è una proiezione penta-dimensionale della stanza di sua figlia Murph. Capisce così che può inviare dei dati nel passato, per convincere sé stesso prima della partenza a restare a casa. Invia infine i dati relativi al buco nero a Murph, che nel frattempo è diventata una brillante fisica, affinché possa utilizzarli per risolvere l’annoso problema della sopravvivenza sulla Terra. Che sia una cosa tecnicamente irrealizzabile è chiaro, ma le motivazioni fisiche di ciò sono radicate nella teoria, più precisamente nei paradossi insiti nella stessa.

Facciamo finta che io inventi la macchina del tempo. Torno indietro nel passato e uccido mio nonno prima che possa nascere mio padre. Come ho fatto a nascere, inventare la macchina del tempo e uccidere mio nonno? Intrigante, vero? Benvenuti nel magico mondo dei viaggi nel tempo.

Il film si conclude con la visione di una stazione spaziale che sfrutta la penta-dimensionalità, realizzata grazie agli studi di Murph basati sui dati di Cooper.

Nonostante gli errori scientifici, la simulazione del buco nero ha rappresentato una delle più veritiere rappresentazioni mai realizzate. Saremo in grado di viaggiare nello spazio e nel tempo? Riusciremo, un giorno, a sfruttare i wormhole per raggiungere i posti più remoti dell’Universo? Non possiamo ancora saperlo, la scienza è ancora troppo giovane. Ma sognare non costa nulla.

Giovanni Gallo

Giulia Accetta

Premio Nobel per la Fisica 2020: dalle galassie ai buchi neri

Posted on by Redazione Scienza&Salute

Stoccolma, 6 ottobre: il premio Nobel per la Fisica 2020 conferma ancora le teorie di Einstein.

Quest’anno la Reale Accademia di Svezia premia gli scienziati Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez per i loro contributi al misterioso mondo dell’astrofisica. Tra galassie e buchi neri, curiosiamo un po’ più a fondo nei loro lavori.

Il contributo di Penrose

Pensatore libero, anticonvenzionale ed eclettico, Roger Penrose è un matematico e cosmologo inglese, vincitore del 50% del premio Nobel per la Fisica 2020 grazie ai suoi studi del 1965. Grazie a dei brillanti metodi matematici è riuscito a provare che la formazione dei buchi neri è una solida previsione della teoria della relatività generale. Egli ha dimostrato che, al centro dei buchi neri, la materia si addensa inesorabilmente a tal punto da divenire una singolarità puntiforme con densità infinita. Ha compreso anche che i buchi neri rotanti possono liberare enormi quantità di energia, sufficienti a spiegare l’emissione delle più potenti sorgenti di radiazione dell’universo, quali i quasar e i lampi di raggi gamma.

Prima fotografia di un buco nero.

Ma cos’è, in effetti, un buco nero?

Per provare a comprendere un concetto così complesso, esploriamo quanto teorizzato dal celebre Albert Einstein con la teoria della relatività generale del 1916. Essa si basa sul modello matematico dello spaziotempo elaborato da Minkowski, che ha introdotto la struttura quadridimensionale dell’universo: la posizione di ogni punto viene individuata non soltanto dalle tre coordinate dello spazio, ma anche dal tempo. In questo senso, ogni punto dello spaziotempo rappresenta un vero e proprio evento, verificatosi in un dato luogo ed in un preciso momento.

Abbandoniamo quindi le idee newtoniane di spazio e tempo assoluti e distinti e immaginiamo lo spaziotempo come una sorta di “tessuto universale”, in cui sono immersi tutti i corpi celesti esistenti. Questi, per definizione, possiedono una certa massa, proprietà fondamentale affinché si generi attrazione gravitazionale (e quindi un campo) sui corpi vicini. L’intuizione chiave di Einstein fu che un campo gravitazionale curvi lo spaziotempo. Più un corpo è massiccio, più è forte il suo campo gravitazionale, maggiori sono la deformazione che causa ed i condizionamenti che impone al moto dei corpi vicini.

Un buco nero è quindi una concentrazione di massa talmente imponente da far collassare lo spaziotempo su se stesso in un unico punto, chiamato singolarità. Attorno a questo si trova una porzione di spazio delimitata dal cosiddetto orizzonte degli eventi. Una volta oltrepassato tale confine, non c’è alcun modo né per la materia, né per le radiazioni, di sfuggire all’attrazione gravitazionale. Per scamparvi, infatti, dovrebbero raggiungere una velocità infinita.

Un po’ complicato? Per avere un’idea di ciò che accade, immaginiamo di lasciar scivolare una sfera su un telo elastico. Intuitivamente, esso cederà a delle deformazioni. Se adesso aggiungessimo un’altra sfera di massa minore, noteremmo che le curvature sarebbero trascurabili rispetto a quelle generate dal primo corpo. Il secondo, inoltre, essendo più leggero, tenderebbe a convergere sempre più velocemente verso il primo, il che è un po’ quello che accade ai corpi celesti che orbitano attorno al buco nero.

Deformazione dello spaziotempo a seconda della massa.

I lavori di Genzel e Ghez

I buchi neri sono fenomeni tra i più potenti e affascinanti dell’intero Universo. Viene da chiedersi dove sia il buco nero più vicino a noi, quanto sia esteso o quanto siamo distanti dal suo orizzonte degli eventi. I due scienziati Genzel e Ghez hanno risposto a queste domande.

Se dobbiamo a Penrose la dimostrazione teorica dell’esistenza dei buchi neri, è invece merito degli scienziati Genzel e Ghez il contributo sperimentale alla loro osservazione. Il tedesco Reinhard Genzel e la statunitense Andrea Ghez, vincitori del restante 50% del premio, hanno studiato per oltre due decadi il comportamento delle stelle situate in prossimità del centro della Via Lattea. In questa zona, nascosta alla vista da una densa nube di polveri interstellari, hanno visto come le stelle danzino attorno ad un buco nero supermassiccio, Sagittarius A*, un mostro di massa pari a 4 milioni di volte quella del Sole.

Ma c’è di più: la necessità di misure sempre più precise ha portato alla creazione di strumenti di tecnologia all’avanguardia, come il Very Large Telescope in Cile o l’interferometro infrarosso Gravity, grazie ai quali l’Europa detiene un ruolo da protagonista nel panorama della grande ricerca scientifica internazionale.

                             ESO’s Very Large Telescope (VLT) 

La scelta di assegnare il premio Nobel a questi lavori riconferma ancora oggi l’importanza e la validità della teoria della relatività di Einstein. Stuzzica l’immaginario collettivo sulla complessità ed il fascino del cosmo, fonte inesauribile di scoperte ed altrettanti interrogativi. Quindi naso all’insù ed occhi fissi alle stelle: i misteri del nostro Universo sono ancora tutti da scoprire.

Giulia Accetta

Giovanni Gallo

Fusione nucleare: le frontiere dell’energia per un mondo sostenibile

Posted on by Redazione Scienza&Salute

Eccoci con l’ultimo articolo della nostra serie sulle energie rinnovabili. Oggi parleremo di una delle, se non della più discussa forma di energia ossia, l’energia nucleare.

Le centrali nucleari sfruttano l’uso di reazioni nucleari che rilasciano energia nucleare per generare calore, che più frequentemente viene utilizzato nelle turbine a vapore per produrre elettricità in una centrale nucleare. L’energia nucleare può essere ottenuta da fissione nucleare, decadimento nucleare e reazioni di fusione nucleare. Attualmente, la stragrande maggioranza dell’elettricità prodotta dall’energia nucleare è prodotta dalla fissione nucleare di uranio e plutonio che però ha evidenti problemi di sicurezza (basti pensare ai disastri di Chernobyl e Fukushima) e relativi allo smaltimento delle scorie radioattive. I processi di decadimento nucleare sono utilizzati in applicazioni di nicchia come i generatori termoelettrici a radioisotopi; usati principalmente nel campo dell’esplorazione spaziale dalle missioni Apollo in poi. La generazione di elettricità dalla potenza di fusione rimane al centro della ricerca internazionale. In quest’articolo parleremo principalmente di quest’ultima.

Generatore termoelettrico a radioisotopi

Fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione che spinge due o più nuclei atomici ad avvicinarsi al punto da unirsi e fondersi (superando la repulsione elettromagnetica), creando uno o più nuclei atomici e particelle subatomiche differenti (neutroni o protoni). La differenza di massa tra i reagenti e i prodotti, se vengono usati elementi fino al numero atomico 28 (nichel), si manifesta come rilascio di energia (reazione esotermica), se invece si usano elementi successivi, si manifesta come assorbimento di energia (reazione endotermica). Questa differenza di massa sorge a causa della differenza di “energia di legame” atomica tra i nuclei atomici prima e dopo la reazione.

La fusione è il processo che alimenta le stelle attive o “sequenza principale” o altre stelle di grande magnitudine. Proprio grazie all’energia irradiata dalle stelle durante il processo di reazione, queste possono brillare di luce propria e impedisce alle stesse di collassare sotto la propria forza di gravità.

Nella fusione nucleare la massa e l’energia sono legate dalla teoria della relatività ristretta di Albert Einstein secondo l’equazione (leggermente famosa): E=mc2

In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito e il neutrone liberato hanno una massa totale minore della somma delle masse dei nuclei reagenti, con conseguente liberazione di un’elevata quantità di energia, principalmente energia cinetica dei prodotti della fusione.

Affinché avvenga una fusione, i nuclei devono essere sufficientemente vicini, in modo che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva, si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell’ordine di qualche femtometro (10−15 metri). L’energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissima pressione (altissima temperatura, circa 10⁷ kelvin, e/o altissima densità).

Schema della fusione che avviene nelle stelle

Si intuisce dunque che la temperatura raggiunta durante la reazione sia paragonabile a quella delle stelle e analogamente  non abbiamo la tecnologia per sopportare tali temperature. Per sopportarle dovremmo spendere più energia di quanta prodotta e quindi il bilancio energetico sarebbe negativo e non converrebbe. Questo bilancio energetico, in passato, veniva calcolato in base al criterio di Lawson. Al giorno d’oggi esiste una rivisitazione in chiave moderna che si basa sul criterio di ignizione.

Nuove frontiere in sperimentazione

In questo momento il reattore più avanzato è ITER che sfrutta una configurazione tokamak per confinare il plasma, cioè le particelle che producono la reazione e quindi il calore, lontano dalle pareti del reattore, per non farle fondere, grazie a un campo magnetico. Tecnologia già vista (ovviamente non a quei livelli), per darvi un esempio, nel reattore Arc di Iron Man (eroe della Marvel).

Reattore Tokamak
Reattore Arc di Iron Man

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fin ora abbiamo parlato della fusione “a caldo”, ma il futuro del nucleare non risiede qui, ma bensì nella tanto curiosa e polemizzata, fusione a freddo.

Fusione a freddo

Il 23 marzo 1989, l‘Università dello Utah, negli Stati Uniti, annunciò i risultati di un esperimento condotto da due professori di elettrochimica, Martin Fleischmann e Stanley Pons. In un dispositivo da tavolo hanno ottenuto reazioni di fusione nucleare tra nuclei deuterio (isotopo pesante dell’idrogeno) a livelli di energia molto bassi e la generazione di energia termica in eccesso inspiegabile senza emissioni di radiazioni potenzialmente pericolose, il che era abbastanza inaspettato.

Cella elettrolitica di Fleischemann e Pons

Il dispositivo era sostanzialmente una cella elettrolitica, ossia un contenitore in vetro riempito con acqua pesante (cioè acqua in cui l’idrogeno è sostituito dal deuterio) in cui erano immersi due elettrodi: facendo passare della corrente attraverso la cella, l’acqua si scomponeva nei suoi costituenti, ossigeno e deuterio. I due scienziati dissero di aver tenuto acceso il loro sole per alcuni giorni, continuando a far circolare la corrente elettrica e rimboccando di tanto in tanto la cella di acqua, e di aver osservato degli occasionali e improvvisi aumenti di temperatura del liquido. Che, spiegarono, non erano imputabili a reazioni chimiche note, ma per l’appunto, a un meccanismo in cui due nuclei di deuterio si fondevano insieme formando un nucleo di elio (l’isotopo 3He), la liberazione di un neutrone e l’emissione di raggi gamma. Quindi una fusione nucleare.

In realtà il livello di energia era enormemente superiore a quello normalmente attribuito a fenomeni esotermici (sia chimici che fisici) prevedibili in quel tipo di esperimento.

Tale esperimento è stato ripetuto con successo alternato in molti laboratori in tutti i paesi del mondo. Fallimenti e mancanza di riproducibilità in vari esperimenti hanno generato un diffuso scetticismo su questo fenomeno, che ha rapidamente sostituito l’eccessivo interesse mostrato immediatamente dalla comunità scientifica.

Confinamento Muonico

Un altro modo per realizzare la fusione a freddo è il confinamento muonico. Il muone è una particella dotata di una massa pari a circa 200 volte quella dell’elettrone e possiede una durata della vita media di circa 2,2 milionesimi di secondo. Tale particella, nel disintegrarsi, converte il 99,5% della sua massa in energia. La prima verifica sperimentale di questo fenomeno fu eseguita nel 1957 da Luis Alvarez a Berkeley, ma verifiche approfondite dimostrarono poi che la quantità di energia prodotta, seppur inconfutabilmente prodotta, era molto piccola, poiché il muone riusciva a catalizzare, al più, una sola reazione prima di disintegrarsi.

Ad oggi, le ricerche sullo sfruttamento delle potenzialità di questa particella nell’intervallo di temperature che va da -260°C a 530°C, ha portato all’interessante risultato di circa duecento fusioni per ogni muone, un valore comunque ancora troppo basso visto che è appena sufficiente a compensare l’energia di alimentazione dello stesso reattore muonico.

Conclusioni

Vent’anni dopo quel primo esperimento di Fleischmann e Pons, tuttavia, la ricerca sulla fusione fredda ha fatto notevoli passi avanti, sia sperimentali che teorici, in modo che questa scienza empirica abbia riacquistato credibilità. Oggi esiste un settore della fisica della materia condensata nucleare, noto come LENR (Low Energy Nuclear Reactions).

Questo tipo di energia è tutt’ora molto discusso e preso di mira dalle varie società scientifiche, ma come abbiamo visto le possibilità sono enormi e ci sarebbe la possibilità di creare una fonte di energia completamente pulita e rinnovabile, senza i rischi, che sappiamo tutt’ora presenti nella fissione nucleare.

Sperando di un giorno di poter raggiungere la perfezione di Tony Stark e di avervi dato una buona panoramica sulle ultime frontiere delle energie rinnovabili questo era l’ultimo articolo della serie.

“L’energia nucleare è inutile in un mondo dove un virus può uccidere un’intera popolazione, lasciandone intatta la ricchezza.” (V per Vendetta)

Gabriele Galletta

Materia e antimateria, lo Yin e lo Yang della fisica quantistica

Posted on by Redazione Scienza&Salute

Da Einstein e Schrödinger fino a Dirac: un viaggio alla scoperta dell’antimateria

Siamo agli inizi del ‘900, più precisamente nel 1905, quando viene presentata per la prima volta la Teoria della Relatività Ristretta di Albert Einstein, solo un paio di decenni prima della scoperta di Arthur Schrödinger dell’equazione madre della meccanica quantistica, branca della fisica che avrebbe dominato gli scenari futuri del mondo scientifico.

Fu a questo punto che i due fisici Klein e Gordon tentarono di adattare l’equazione di Schrödinger alla relatività ristretta di Einstein, senza tuttavia riuscire nel loro intento. Il loro approccio, infatti, non restituiva risultati accettabili per l’interpretazione della funzione d’onda (che rappresenta lo stato di un sistema fisico).

Qualche anno dopo, nel 1928, fu il fisico Paul Dirac ad ovviare alle problematiche della formula di Klein-Gordon, presentando alla comunità scientifica la sua nota equazione (la quale niente ha in comune con quella versione travisata, che tanto frutta ai tatuatori di tutto il mondo).

 

Equazione di Dirac, origine della meccanica quantistica relativistica

Risolvendo la sua equazione, Dirac si trovò davanti ad una scoperta sconvolgente: essa ammetteva soluzioni ad energia negativa, totalmente in opposizione ai dettami della fisica classica, fino ad allora imperante. Se fino a quel momento infatti tutte le leggi della fisica si basavano sul concetto di materia, adesso ci si trovava innanzi ad uno scenario nuovo ed affascinante, tutto incentrato sulla contrapposizione dicotomica di materia e antimateria.

Ma che cos’è quindi l’antimateria?

L’equazione di Dirac dimostrava l’esistenza, per ogni particella, di una “gemella” perfettamente identica, eccetto che per delle proprietà opposte. Ad esempio, per l’elettrone troviamo il positrone! Quando una particella di materia ed una di antimateria interagiscono tra loro, esse annichiliscono, scomparendo nel nulla, lasciando dietro sé pura energia e “strane” particelle.

 

Annichilazione elettrone-positrone. Fonte: Okpedia

 

Anche se tutto ciò può apparire frutto di pura astrazione, l’antimateria è sotto i nostri occhi molto più di quanto effettivamente possa sembrare. Basti pensare infatti ad alcune sofisticate ed utilissime tecnologie, come la PET (tomografia ad emissione di positroni), basata sul fenomeno dell’annichilazione tra elettrone e positrone, a seguito del quale si ottiene l’emissione di fotoni gamma (particelle di luce) che, come tante lampadine, illuminano la parte del corpo in esame.

 

Tomografia a Emissione di Positroni (PET)

Ciò che tutt’oggi conosciamo sul misterioso universo dell’antimateria è solo una piccola parte di un ben più complesso e misterioso scenario, che potrebbe sorprenderci ancora in futuro, dando vita a sempre nuove applicazioni della scienza nella nostra vita quotidiana.

 

Giovanni Gallo

Giulia Accetta