Dall’Universo, la vita

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Dopo aver visto, nella prima puntata, la natura di atomi ed elettroni, adesso entriamo nel nucleo.

Dall'Universo, la vita
Ginevra. Il rivelatore di particelle CMS al CERN. Foto di Pietro Battistoni da Pixabay

Come abbiamo visto nella precedente puntata, le indagini sulla costituzione dei nuclei atomici sono state fatte in molti laboratori fisici al mondo utilizzando enormi macchine, cioè gli acceleratori di particelle. Per esempio il CERN di Ginevra è costituito da un tunnel sotterraneo con una circonferenza di 27 kilometri ed è dotato di grandi rivelatori di particelle.

Gli acceleratori principali a disposizione del CERN sono: il Large Hadron Collider (LHC), entrato in funzione il 10 settembre 2008 dopo lo smantellamento del Large Electron-Positron Collider (LEP). Si estende su una circonferenza di 27 chilometri ed è stato inizialmente progettato per accelerare fino a un massimo di 7 TeV (una misura dell’energia), permettendo di studiare le particelle elementari in condizioni sperimentali paragonabili a quelle dei primi momenti di vita dell’Universo, subito dopo il lBig Bang.

Quindi c’è il Super Proton Synchrotron (SPS), un acceleratore circolare di 2 km di diametro che alimenta l’LHC con gli ioni piombo, costruito in un tunnel, che ha iniziato a funzionare nel 1976. Attualmente porta ad una energia equivalente a quella di un protone da 450 GeV, ma è stato potenziato più volte partendo con 300 GeV. Oltre ad avere una propria linea di fascio rettilinea per esperimenti a bersaglio fisso, ha funzionato come collisore protone-antiprotone e come stadio finale di accelerazione per gli elettroni e i positroni da iniettare nel LEP.

La Teoria Cromodinamica Quantistica (QCD)

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Buchi-neri-(ai-generated).da Pixabay

Gli studi durati decenni con centinaia di fisici, al CERN e in altri laboratori di ricerca, hanno condotto allo sviluppo di una Teoria detta Cromodinamica Quantistica, in breve QCD che descrive l’interazione forte, cioè le forze che legano i quark nei protoni e neutroni e nei nuclei atomici.
La QCD a sua volta fa parte del Modello standard, la teoria quantistica più generale che possediamo per descrivere tutto il comportamento e le proprietà degli atomi e delle forze elementari.

Tuttora ci sono ancora molte cose non ben comprese anche nel Modello Standard, che sappiamo essere una teoria in un qualche modo incompleta. Per esempio non prevede l’esistenza della cosiddetta Materia Oscura, che secondo i cosmologi rappresenta piu’ dell’ 85% di tutta la materia dell’Universo.

Ma da dove hanno origine i nuclei degli atomi?

Dall'Universo, la vita
Come è nato il Big Bang. Da Wikipedia

Dare una risposta a questa domanda significa capire qual è la nostra stessa origine, visto che tutti noi, esseri biologici, siamo fatti di atomi. Gli scienziati hanno sviluppato una teoria, chiamata Big-Bang, che descrive l’origine di tutto l’Universo.
Basata su una moltitudine di osservazioni sperimentali astronomiche, e calcoli teorici, la teoria del Big-Bang ipotizza che l’Universo abbia avuto origine circa 13,8 miliardi di anni fa, a partire (forse) dal nulla assoluto. Secondo questa teoria, col Big-Bang è stato creato in un solo istante tutta l’energia dell’universo e ha avuto inizio anche il Tempo e lo Spazio.

Nei primi 3  o  4 millesimi di secondo dalla creazione, l’Universo era caldissimo e molto denso, con una temperatura di circa 15 miliardi di gradi. In queste condizioni estreme, esistevano solo le particelle trovate nei gradi collisori del CERN, cioè quark, muoni, gluoni, kaoni, particelle lambda, e altre simili, ed elettroni e neutrini e fotoni (quanti di luce).

La misteriosa particclla X

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Io images, d Pixabay

L’Universo caldissimo appena creato iniziò subito a raffreddarsi (un gas in espansione si raffredda) e dopo pochi secondi la temperatura scese a qualche decina di milioni di gradi, permettendo ai quark di unirsi a gruppi di tre per formare protoni e neutroni. Una parte dei protoni e neutroni si unirono per formare il primo nucleo atomico, quello dell’atomo di elio, (si…quello dei palloncini del luna park!) fatto di due protoni e due neutroni.

Dopo pochi minuti, a temperature ancora in discesa, gli elettroni si unirono ai primi nuclei atomici per formare due tipi di atomi neutri: ora l’universo era fatto di idrogeno (circa il 80%) ed elio (circa il 20%) e neutrini, e fotoni, e forse una misteriosa particella X (ancora da scoprire) che costituisce la materia oscura.

Dalle nubi di gas alle prime stelle

Polvere Stellare foto rilasciata dal telescopio Hubble
Polvere Stellare – foto dal telescopio Hubble.

Ma tutti gli altri atomi di cui noi stessi siamo fatti (carbonio, ossigeno, azoto, calcio, magnesio, potassio, ferro etc.) ancora non esistevano.  L’universo rimase per trecentomila anni sotto forma di una enorme nube di gas in espansione e raffreddamento.
Poi iniziò ad accadere che la forza più debole, la forza di gravità, fece collassare grandi nubi di gas su se stesse.  Queste nubi di gas che collassano su se stesse, per effetto della propria gravità, diventarono le prime stelle, e poi le prime galassie, costituite da miliardi di stelle. Questo processo durò centinaia di milioni di anni.

 Quando una nube di gas collassa verso il proprio centro, il gas si riscalda e si comprime. A un certo punto la temperatura raggiunge valori di decine di milioni di gradi (nel centro) e pressioni altissime.

Ora inizia un nuovo fenomeno: i nuclei di idrogeno (che sono protoni) si fondono fra di loro diventando nuclei di elio, e i nuclei di elio fondendosi fra di loro diventano nuclei di berillio, poi per ulteriore fusione diventano nuclei di carbonio, azoto, ossigeno, neon, silicio etc.  fino ai nuclei del ferro, che contiene 26 protoni e 30 neutroni.

I processi di fusione nucleare liberano moltissima energia, che viene infine rilasciata come luce dalla stella. È importante notare che questo processo di formazione dei nuclei atomici avviene solo all’interno delle stelle, su tempi dell’ordine delle centinaia di milioni di anni o molto più. Per esempio il nostro Sole sta trasformando idrogeno in elio da 4.5 miliardi di anni, liberando energia sotto forma di luce.

Da un’esplosione… polvere di stelle

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Polvere di stelle (foto ai generated).

Poi accade che molte stelle, le più grandi, quando hanno finito di consumare tutto l’idrogeno che possedevano, vanno incontro ad una disastrosa esplosione, chiamata esplosione di supernova.
Questa immane esplosione distrugge circa la metà della stella, proiettando nello spazio polveri costituite da tutti gli elementi citati (carbonio, azoto, ossigeno, silicio, ferro ecc.), mentre il nucleo della stella collassa in una stella molto più piccola, che può essere una stella di neutroni, oppure un buco nero.

Le polveri interstellari, a loro volta, assieme a molto idrogeno ancora presente negli spazi siderali, possono condensare in una nuova stella (di seconda generazione) circondata da pianeti: è il caso del nostro sistema solare, pieno di materiale “solido”, come asteroidi, comete, planetesimi e pianeti grandi.
La materia solida dei pianeti e asteroidi e comete proviene dal materiale espulso da una precedente esplosione di supernova.

Su qualche pianeta, che orbita alla giusta distanza dalla sua stella centrale, si possono infine creare le condizioni affinché sorga una forma di vita elementare, a partire dagli elementi quali il carbonio (fondamentale) e poi idrogeno, azoto, ossigeno, zolfo etc. Questi pochi elementi possono costituire molecole molto complesse che prima o poi acquisiscono una nuova proprietà: la capacità di autoreplicazione. Questo è l’inizio del fenomeno della vita biologica che poi evolve (soluzione darwiniana) fino a creare gli organismi superiori, e noi stessi.

Nulla vieta che la vita si possa produrre in questo modo in molti pianeti dell’Universo, nella nostra galassia e nelle più lontane galassie. E che possano infine svilupparsi essere intelligenti e coscienti su pianeti di altre stelle. Le leggi della fisica sono infatti molto democratiche: noi non abbiano nessuna esclusiva o particolarità che non possa essere replicata altrove.

Il carbonio, l’atomo più importante della tavola periodica

Dal carbonio... il diamante e il carbone
Dal carbonio… il diamante e il carbone (da Wikipedia)

Ma torniamo all’atomo più importante della tavola periodica: è l’atomo di carbonio. Il suo nucleo è costituito da 6 protoni e 6 neutroni, attorno al quale orbitano 6 elettroni.
Si tratta di un atomo con proprietà eccezionali ed estremamente versatile: può legarsi ad altri atomi di carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno e zolfo per formare molecole come gli idrocarburi, gli aminoacidi, gli zuccheri, o le basi del DNA. In natura il carbonio si presenta come l’umile pezzo di nero carbone estratto con fatica dalle miniere, oppure nella veste scintillante e preziosissima di un diamante purissimo che brilla alla luce del sole.

Il diamante è una forma cristallina del carbonio, dove gli atomi sono messi in una struttura precisa e regolare, mentre il povero carbone è una forma amorfa e caotica di carbonio. Ma si tratta pur sempre dello stesso atomo!

Poi troviamo il carbonio nel metano legato con 4 atomi di idrogeno (CH4) oppure nella anidride carbonica, legato con due atomi di ossigeno (CO2). Sono milioni i composti che può formare. La vita è basata sulla biochimica del carbonio, si ritiene che qualsiasi forma di vita non possa prescindere dal carbonio. Ecco perché questo atomo è cosi’ importante.

(Ultima puntata- fine)

Per saperne di più:
William Giroldini: L’atomo e le sue particelle

Laureato in Chimica, sviluppatore software ed elettronica, da almeno 30 anni si interessa di Ricerca Psichica con particolare attenzione allo studio della Telepatia e Psicocinesi utilizzando tecniche Elettro-Encefalografiche. Autore di numerose ricerche pubblicate anche su riviste scientifiche internazionali. Direttore Scientifico di AISM (Ass. Italiana Scientifica di Metapsichica).