Il Ritmo Degli Atomi

Se le menti più eminenti del mondo riescono a svelarare solo con difficoltà le opere più intrinseche della natura, come si può pensare che queste siano semplicemente il risultato di un incidente non voluto, il prodotto del caso?Paul Davies, docente di fisica teorica. 31

In generale gli scienziati concordano sul fatto che, stando ai calcoli, il Big Bang si sia verificato circa 17 miliardi di anni fa. Tutto il materiale cosmico che costituisce l’universo è stato creato dal nulla, ma seguendo una straordinario disegno di cui abbiamo parlato nei primi due capitoli. Ciononostante, l’universo scaturito dal Big Bang sarebbe potuto essere diverso da quello attuale, ossia il nostro.

Ad esempio, se i valori delle quattro forze fondamentali fossero stati diversi, l’universo sarebbe formato solo da radiazioni e sarebbe divenuto un fazzoletto di luce senza stelle, galassie, esseri umani né altro. È stato grazie allo straordinario equilibrio delle quattro forze che sono nati gli “atomi (i componenti di quella che chiamiamo “materia”).

Gli scienziati sono d’accordo anche sul fatto che nei quattordici secondi successivi al Big Bang, i primi due elementi più semplici a formarsi furono l’idrogeno e l’elio. Questi si sono formati come risultato di una riduzione nell’entropia universale che stava causando la propagazione multidirezionale della materia. In altre parole, all’inizio l’universo non era altro che un accumulo di atomi di idrogeno ed elio. Ancora una volta, se così fosse rimasto, non ci sarebbero stati stelle, pianeti, pietre, suolo, alberi o esseri umani. Sarebbe stato un universo senza vita costituito da due soli elementi.

Il carbonio, l’elemento fondamentale della vita, è molto più pesante dell’idrogeno e dell’elio. Com’è nato?

Nel tentativo di dare una risposta alla domanda, gli scienziati sono incappati in una delle scoperte più sorprendenti di questo secolo.

La struttura degli elementi

La chimica è una scienza che si occupa della composizione, della struttura, delle proprietà delle sostanze e delle trasformazioni che subiscono. Il fondamento della chimica moderna è la tavola periodica degli elementi. Il primo ad abbozzarla fu il chimico Dmitrij Ivanovič Mendeleev, che dispose gli elementi in base alla loro struttura atomica. L’idrogeno, composto da un protone nel nucleo e da un elettrone che vi gira intorno, occupa il primo posto nella tavola perché è il più semplice di tutti gli elementi.

I protoni sono particelle subatomiche che trasportano una carica elettrica positiva nel nucleo dell’atomo. L’elio, con due protoni, occupa il secondo posto della tavola periodica. Il carbonio possiede sei protoni e l’ossigeno otto. Tutti gli elementi differiscono nel numero di protoni che contengono.

Un’altra particella presente nel nucleo di un atomo è il neutrone. A differenza dei protoni, i neutroni non trasportano alcuna carica elettrica: in altre parole sono neutri, da lì il nome.

La terza particella elementare di cui sono composti gli atomi è l’elettrone che ha una carica elettrica negativa. In ciascun atomo, il numero di protoni e di elettroni è lo stesso. A differenza dei protoni e dei neutroni, gli elettroni non si trovano all’interno del nucleo. Difatti vi ruotano intorno ad alta velocità, il che serve a mantenere separate le cariche positive e negative.

Sono le differenze nella struttura atomica (il numero di protoni/elettroni) a rendere gli elementi diversi gli uni dagli altri.

Un regola fondamentale della chimica classica è che gli elementi non si possono trasformare. Convertire il ferro (con ventisei protoni) in argento (con diciotto) comporterebbe l’eliminazione di otto protoni dal nucleo. Ma i protoni sono uniti dalla forza nucleare forte e il numero di protoni in un nucleo può essere modificato solo nelle reazioni nucleari. Pertanto, tutte le reazioni che avvengono in condizioni terrestri sono reazioni chimiche che dipendono dallo scambio di elettroni e che non alterano il nucleo.

Nel medioevo esisteva una “scienza” chiamata alchimia, il precursore della chimica moderna. Gli alchimisti, ignari della tavola periodica o delle strutture atomiche degli elementi, pensavano che fosse possibile trasformare gli elementi (l’oggetto del desiderio, per ovvie ragioni, era la trasformazione del ferro in oro). Adesso sappiamo che ciò che gli alchimisti intendevano fare è impossibile nelle condizioni che esistono sulla Terra: le temperature e le pressioni necessarie per una tale trasformazione sono troppo elevate da riprodurre in uno qualsiasi dei laboratori terrestri. Ma è possibile se si ha a disposizione il giusto posto per farlo.

E il posto giusto pare essere il cuore delle stelle.

Giganti rosse: i laboratori di alchimia dell’universo

La temperatura necessaria per vincere la riluttanza dei nuclei a modificarsi è di circa 10 milioni di gradi Celsius. Ecco spiegato perché “l’alchimia”, in senso reale, avviene solo nelle stelle. In quelle di media grandezza come il Sole, l’enorme energia irradiata è il risultato dell’idrogeno che si fonde in elio.

Tenendo a mente questa breve analisi della chimica degli elementi, ritorniamo agli istanti successivi al Big Bang. Abbiamo detto che dopo il Big Bang esistevano solo atomi di elio e di idrogeno. Gli astronomi credono che le stelle di tipo solare (ad esempio il Sole) si siano formate come risultato di nebulose (nuvole) di idrogeno ed elio fino a che non è iniziata la reazione termonucleare che trasforma l’idrogeno in elio. E così sono nate le stelle. Ma il nostro universo è ancora privo di vita. Per la vita, sono necessari elementi più pesanti (ossigeno e carbonio). C’è bisogno, dunque, di un altro processo che preveda la conversione dell’idrogeno e dell’elio in altri elementi.

Gli “impianti di manifattura” di questi elementi pesanti sono le giganti rosse, una classe di stelle cinquanta volte più grandi del Sole.

Le giganti rosse sono molto più calde delle stelle di tipo solare e questa caratteristica consente loro di fare qualcosa che le altre stelle non possono: trasformare l’elio in carbonio. Però, questo processo non è semplice nemmeno per una gigante rosse. Come afferma l’astronomo Greenstein: "anche adesso, che abbiamo la risposta in pugno (cioè come avviene), il metodo che impiegano sembra sorprendente."32

Il peso atomico dell’elio è 2: ossia ha un nucleo con due protoni. Il peso atomico del carbonio è pari a 6. Alle alte temperature delle giganti rosse, i tre atomi di elio si fondono in atomi di carbonio. Questa è “l’alchimia” che, dopo il Big Bang, ha fornito all’universo gli elementi più pesanti.

Ma come abbiamo detto: non è semplice. È quasi impossibile persuadere due atomi di elio a unirsi e del tutto impossibile farlo con tre. Com’è stato possibile, quindi, ottenere i sei protoni per il carbonio?

Si tratta di un processo a due fasi. Nella prima, i due atomi di elio si sono fusi in un elemento intermedio con quattro protoni e quattro neutroni. Successivamente, un terzo atomo di elio si è aggiunto a questo elemento intermedio per formare un atomo di carbonio con sei protoni e sei neutroni.

L’elemento intermediario è il berillio. Il berillio si trova in natura sulla Terra, ma quello presente sulle giganti rosse è diverso: ossia, consiste di quattro protoni e quattro neutroni, mentre quello terrestre presenta cinque neutroni. "Il berillio delle giganti rosse" è una versione leggermente diversa. È quello che in chimica si chiama “isotopo”.

Adesso arriva la vera sorpresa. L’isotopo del berillio delle “giganti rosse” risulta essere incredibilmente instabile. Gli scienziati hanno studiato questo isotopo per anni e hanno scoperto che una volta formatosi si scompone in un femtosecondo.

Come può questo isotopo instabile del berillio, che si forma e si disgrega in così breve tempo, unirsi a un atomo di elio per formare un atomo di carbonio? È come tentare di disporre un terzo mattone sopra altri due che schizzano via l’uno dall’altro in un femtosecondo se capitano uno sull’altro e cercare così di costruire un edificio. Come avviene questo processo nelle giganti rosse? Questa domanda ha rappresentato per anni un gran rompicapo per i fisici che non sono riusciti a fornire una risposta. L’astrofisico americano Edwin Salpeter ha infine scoperto la chiave del mistero fornendo il concetto di “risonanza atomica”.

Risonanza e doppia risonanza

Si definisce “risonanza” l’armonia di frequenze (vibrazioni) di due materiali diversi.

Dall’esperienza comune abbiamo tratto un esempio che ci darà l’idea di ciò che i fisici intendono per “risonanza atomica”. Immaginatevi insieme a un bambino in un parco giochi con delle altalene. Il bambino si siede sull’altalena e iniziate a spingerlo. Per far sì che continui l’oscillazione, dovete effettuare la spinta da dietro. Ma in tutto ciò è importante la sequenza temporale delle spinte. Ogni volta che vi si avvicina il sedile dell’altalena, dovete applicare la forza di spinta al momento giusto: ossia quando il sedile si trova nel punto più alto del suo movimento verso di voi. Se effettuate la spinta troppo presto, ne risulterà una collisione che disturberà il momento ritmico dell’altalena; in caso contrario, avrete sprecato uno sforzo poiché il sedile si era già allontanato da voi. In altre parole, la frequenza delle spinte deve essere in sintonia con la frequenza dell’avvicinamento del sedile verso di voi.

Questa "armonia di frequenze" viene chiamata dai fisici “risonanza”. L’altalena ha una frequenza: ad esempio, si avvicina a chi effettua la spinta con la forza delle braccia ogni 1,7 secondi. Naturalmente, è possibile variarne la frequenza del movimento e, in tal caso, bisognerebbe cambiare anche la frequenza delle spinte, altrimenti l’oscillazione non avverrebbe correttamente.33

Così come possono “risuonare” due o più corpi, altrettanto può accadere quando un corpo in movimento provoca il moto di un altro. Questo genere di risonanza, chiamata “risonanza acustica”, è percepibile negli strumenti musicali quali, ad esempio, due violini ben accordati. Se si suona uno di questi violini nella stessa stanza in cui è presente anche l’altro, le corde di quest’ultimo cominceranno a vibrare e a produrre un suono nonostante non vi sia nessuno a toccarlo. La vibrazione dell’uno provoca una vibrazione nell’altro grazie alla sintonizzazione sulla stessa frequenza di entrambi gli strumenti.34

Gli esempi sulla risonanza riportati sono semplici e facili da riscontrare. Ma ci sono altre risonanze in fisica che non sono affatto altrettanto palesi e, nel caso del nucleo degli atomi, le risonanze possono essere complesse e delicate.

Tutti i nuclei atomici possiedono un livello di energia naturale che i fisici hanno scoperto dopo studi annosi. Questi livelli di energia differiscono gli uni dagli altri, sebbene siano stati riscontrati rari casi di risonanza tra nuclei atomici. Quando avvengono tali risonanze, i moti dei nuclei sono in sintonia tra loro come nei casi sopracitati dell’altalena e del violino. Il punto chiave è che la risonanza accelera le reazioni nucleari che possono ripercuotersi sui nuclei.35

Studiando come le giganti rosse danno vita al carbonio, Edwin Salpeter suggerì l’esistenza di una risonanza tra i nuclei di elio e di berillio che facilita la reazione. Questa risonanza, disse, agevola la fusione degli atomi di elio in berillio e ciò spiega la reazione nelle giganti rosse. Ma questa idea venne smentita da alcune ricerche postume.

Fred Hoyle fu il secondo astronomo a occuparsi della questione. Hoyle si ispirò all’idea di Salpeter ma si spinse oltre, introducendo il concetto di “doppia risonanza”. Hoyle affermava che a manifestarsi erano due risonanze: una che causava la fusione dei due atomi di elio in berillio e un’altra che provocava l’annessione a questa formazione instabile di un terzo atomo di elio. Nessuno credeva a Hoyle. Già era difficile accettare l’idea che una risonanza così precisa si verificasse una volta; che ciò potesse avvenire una seconda volta era addirittura impensabile. Hoyle portò avanti la sua ricerca per anni e, alla fine, provò l’esattezza della sua teoria: nelle giganti rosse avveniva davvero una doppia risonanza. In un momento ben preciso due atomi di elio entravano in risonanza e un atomo di berillio compariva nel femtosecondo necessario a produrre il carbonio.

George Greenstein descrive perché questa doppia risonanza sia davvero un meccanismo straordinario:

In questa storia di “elio-berillio-carbonio” vi sono rispettivamente tre strutture e due risonanze a sé stanti. Non è facile comprendere il motivo per cui questi nuclei collaborino senza problemi… Altre reazioni nucleari non procedono con una tale concatenazione di colpi di fortuna… È come scoprire l’esistenza di risonanze complesse e profonde tra un’auto, una bici e un camion. Perché delle strutture così disparate dovrebbero essere così perfettamente compatibili? Da ciò dipende la nostra esistenza e quella di ogni forma di vita nell’universo.36

Negli anni successivi si scoprì che dal risultato di tali risonanze anomale si formano anche altri elementi quali l’ossigeno. Nonostante fosse un materialista accanito, dopo aver scoperto queste “transazioni straordinarie”, Hoyle ammise nel suo libro Galassie, nuclei e quasar che le risonanze doppie dovevano essere il risultato di un progetto e non della coincidenza.37 In un altro articolo, scrisse:

Se si volessero produrre quantità approssimativamente uguali di carbonio e ossigeno attraverso la nucleosintesi stellare, questi sarebbero i due livelli da dover fissare e il valore dovrebbe corrispondere esattamente a dove si trovano questi livelli… Un’interpretazione logica dei fatti suggerisce che un superintelletto si sia preso gioco della fisica, della chimica e della biologia e che in natura non valga la pena tirare in ballo forze cieche. I numeri che vengono fuori dai calcoli mi sembrano così stupefacenti da farmi credere che questa sia l’unica conclusione possibile.38

Hoyle dichiarò che gli scienziati non dovrebbero sottovalutare la conclusione indiscutibile di questa pura verità.

Credo che nessuno scienziato che abbia esaminato le prove possa esimersi dal dedurre che le leggi della fisica nucleare sono state deliberatamente concepite tenendo in conto le conseguenze che producono all’interno delle stelle. 39

Questa verità è stata espressa nel Corano 1400 anni fa. Allah parla dell’armonia della creazione dei cieli nel versetto: Non avete considerato come Allah ha creato sette cieli sovrapposti (Surah Nuh: 15)

Il Sole: un laboratorio di alchimia meno evoluto

La conversione dell’elio in carbonio descritta sopra è l’alchimia delle giganti rosse. Nelle stelle più piccole, come nel caso del Sole, avviene un’alchimia più semplice. Il Sole converte l’idrogeno in elio e questa reazione è la fonte della sua energia.

Queste reazione è essenziale anche per noi, più di quanto possano esserlo quelle che avvengono nelle giganti rosse. Inoltre, anche la reazione nucleare del Sole è un processo “progettato”, proprio come quello delle giganti rosse.

L’idrogeno, l’elemento in ingresso di questa reazione, è l’elemento più semplice dell’universo poiché il suo nucleo comprende un solo protone. In un nucleo di elio, ci sono due protoni e due neutroni. Il processo che avviene nel Sole è la fusione di quattro atomi di idrogeno in un unico atomo di elio.

Durante questo processo viene rilasciata una cospicua quantità di energia, e quasi tutta l’energia termica e luminosa che raggiunge la Terra non è altro che il risultato di questa reazione nucleare solare.

Come avviene con le reazioni sulle giganti rosse, anche quella nucleare solare implica un numero di aspetti imprevisti senza i quali non potrebbe aver luogo. Non si possono semplicemente “incastrare” quattro atomi di idrogeno insieme e trasformarli in elio come nulla fosse. Affinché ciò avvenga è necessario un processo a due fasi, come quello delle giganti rosse. In una prima fase, i due atomi di idrogeno si combinano per formare un nucleo intermedio chiamato deuterone, formato da un solo protone e da un solo netrone.

Quale forza può essere tanto grande da produrre un deuterone incastrando insieme due nuclei? La "forza nucleare forte", una delle quattro forze fondamentali dell’universo menzionate precedentemente. Si tratta della forza fisica più intensa dell’universo ed è miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più potente di quella gravitazionale. Solo una forza del genere potrebbe unire due nuclei a quel modo.

La cosa davvero curiosa è che alcuni studi dimostrano che, nonostante la sua potenza, quest’ultima basta appena per permettere alla forza nucleare di fare ciò che deve. Se fosse leggermente più debole non basterebbe a unire i due nuclei. Piuttosto, i due protoni in avvicinamento si respingerebbero immediatamente e la reazione nel Sole finirebbe in una bolla di sapone. In altre parole, il Sole non sarebbe una stella irradiatrice di energia. A tal riguardo George Greenstein afferma: “se solo la forza nucleare forte fosse stata leggermente meno potente, la luce del mondo non avrebbe mai illuminato”.40

E se, invece, fosse stata più potente? Per rispondere a questa domanda dobbiamo prima dare un’occhiata più attenta al processo di conversione dei due atomi di idrogeno in deuterone. Dapprima, uno dei protoni viene privato della carica elettrica e diventa neutrone. Questo neutrone, unendosi a un protone, forma un deuterone. La forza che scatena questa unione è la “forza nucleare forte”; invece, la forza che trasforma un protone in un neutrone è un’altra e viene chiamata “forza nucleare debole”. È debole solo al confronto con l’altra e ci impiega circa dieci minuti per portare a termine la conversione. A livello atomico, è un tempo immensamente lungo e ha l’effetto di rallentare la velocità a cui avviene la reazione nel Sole.

Adesso ritorniamo alla domanda: Cosa accadrebbe se la forza nucleare forte fosse più potente? La risposta è che la reazione nel Sole verrebbe modificata drasticamente poiché la forza nucleare debole sarebbe eliminata dalla reazione.

Se la forza nucleare forte fosse più potente, sarebbe in grado di fondere insieme i due protoni immediatamente e senza dover aspettare i dieci minuti necessari per convertire un protone in un neutrone. Il risultato sarebbe un nucleo con due protoni invece di un deuterone. Questo genere di nucleo dagli scienziati viene definito “diprotone”. Si tratta di una particella teorica e tuttavia non è mai stata riscontrata in natura. Ma se la forza fosse stata più potente, nel Sole esisterebbero dei diprotoni veri. E quindi? Beh, una volta eliminata la conversione protone-neutrone, verrebbe eliminata “la valvola” che fa funzionare lentamente il “motore” del Sole. George Greenstein afferma che questo sarebbe il risultato:

Il Sole cambierebbe perché la prima fase della formazione dell’elio non sarebbe più quella della formazione del deuterone, bensì quella della formazione del diprotone. E questa reazione non implicherebbe affatto la trasformazione di un protone in un neutrone. Verrebbe a mancare il ruolo della forza debole e sarebbe sfruttata solo la forza forte…e, come risultato, il combustibile del Sole diverrebbe improvvisamente ottimo. Diventerebbe tanto potente e così ferocemente reattivo da far esplodere istantaneamente il Sole e ogni altra stella simile.41

L’esplosione del Sole causerebbe la distruzione del mondo e di ciò che contiene, bruciando il nostro pianeta azzurro in pochi secondi. Grazie al fatto che la forza nucleare forte è ben calibrata (né troppo forte, né troppo debole) la reazione nucleare del Sole è rallentata e le stelle possono irradiare luce ed energia per miliardi di anni. È questa precisa “calibratura” che consente al genere umano di vivere. Se ci fosse anche la più piccola sbavatura numerica, le stelle (incluso il Sole) non esisterebbero o, se esistessero, esploderebbero in breve tempo.

In altre parole, la struttura del Sole non è né casuale né involontaria. Anzi, al contrario: Allah ha creato il Sole affinché possano vivere gli individui, come espletato nel versetto:

Il Sole e la Luna [si muovono] secondo calcolo [preciso]. (Surat ar-Rahman: 5)

Protoni ed elettroni

Finora abbiamo esaminato questioni riguardanti le forze che agiscono sui nuclei atomici. Ma, all’interno dell’atomo, c’è un altro importante equilibrio da considerare: quello tra il nucleo e gli elettroni.

Detto in termini spiccioli, gli elettroni ruotano intorno al nucleo e ciò avviene grazie alla carica elettrica. Gli elettroni hanno una carica negativa mentre i protoni una positiva. Le cariche opposte si attraggono e gli elettroni dell’atomo vengono attirati verso il nucleo. Ma gli elettroni si muovono a una velocità elevata che, in condizioni normali, comporterebbe un allontanamento dal nucleo. Queste due forze (attrazione e repulsione) sono in equilibrio e permettono agli elettroni di ruotare attorno al nucleo.

L’equilibrio negli atomi si ha anche in termini di cariche elettriche: il numero di elettroni orbitanti è lo stesso di quello dei protoni nel nucleo (ad esempio, l’ossigeno ha otto protoni e otto elettroni). In questo modo, la forza elettrica di un atomo è bilanciata e l’atomo è elettricamente neutro.

Finora si è parlato di fondamenti della chimica. Tuttavia, c’è un aspetto in questa struttura apparentemente semplice che sfugge a molti. In termini di peso e dimensioni, il protone è molto più grande dell’elettrone. Se un elettrone fosse grande quanto una noce, un protone sarebbe grande quanto un uomo.

Fisicamente parlando sono parecchio diversi.

Ma le loro cariche elettriche sono le stesse!

Sebbene queste siano opposte (elettroni negativa, protoni positiva) sono anche uguali. Non esiste un’ovvia ragione per cui sia così. Plausibilmente (e “logicamente”) un elettrone dovrebbe trasportare una carica molto più piccola perché è anch’esso più piccolo.

Ma se fosse così, cosa accadrebbe?

Cosa accadrebbe se tutti gli atomi dell’universo fossero caricati positivamente invece di avere una carica neutra? Poiché cariche uguali si respingono, tutti gli atomi dell’universo si respingerebbero a vicenda e non esisterebbe la materia così come ci appare.

E se ciò succedesse adesso? Cosa accadrebbe se tutti gli atomi cominciassero a respingersi tra loro?

Accadrebbero cose fuori dal normale. Cominciamo con i mutamenti che avverrebbero nel nostro corpo. Al momento del cambiamento, le mani e le gambe che sorreggono questo libro si disfarebbero subito. E la stessa sorte toccherebbe anche al corpo, alle gambe, agli occhi, ai denti; ogni parte del corpo esploderebbe in un attimo.

La stanza in cui vi ritrovate e il mondo che la circonda esploderebbe in un attimo. I mari, le montagne, i pianeti, il sistema solare, le stelle, le galassie nell’universo diventerebbero polvere atomica. E nel mondo non ci sarebbe più nulla da osservare. L’universo si trasformerebbe in una massa di atomi disorganizzati che si respingerebbero tra di loro.

Di quanto dovrebbe differire la dimensione delle cariche elettriche dei protoni e degli elettroni per far avvenire questa catastrofe? Un percento? Un decimo di uno percento? In The Symbiotic Universe, George Greenstein risponde alla domanda:

Se le due cariche differissero anche solo di una parte su 100 miliardi, i piccoli oggetti come le pietre, le persone e simili verrebbero spazzate via. Per esistere, le strutture più grandi, come la Terra e il Sole, richiedono un equilibrio ancora più perfetto di una parte su un miliardo di miliardi.42

Eccoci di fronte a un altro equilibrio perfettamente “calibrato” che prova che l’universo è stato disegnato intenzionalemente e creato per uno scopo specifico. Come affermano John D. Barrow e Frank J. Tipler nel loro libro Il principio antropico, "c’è un disegno grandioso nell’universo che favorisce lo sviluppo di vita intelligente."43

Naturalmente ogni disegno prova l’esistenza di una volontà che lo progetta. Si tratta di Allah onnipotente, Signore di tutti i mondi, il Potere che ha creato l’universo dal nulla e che lo ha disegnato e modellato a suo piacimento. Come si afferma nel Corano "Sareste voi più difficili da creare o il cielo che [Egli] ha edificato? Ne ha innalzato la volta e le ha dato perfetta armonia, (Surat an-Nazi'at: 27-28)

Grazie agli straordinari equilibri che abbiamo visto in questo capitolo, la materia è in grado di rimanere stabile e questa stabilità è la prova della perfezione della creazione di Allah, come ci rivela il Corano:

E fa parte dei Suoi segni che il cielo e la Terra si tengan ritti per ordine Suo (Surat ar-Rum: 25)