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Se mettiamo in fondo a un barattolo 100 biglie nere, poi uno strato di biglie rosse sopra le nere, e poi ancora uno strato di 100 biglie verdi sopra le rosse e agitiamo vigorosamente il barattolo, sappiamo che cosa succederà. In breve tempo le biglie nere, rosse e verdi saranno tutte mischiate. Si potrebbe continuare ad agitare il barattolo per un milione di anni senza ottenere mai la configurazione ordinata di partenza.
Quest’esempio illustra un punto importante sulla natura. I sistemi isolati tendono naturalmente a passare dall’ordine al disordine. In altri termini, il tempo ha una direzione ben definita e i sistemi disordinati sono posteriori ai sistemi ordinati. Quest’idea ha in noi radici profonde poiché la nostra vita è piena di esempi del secondo principio. È sufficiente che proiettiamo le nostre filmine alla rovescia per vedere quante cose appaiono sbagliate. È più facile fare un’omelette che disfarla, è più facile graffiare la fiancata della nostra macchina che farla tornare come prima, e più facile mettere in disordine la nostra stanza che rassettarla, e via dicendo.
Tutti questi esempi esprimono la stessa idea della direzione- tempo in natura.
L’« entropia » è il concetto di cui si servono gli scienziati per misurare la casualità o il disordine di un sistema. La terza formulazione del secondo principio dice che in ogni sistema chiuso l’entropia o aumenta o (nella migliore delle ipotesi) rimane la stessa nel corso del tempo. Il disordine non diminuisce mai. Detto questo, però, dobbiamo ammettere che alcuni sistemi possono diventare più ordinati, ma al costo di far aumentare il disordine da qualche altra parte. Possiamo passare l’aspirapolvere nella nostra stanza, ma dovremo pagare la bolletta dell’elettricità. Quando produciamo un cubetto di ghiaccio nel frigorifero, l’acqua gelando diventa più ordinata, ma il frigorifero non è un sistema isolato, essendo collegato alla centrale elettrica che produce l’energia di cui si serve. Il secondo principio dice che l’aumento di ordine negli atomi dell’acqua che diventa ghiaccio dev’essere controbilanciato da un aumento del disordine nell’atmosfera attorno alla centrale elettrica, un aumento, che è senza dubbio la conseguenza del calore dissipato.
I sistemi viventi sono le forme di materia più ordinate che conosciamo. Un numero grandissimo di atomi devono organizzarsi in un modo imposto precisamente per produrre persino la cellula più semplice. A volte i creazionisti sostengono che le teorie dell’evoluzione violano il secondo principio in quanto suppongono che la vita sia apparsa spontaneamente. Nulla di così ordinato, essi sostengono, potrebbe avere origine dal disordine, poiché ciò violerebbe il secondo principio. Come nel caso del cubetto di ghiaccio, però, si devono considerare l’energia e la casualità dell’intero sistema in cui sorse la vita. Questo sistema comprende non solo la Terra, ma anche la sorgente di energia della Terra, cioè il Sole. L’aumento relativo nell’ordine che si osserva nei sistemi viventi sulla superficie del nostro pianeta è più che pareggiato dal disordine creato dalla fornace nucleare che fornisce energia al Sole; e l’entropia totale del sistema Terra-Sole aumenta di continuo.
Il secondo principio ci dice che in natura, come nella vita, si deve pagare per tutto ciò che si ottiene. Non ci sono spuntini gratis!
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 54
Normalmente un motore comprende insiemi multipli di magneti permanenti o vari elettromagneti sincronizzati. Diverse configurazioni dei componenti di base danno motori che ruotano con una velocità costante o con una grande coppia o a piccoli passi. In ogni caso, però, il principio di base è lo stesso: l’elettricità viene convertita in campi magnetici.
I generatori elettrici sono l’esatto opposto dei motori elettrici: essi convertono il moto rotatorio in energia elettrica. Il generatore fondamentale, usato per la prima volta da Thomas Edison, è poco più di una spira di filo che ruota in un campo magnetico. A causa della rotazione, il campo, visto dalla spira, varia costantemente, cosicché nel filo scorre una corrente, prima in un senso e poi nel senso opposto. Questa corrente alternata (CA) esce dal generatore scorrendo lungo fili e può essere usata per alimentare circuiti elettrici. Quasi tutta l’elettricità usata negli Stati Uniti viene prodotta in questo modo.
Qualsiasi cosa sia in grado di far ruotare un asse può fornire energia a un generatore. Acqua corrente, vapore a pressione, vento o un motore a benzina possono azionare una
turbina rotante nella quale siano alloggiate spire di filo di rame. In un grande impianto di produzione di corrente elettrica, potenti elettromagneti circondano le spire di filo di rame. Quando il filo di rame interseca le linee del campo gli elettroni vengono spinti avanti e indietro – 60 volte al secondo negli Stati Uniti e in altri stati americani, 50 volte in Europa - per produrre la corrente alternata dalla frequenza, rispettivamente, di 60 e 50 hertz (cicli al secondo) che illumina le città e fa funzionare frigoriferi e condizionatori d’aria.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 66
Le onde radio abbracciano tutta la radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda da alcuni metri a migliaia di chilometri, le onde più lunghe che possiamo facilmente produrre e rivelare. Le onde radio sono molto utili perché si propagano nell’aria senza essere assorbite, perché si generano e si rivelano senza difficoltà e perché quelle più lunghe sono in grado di propagarsi al di là della curvatura della Terra. Le onde radio sono il mezzo ideale per la comunicazione a livello planetario. Quando guardiamo la televisione o ascoltiamo l’autoradio, usiamo segnali che sono stati trasmessi per mezzo di onde radio.
Tanto i segnali della radio quanto quelli della televisione vengono diffusi da alte antenne, dove gli elettroni sono accelerati avanti e indietro per creare onde elettromagnetiche. Tutte le stazioni hanno una frequenza base « portante »: la frequenza d’onda che si legge sul quadrante della radio. Il modo in cui la musica o la conversazione vengono associate alla portante dipende dal tipo di segnale che viene diffuso. Le stazioni in FM variano leggermente la frequenza (modulazione di frequenza), mentre le stazioni in AM variano la forza del segnale (modulazione di ampiezza). La differenza fra AM e FM può essere chiarita assimilando i segnali radio alla luce di un faro. Se si invia un segnale diminuendo e aumentando alternativamente l’intensità della luce di un faro, si opera come una stazione in AM; se invece si invia un segnale modificando il colore della luce emessa, si opera come una stazione in FM.
Le onde radio in Am hanno una lunghezza dell’ordine di qualche centinaio di metri: sono cioè abbastanza lunghe da propagarsi attorno alla curvatura della Terra. Una stazione di grande potenza può essere captata a centinaia di chilometri di distanza, specialmente di notte, quando l’interferenza da parte di altre forme di radiazione elettromagnetica è minima. Le stazioni in FM usano onde radio di pochi metri di lunghezza. Queste onde non seguono la curvatura della Terra, cosicché le stazioni in FM devono contare solo sulla trasmissione lungo la linea visuale. Ecco perché le nostre stazioni preferite in modulazione di frequenza si indeboliscono fino a sparire quando ci allontaniamo in macchina più di 80 km dalla città. Anche le stazioni televisive di solito trasmettono sulle lunghezze d’onda più corte nello spettro delle radioonde.
La parte radio dello spettro elettromagnetico è grande, ma può accogliere solo un numero finito di canali separati. Compito degli stati è assegnare l’estremità delle onde lunghe nella gamma delle onde radio in modo che non ci siano stazioni con frequenze che si sovrappongano.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 72
Ci siamo già imbattuti negli elettroni, i portatori mobili di carica elettrica negativa. Gli elettroni sono oggetti piccolissimi, pesando solo 1/1860 circa del protone o del neutrone. Se immaginiamo il nucleo atomico come una sfera di due chili e mezzo grande come una palla da pallacanestro, gli elettroni sono come zanzare che volino attorno a svariati chilometri di distanza, con lo spazio intermedio tutto vuoto. Gli atomi, che pure formano tutta la materia « solida », sono costituiti quasi interamente da spazio vuoto.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 84
Benché gli elettroni, dotati di carica negativa, orbitino attorno al nucleo, di carica positiva, in modo simile a quello in cui i pianeti orbitano attorno al Sole, le loro orbite differiscono da quelle dei pianeti in un modo significativo. Un pianeta come la Terra non è obbligato ad avere una distanza precisa dal Sole: se la sua orbita fosse dieci metri più vicina al Sole o 10.000 km più lontana non sarebbe violata alcuna legge della fisica. Gli elettroni in un atomo, invece, possono orbitare solo in certe traiettorie ben definite e non possono mai trovarsi in alcun altro luogo. Ognuna di queste orbite « permesse » corrisponde a un’energia diversa, cosicché l’energia degli elettroni atomici può avere solo certi valori esatti, specificati.
Gli elettroni passano da un’orbita all’altra per mezzo di un « salto quantico », un fenomeno di cui è impossibile dare una rappresentazione visiva. L’elettrone scompare semplicemente da un’orbita e ricompare in un’altra senza attraversare lo spazio interposto. È come se noi salissimo su per una scala semplicemente sparendo da un gradino e apparendo sul successivo. Possiamo pensare che questo modo di presentare le cose sembri assurdo, ma nell’universo osserviamo cose che sono estremamente piccole, che hanno massa estremamente grande, o che si muovono a velocità estremamente elevate.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 85
Quando gli scienziati cominciarono a esplorare il mondo subatomico, furono naturalmente indotti a chiedersi: « Gli elettroni sono particelle o onde? » Dopo tutto, un elettrone trasferisce energia, e se l’energia può essere trasferita solo per mezzo di particelle e di onde, l’elettrone dev’essere l’una o l’altra cosa.
Purtroppo le cose non sono così semplici. In esperimenti eseguiti su elettroni si è trovato che in certe situazioni essi sembrano comportarsi come particelle, e in altre come onde. Similmente, qualcosa che noi consideriamo normalmente un’onda - per esempio la luce - può apparire in certe circostanze formata da particelle. All’inizio del secolo questo comportamento apparentemente inspiegabile fu indicato con l’espressione « dualità onda-particella » e si pensò che illustrasse la stranezza del mondo quantistico.
Nella « dualità » non c’è però nulla di particolarmente misterioso. Il comportamento degli elettroni e della luce ci dice semplicemente che, nel mondo quantistico, le nostre categorie familiari di « onda » e di « particella » non si applicano. L’elettrone non è un’onda e non è una particella: è qualcosa di completamente diverso. A seconda del tipo di esperimento che facciamo, possiamo osservare un comportamento ondulatorio o corpuscolare. Il problema onda-particella non riguarda la natura, bensì la nostra mente.
Supponiamo che, per qualche ragione, un marziano fosse riuscito a captare trasmissioni radio dalla Terra solo in francese e in tedesco. Egli potrebbe elaborare una teoria secondo la quale ogni lingua sulla Terra dev’essere francese o tedesco. Supponiamo che, armato di queste conoscenze, egli venisse poi sulla Terra e scendesse nel bel mezzo di una città americana. Sentendo l’inglese per la prima volta, noterebbe che alcune parole sono simili a parole francesi, e altre a parole tedesche. Non ci sarebbe alcun problema se egli si rendesse conto che esiste una terza lingua di cui è rimasto in precedenza all’oscuro, mentre in caso contrario potrebbe trovarsi impigliato in considerevoli nodi filosofici. Egli potrebbe sviluppare addirittura, per spiegare il nuovo fenomeno, una teoria della « dualità francese-tedesco ».
Nello stesso modo, se siamo disposti ad accettare la nozione che la situazione al livello atomico non è simile a quella del nostro mondo quotidiano, la questione se certe cose siano onde o particelle non ci crea alcuna difficoltà. La risposta corretta alla questione onda-particella è semplicemente « nessuna delle due ».
Ovviamente ciò significa che non possiamo visualizzare un elettrone: non possiamo immaginare quale aspetto abbia. Per esseri così dipendenti dalla vista come noi, questo fatto è profondamente disturbante. Fisici e non fisici si ribellano similmente a questa prospettiva e tentano di costruirsi immagini mentali, siano esse o no « reali ». Gli autori di questo libro non fanno eccezione: noi immaginiamo l’elettrone come qualcosa di simile a un’onda di marea, localizzata come una particella in un’area generale, ma con creste e avvallamenti come un’onda.
La lunghezza dell’« onda di marea » associata a tipi diversi di particelle varia enormemente. Quella di un elettrone, per esempio, è minore di quella di un atomo, mentre quella di un fotone della comune luce visibile è lunga un metro circa. Considerate in questo modo, sia le « onde » come la luce sia le « particelle » come gli elettroni hanno la stessa struttura fondamentale. La distinzione fra onda e particella della fisica classica risulta essere priva di qualsiasi significato nel mondo quantistico.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 99
Un curioso dilemma si pone a due atomi di carbonio quando si avvicinano uno all’altro. Ogni atomo ha un guscio esterno che è occupato esattamente per metà. L’atomo dovrebbe donare o accettare elettroni? Nessuno dei due atomi fa in realtà nulla del genere. I due atomi finiscono col mettere in comune i loro elettroni esterni creando così un guscio esterno pieno, gli elettroni del quale, che si muovono costantemente avanti e indietro da un atomo all’altro, non appartengono in realtà a nessuno dei due atomi. Questa condivisione produce una forza che mantiene uniti i due atomi: un legame covalente. Benché il legame covalente si osservi per lo più fra atomi di carbonio, lo si incontra anche in molti altri elementi, fra cui silicio, zolfo e azoto.
Il legame covalente è alla base di ogni forma di vita. Esso assicura la coesione dei tessuti del nostro corpo e impedisce al nostro DNA di spezzarsi. Lo troviamo anche in materiali
plastici, nel nailon, nei diamanti e nelle supercolle. Guardiamoci attorno: il legame carbonio-carbonio è una parte essenziale di tutto ciò che vediamo, eccezion fatta per i metalli, l’acqua, il vetro e la ceramica. È un legame così importante che decine di migliaia di specialisti, noti come chimici organici, dedicano la loro vita a studiare esclusivamente i composti del carbonio.
La ragione principale per cui in natura si osserva così spesso il legame covalente è che ben di rado i composti covalenti si fermano a una singola coppia di atomi. Se si prende l’avvio, per esempio, da due atomi di carbonio, che condividono un paio di elettroni, altri atomi di carbonio possono cominciare a mettere in comune altri elettroni, formando strutture sempre più lunghe e complesse. Il nostro mondo pullula di gigantesche strutture atomiche di migliaia di atomi, uniti in lunghe catene o in rami complessi o in configurazioni ad anello collegate. Non esiste letteralmente alcun limite alla varietà dei possibili composti organici. In tutte queste sostanze, per quanto stravaganti, ogni coppia di atomi di carbonio adiacenti ha in comune qualche elettrone in un legame covalente.
Gli atomi dei metalli hanno in generale gusci elettronici pieni più uno o più elettroni residui. Il sodio metallico, sostanza di colore argenteo e consistenza cerosa, ha un elettrone all’esterno di un guscio completo; il magnesio ha due elettroni esterni, l’alluminio tre e via dicendo. Quando si combinano atomi di metalli, alcuni o tutti questi elettroni esterni lasciano la loro sede e vagano liberamente nel metallo; gli ioni rimasti hanno quindi carica positiva, mentre gli elettroni liberi formano una sorta di mare di carica negativa. Ogni nucleo crea un’isola locale di carica positiva, e forze elettrostatiche assicurano la stabilità dell’intero sistema metallico. Si può pensare al legame metallico come a un sistema in cui gli elettroni esterni sono messi in comune fra tutti gli atomi del sistema, di contro al legame covalente, in cui solo gli atomi vicini condividono un elettrone.
Il legame metallico differisce nettamente dal legame ionico. In un cristallo ionico ci sono sempre due tipi di atomi molto diversi, alcuni con carica positiva e altri con carica negativa. Ogni ione è circondato da ioni di carica opposta. Ovviamente un elemento puro (con un solo tipo di atomi) non può mai avere legami ionici. In un metallo, invece, tutti gli atomi svolgono esattamente lo stesso ruolo dei loro vicini. Ogni atomo di un metallo è circondato da atomi di metallo simili. Non è perciò forse sorprendente che circa tre quarti di tutti gli elementi puri noti, fra cui ferro, alluminio, rame e oro formino legami metallici. Spesso i metallurgisti mischiano assieme due o più di questi elementi per creare leghe metalliche con proprietà peculiari. Dalla combinazione di rame e di zinco si ottiene ottone, da rame e stagno bronzo, e le leghe di acciaio possono includere una dozzina di elementi metallici, oltre ai due componenti essenziali ferro e carbonio.
In una quantità di materiali i legami chimici non corrispondono esattamente alle nette definizioni dei legami ionico, covalente o metallico. Gli elettroni sono sempre in mo-vimento, e non sempre si può dire esattamente dove una data particella trascorra il suo tempo. Se gli elettroni esterni rimangono in prossimità di uno ione, il legame è ionico; se sono condivisi egualmente fra un paio di atomi, il legame è covalente; se sono liberi di vagare nel cristallo il legame è metallico. In molte sostanze, però, gli elettroni dividono il loro tempo in modo diseguale fra due o più atomi. Siffatti rapporti di fedeltà divisa configurano legami di carattere misto.
Il minerale comune pirite, noto ai minatori come « l’oro degli sciocchi », deve la sua insolita combinazione di proprietà a legami di ferro-zolfo che hanno un misto complesso dei caratteri covalente, metallico e ionico. Durante la corsa all’oro del 1849 in California, la lucentezza dell’oro degli sciocchi confuse migliaia di cercatori d’oro inesperti, ma il minerale si rompe con spigoli netti, tipici dei materiali con legame ionico o covalente.
In migliaia di composti ci sono gruppi di atomi che si legano senza mai cedere un elettrone: una situazione molto diversa da quella del legame ionico, metallico o covalente. Questo tipo di forza coesiva si deve al fatto che, quando due atomi si avvicinano l’uno all’altro, le loro nubi elettroniche si deformano in conseguenza delle forze che si esercitano fra gli atomi. Le forze elettriche fra due atomi distorti sono: 1) la repulsione fra i due nuclei; 2) l’attrazione fra gli elettroni di un atomo e il nucleo dell’altro, e 3) la repulsione fra gli elettroni. Anche se la cosa non è ovvia, risulta che in questa situazione le forze attrattive possono avere la meglio, nel qual caso si forma un debole legame fra gli atomi. Noi chiamiamo questo legame la forza di van der Waals, dal nome del fisico olandese Johannes Diderik van der Waals (1837-1923). Molti materiali molli, dalla cera per candele alla polvere di talco, devono le loro proprietà peculiari ai deboli legami di van der Waals.
Il « legame a idrogeno », che è presente in ogni organismo vivente, è una variante importante del legame di van der Waals. Gli atomi di idrogeno, che sono composti da un solo protone e da un solo elettrone, tendono a legarsi a un solo atomo per volta: spesso ossigeno o carbonio. L’elettrone solitario dell’idrogeno viene trasferito all’altro atomo, lasciando il protone come una sorta di gobba positiva esposta sulla molecola che ne risulta. Questa regione di carica positiva può attrarre altri atomi per mezzo della semplice forza elettrica, e il legame formato in questo modo si chiama legame a idrogeno. Possiamo raffigurarcelo come se un atomo di idrogeno distorto formasse la colla che tiene assieme altri due atomi.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 110
Come suggerisce il nome, un semiconduttore è un materiale che trasporta elettricità (come un conduttore), ma non altrettanto bene. Un semiconduttore è in posizione intermedia fra un conduttore, con grandi quantità di elettroni mobili, e un materiale isolante, con tutti gli elettroni bloccati. La chiave del successo commerciale di un semiconduttore sta nell’avere solo un numero limitato di portatori mobili di carica elettrica.
Il silicio, che dopo l’ossigeno è l’elemento più abbondante nella crosta terrestre, fornisce oggi il materiale di partenza per quasi tutti i dispositivi a semiconduttori. Questo elemento, il cui guscio elettronico esterno è, come si è detto, occupato per metà, si comporta in modo molto simile al carbonio. I legami silicio-silicio sono covalenti, e il silicio puro non conduce molto bene l’elettricità perché gli elettroni condivisi sono legati strettamente. Le vibrazioni atomiche staccano però sempre qualche elettrone, cosicché in un cristallo di silicio ci sarà, in qualsiasi momento, qualche elettrone mobile. Il silicio ha di conseguenza una conduttività netta molto inferiore a quella dei metalli, ma mclto maggiore di quella dei materiali isolanti. Ecco perché è chiamato semiconduttore.
Gli elettroni liberi non dicono tutto per quanto concerne il passaggio di corrente elettrica in un semiconduttore. Ogni volta che un elettrone si libera dal suo legame, lascia un vuoto: quella che i fisici chiamano una « lacuna ». Ora, una lacuna può condurre elettricità altrettanto bene di un elettrone. Per vedere perché sia così, pensiamo le lacune in movimento come analoghe a qualcosa che osserviamo nel traffico congestionato delle ore di punta, quando le autovetture in colonna ogni tanto si fermano per poi riprendere la marcia. Quando davanti alla nostra macchina si apre uno spazio (una « lacuna »), avanziamo per riempirlo, la vettura dietro la nostra si muove per andare a occupare lo spazio che abbiamo liberato noi, e via dicendo. La maggior parte delle persone direbbero che le macchine si sono spostate in avanti, ma sarebbe altrettanto giusto dire che la lacuna si è mossa nella direzione opposta. In quanto pendolari, non ci interessa molto sapere a che velocità si stanno muovendo le lacune, ma se fossimo fisici preoccupati di conoscere il movimento netto della carica elettrica, gli elettroni o le lacune andrebbero altrettanto bene. Si possono muovere le cariche elettriche altrettanto bene spostando gli elettroni, negativi, in un senso o le cariche positive - le lacune - nella direzione opposta.
Una lieve impurità può modificare vistosamente il comportamento di un semiconduttore come il silicio. Per esempio, si possono produrre semiconduttori in cui un atomo di fosforo sostituisca uno su alcuni milioni di atomi di silicio. Gli elettroni in eccesso apportati dagli atomi di fosforo, non partecipando al legame covalente, rimangono liberi di muoversi. Il cristallo così alterato può allora condurre elettricità senza dover dipendere dagli elettroni strappati ai legami covalenti del silicio. Il processo consistente nell’aggiungere minime quantità di fosforo, o di altri elementi con un elettrone di valenza in più, viene chiamato «drogaggio negativo» del cristallo, e il lieve eccesso di elettroni fornisce un semiconduttore « di tipo n» (per « portatore di carica negativa »).
Una situazione simile può verificarsi qualora si sostituiscano atomi di silicio con atomi di alluminio, o con altri elementi che abbiano nel loro guscio esterno un elettrone (di valenza) in meno. In questo caso, invece di aversi un lieve eccesso di elettroni, di carica negativa, si avrà un certo numero di elettroni mancanti - lacune - di carica positiva (« drogaggio positivo »). Un semiconduttore alterato in questo modo è detto « di tipo p»(per « portatore di carica positiva »).
La microelettronica è al cuore di ogni dispositivo elettronico: Tv e radio, accensione elettronica per autovetture e sistemi di sicurezza domestici, lavastoviglie e calcolatrici tascabili. Tutte queste cose utili si fondano su dispositivi a semiconduttori. Nel gergo tecnico, un « dispositivo » è una qualsiasi combinazione di due o più semiconduttori di tipo n e di tipo p che faccia qualche cosa di utile. Il più semplice fra i dispositivi a semiconduttori è un diodo « a stato solido » formato da due strati di semiconduttori, uno di tipo n e uno di tipo p. Una volta costruito tale dispositivo, elettroni e lacune si diffondono al di là del confine fra i due cristalli semiconduttori. Se un elettrone libero incontra una lacuna, cade in essa e ridiventa un elettrone ordinario che forma un legame covalente. Nel corso di questo processo tanto la lacuna quanto l’elettrone libero « scompaiono », nel senso che non sono più disponibili per spostare la carica elettrica. Per un certo spazio ai due lati del confine gli atomi delle impurità (nel nostro esempio alluminio e fosforo) rimangono senza gli elettroni originari o senza lacune per controbilanciarne la carica. Ne consegue che a ciascuno dei due lati del confine si forma uno strato di ioni carichi: ioni positivi sul lato n e ioni negativi sul lato p.
Questo doppio strato di carica è bloccato nella struttura atomica del semiconduttore; una volta che esso si sia formato, le cariche rimangono per sempre dove si trovano. Attratti verso lo strato positivo e respinti da quello negativo, gli elettroni liberi nel materiale vengono così accelerati attraverso la giunzione. Lo strato di cariche stabilisce una « giusta » direzione di movimento attraverso la giunzione, essendo facile per gli elettroni passare da n a p, ma difficile muoversi in senso opposto. Per quanto banale possa sembrare il funzionamento della giunzione, la maggior parte della moderna industria della microelettronica è fondata proprio su questo microscopico strato di carica.
Molti diodi sono usati come « raddrizzatori »: essi convertono cioè la corrente alternata, come quella che viene erogata alle abitazioni, in una corrente che scorre in una sola
direzione (corrente continua). Quando la corrente alternata scorre nella direzione « giusta », la giunzione permette il passaggio agli elettroni. Quando la corrente si inverte gli elettroni non possono aprirsi la via attraverso lo strato di carica, cosicché la corrente che esce dal raddrizzatore scorre solo in una direzione e non è più alternata. Se guardi all’interno del tuo computer o del tuo televisore, è probabile che la prima cosa che incontra la corrente alternata che arriva dalla presa sia una versione più complessa di questo tipo di diodo. La sua funzione è quella di convertire la corrente alternata proveniente dalla centrale in corrente continua, il tipo di corrente necessaria per alimentare il dispositivo elettronico che controlla.
Forse il dispositivo a semiconduttori più importante che sia mai stato inventato è il transistor (o transistore). I transistor più semplici sono sandwich formati da tre zone di semiconduttore - o pnp o npn - con fili collegati a tutt’e tre i segmenti. A ogni confine nel sandwich si forma un doppio strato di carica, esattamente come nel diodo. I transistor svolgono la funzione di amplificatori, rivelatori o interruttori veloci e affidabili. La loro utilità consiste nel fatto che si richiede solo una piccola tensione esterna per superare gli effetti dello strato di carica, permettendo così agli elettroni di scorrere attraverso il confine nella direzione « sbagliata ». Se si interrompe la tensione applicata, lo strato di carica arresta il flusso. Per mezzo di una piccola tensione si può quindi usare il transistor come un interruttore, interrompendo o lasciando passare ad arbitrio una grande corrente; il transistor può inoltre operare come un amplificatore, trasformando una piccola corrente (per esempio quella proveniente dalla puntina del giradischi) in una grande corrente (come quella che mette in funzione le casse acustiche). Ci sono centinaia di usi per il transistor, uno dei più versatili dispositivi elettronici che siano mai stati escogitati.
I microchip, il cuore della moderna rivoluzione della microelettonica, sono costituiti da una grande collezione di dispositivi, come diodi e transistor, collegati fra loro su una singola piastrina (« chip ») di silicio. Molte tecniche avanzate consentono di accumulare su un microchip gli strati necessari di zone di tipo n e di tipo p. Un procedimento comune è quello di esporre il chip a un vapore contenente il miscuglio a base di silicio che si desidera e di permettere ai materiali presenti nel vapore di condensarsi sulla superficie. I cosiddetti circuiti integrati costruiti in questo modo contengono una giustapposizione complessa di numerose regioni n e p, equivalenti a molti transistor. Ogni circuito integrato è un modulo progettato per assolvere una funzione specifica, come una regolazione della tensione, funzioni logiche matematiche o la misurazione del tempo. Un chip grande quanto un francobollo è al cuore della tua calcolatrice tascabile, come pure del tuo home computer.
Al cuore di ogni computer - sia esso il word processor nel tuo ufficio o il super
computer gigante in un laboratorio di ricerca - si trova un microchip contenente una quantità di transistor che funzionano come interruttori: essi sono o« ori » (attivati, inseriti), permettendo alla corrente di scorrere, o« off » (disattivati, disinseriti), arrestando il flusso di corrente. Il computer funziona commutando i transistor dalla posizione « off » alla posizione « on » e viceversa milioni di volte al secondo.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 120
In un normale conduttore gli elettroni in movimento entrano in collisione con atomi, a cui cedono energia. Di conseguenza il conduttore si riscalda; noi diciamo che oppone resistenza al flusso della corrente. La superconduttività - un fenomeno presentato, a temperature molto basse, da un numero ristretto di materiali - è la conduzione di energia elettrica in assenza di resistenza. Nel mondo della fisica la differenza fra bassa resistenza e resistenza zero è una differenza enorme. I superconduttori sono importanti scientificamente perché rappresentano uno stato della materia del tutto diverso dai solidi normali. Ma tale interesse scientifico è amplificato dall’enorme potenziale tecnologico dei superconduttori nel nostro mondo elettronico.
Molti usi commerciali dei superconduttori sono legati alla capacità di trasportare grandi correnti senza riscaldarsi; essi possono quindi essere usati per produrre elettromagneti estremamente potenti. Magneti formati con le tradizionali spire di filo di rame richiederebbero letteralmente tonnellate di metallo e fiumi d’acqua per la refrigerazione per poter fornire prestazioni paragonabili a quelle che forniscono quotidianamente magneti superconduttori di dimensioni modeste. I medici usano questi forti campi magnetici per osservare l’interno del corpo umano in modo innocuo e senza far ricorso a tecniche chirurgiche, in una tecnica chiamata magnetic resonance imaging (MRI, già detta risonanza magnetica nucleare). Apparecchiature simili vengono usate in fabbriche e in aeroporti per esaminare componenti metallici di importanza fondamentale, alla ricerca di crepe e altri difetti. I fisici delle alte energie dipendono da magneti superconduttori per accelerare particelle subatomiche, in modo da studiarne il comportamento.
I cosiddetti treni Maglev (da « magnetic levitation ») - a sostentazione magnetica - sono un esempio straordinario dell’uso di magneti superconduttori. Tali magneti, incorporati nella struttura del treno, inducono in una rotaia metallica delle correnti, le quali sollevano o sostentano il treno al di sopra del suolo. I treni con ruote di metallo convenzionali non possono viaggiare a molto più di 240 km/h, mentre un treno che viaggia su un cuscino magnetico può « volare » alla velocità di aerei a reazione. Gli ingegneri giapponesi hanno già presentato un treno in grado di viaggiare alla velocità di quasi 500 km/h, che potrebbe sostituire i voli aerei con jet fra città relativamente vicine, come New York e Washington.
Fino al 1987 tutti i superconduttori noti lavoravano solo a temperature prossime allo zero assoluto. I superconduttori commerciali erano leghe di metallo niobio. La refrigerazione estrema richiesta veniva fornita dal costoso elio liquido. Il giro d’affari connesso alle apparecchiature con superconduttori in campo medico, militare e nella ricerca scientifica si aggirava attorno a un miliardo di dollari all’anno.
Nel 1987 e 1988 la superconduttività balzò prepotentemente agli onori della cronaca quando gli scienziati scoprirono una nuova classe di materiali che diventavano superconduttori a temperature molto superiori. Nuovi record di temperatura furono stabiliti ripetutamente, passando sino a 125 kelvin (circa -150 °C); si poté così usare l’azoto liquido, che è un refrigerante abbastanza economico (punto di fusione a 63
K = -210 °C).
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 122
Se potessimo ingrandire atomi e molecole di gas cento milioni di volte, essi ci apparirebbero come le palline da ping pong in moto disordinato delle lotterie di stato. Le particelle di gas non aderiscono l’una all’altra, ma rimbalzano ogni volta che urtano le pareti o altre particelle. La pressione del gas che riempie i pneumatici della nostra macchina è prodotta dagli innumerevoli bilioni di questi proiettili in movimento a grande velocità, che si urtano fra loro e vanno a collidere contro la parete interna del recipiente che li contiene.
Quando solidi o liquidi densi vengono convertiti bruscamente in gas caldissimo in espansione, si ha l’energia di esplosioni chimiche. Pallottole di pistole o fucili, proiettili di artiglieria e razzi devono la loro grande accelerazione a questa forza, la quale non è altro che l’effetto cumulativo di singole collisioni atomiche.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 128
A temperature estremamente elevate, come quelle vigenti nel Sole, il gas assume un carattere diverso. In questo stato della materia, detto plasma, che assomiglia sotto certi aspetti a quello gassoso, gli atomi sono privati dei loro elettroni. A basse temperature possono essere separati da ogni atomo solo pochi elettroni, mentre a temperature molto elevate - solitamente al di sopra di 100.000 gradi - tutti gli elettroni sono strappati dalle molecole di gas, fornendo un plasma completo. I plasmi presentano proprietà insolite, che non si trovano in gas tipici. Per esempio, i plasmi conducono elettricità e possono essere confinati in campi magnetici detti bottiglie magnetiche.
Anche se non abbiamo mai avuto esperienza diretta di un plasma, i plasmi sono lo stato della materia di gran lunga più comune nell’universo. Ogni stella, compreso il nostro Sole, è composta primariamente da un denso plasma, ricco di idrogeno e di elio, mentre un gas tenue simile a plasma si trova nell’atmosfera esterna di vari pianeti, fra cui la Terra. C’è plasma (anche se si tratta di un plasma in cui solo pochi elettroni sono stati strappati a ogni atomo) persino nelle lampadine fluorescenti.
Come i gas, anche i liquidi non hanno una forma fissa, ma se ne differenziano per il fatto di avere un volume fisso. Al livello atomico i liquidi si comportano un po’ come una tazza piena di biglie. Come le biglie, le molecole del liquido scivolano l’una sull’altra, spostandosi facilmente per riempire ogni volume libero disponibile. Le singole molecole non si legano però strettamente fra loro, cosicché l’intera massa è libera di cambiare forma (o di spandersi sul pavimento).
I solidi sono materiali dalla forma più o meno fissa. Gli atomi dei corpi solidi si legano assieme con forza sufficiente per conservare stabilmente la loro posizione. Cristalli, vetri e materie plastiche, tre delle varietà più importanti di solidi, differiscono fra loro primariamente nella regolarità delle loro strutture atomiche.
Metalli, gemme, ossa e chip di computer sono cristalli. Essi contengono configurazioni tridimensionali di atomi ripetute di continuo come in una sorta di gioco di costruzioni. Possiamo immaginarci un cristallo come una sorta di pila gigantesca di scatole, aventi tutte le stesse dimensioni e comprendenti tutte esattamente gli stessi contenuti atomici.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 129
Il diamante e la grafite
Il diamante è il materiale più duro e più resistente che si conosca. In un cristallo di diamante forti legami covalenti legano ogni atomo di carbonio a quattro atomi vicini. L’intera configurazione tridimensionale del carbonio forma una struttura tridimensionale rigida.
I legami carbonio-carbonio dominano anche la struttura della grafite, nella quale però ogni atomo è strettamente legato a soli tre atomi appartenenti a uno stesso strato. Gli strati di grafite sono legati fra loro da forze di van der Waals così deboli che la grafite è un buon lubrificante e uno dei materiali più teneri che si conoscano. Ogni volta che usiamo una matita, strati di grafite nera si staccano dalla mina e si trasferiscono sulla carta perché la piccola forza che esercitiamo sulla matita è sufficiente a spezzare il legame di van der Waals. La grafite illustra l’adagio comune che una catena è forte solo quanto il suo anello più debole. Nel causare le proprietà meccaniche di una sostanza è determinante la distribuzione di legami forti e deboli, più che il tipo di atomo.
I legami carbonio-carbonio formano le fibre più resistenti che si conoscano. Lunghe catene di atomi di carbonio sono gli elementi strutturali essenziali di ragnatele, fibre di nailon, legno e una quantità di materie plastiche di sintesi. Questi polimeri, o sostanze formate da più molecole uguali ripetute, possono formare anche i migliori nastri elastici quando le catene carbonio-carbonio assumono una forma piegata o a zigzag, distendendosi solo quando sono sottoposte a tensione.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 136
Prendi un martello e colpisci un pezzo di porcellana fine con tutta la tua forza. La porcellana si frantuma in mille pezzi, ognuno dei quali conserva la forma di un frammento dell’oggetto originario. Fa’ la stessa cosa con un pezzo di piombo. Il piombo non si rompe, ma assorbe il colpo modificando la sua forma. Queste differenze riflettono la flessibilità del legame atomico.
La porcellana ha legami ionici, con alternanza di ioni positivi e negativi che causano legami inflessibili in direzioni fissate. Le forze di attrazione si allineano esattamente lungo coppie di atomi. I cristalli ionici sono come modelli costruiti con palle e aste rigide. Una volta che un’asta si stacca, i risultati sono spesso catastrofici. Se un’asta viene piegata troppo, si spezza ed è difficile riformarla.
I legami nei metalli, con i loro elettroni liberi di spostarsi nel mare di carica negativa, sono molto meno direzionali. Gli atomi dei metalli assomigliano a biglie in una tazza di melassa. Ogni biglia prende posto con precisione nella struttura generale, circondata dalle biglie vicine. La melassa, come il mare di elettroni, tiene tutte le cose appiccicate assieme. Se però incliniamo la tazza, le biglie scivolano lentamente l’una rispetto all’altra, adottando una nuova disposizione. Viene sì conservata la disposizione compatta delle biglie, ma le singole biglie si spostano. Lo stesso vale quando un metallo viene martellato o piegato. Strati di atomi scivolano l’uno rispetto all’altro dando una nuova forma all’oggetto di metallo, ma il legame viene conservato.
Le palle di gomma adottano una strategia diversa in risposta a un colpo. I singoli legami covalenti carbonio-carbonio nella gomma sono forti, ma ammettono una grande libertà di spostamento direzionale. L’applicazione di una grande forza, con una racchetta o con un piede, deforrna la palla, comprimendo momentaneamente gli atomi in uno spazio ristretto. Questo processo è analogo a quanto accade nel caso di una molla a elica: comprimendo la molla si compie lavoro, aggiungendo al sistema dell’energia, la quale viene accumulata nella molla sotto forma di energia potenziale elastica della molla stessa. Ma i legami, pur piegandosi, non si spezzano. Quando si raddrizzano, l’energia accumulata si riconverte in energia cinetica; la palla riprende di scatto la sua forma e riparte veloce.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 137
I materiali composti sono una delle caratteristiche più peculiari della moderna scienza dei materiali. I materiali composti hanno il pregio di rimediare alle insufficienze di una sostanza combinandola con altre. I parabrezza infrangibili delle automobili, i circuiti integrati e il cemento armato sono altrettanti esempi della nuova tecnologia.
Il legno compensato è un classico materiale composto. Esso è formato da sottili fogli di legno (piallacci) incollati e pressati assieme, con le fibre disposte in direzioni incrociate da uno strato all’altro. Il materiale risultante non ha più una direzione debole dovuta alla direzione delle fibre, cosicché il legno compensato è più resistente delle assi tradizionali dello stesso spessore. Inoltre può essere prodotto in grandi fogli anche da alberi relativamente piccoli, grazie a una macchina, la sfoglíatrice, che stacca dall’albero, fatto ruotare, un foglio continuo, nello stesso modo in cui si svolge un asciugamano di carta da un rotolo.
Materiali fibrosi composti, in cui strati flessibili sono inclusi in resine epossidiche, possono abbinare un piccolo peso a una resistenza insolita. La lana di vetro, fatta di fili di vetro fini come capelli, tessuti insieme e impregnati di un adesivo di resina, è ancora il più diffuso fra questi materiali. Gli ingegneri usano sempre più materiali composti di fibra di carbonio nella progettazione di aerei; gli stessi materiali forniscono una maggiore energia a racchette da tennis e a mazze da golf.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 138
Tutti i campi magnetici sono generati da cariche elettriche in movimento, anche se, quando si guarda una calamita, non è chiaro che qualcosa si stia muovendo. Per capire le proprietà magnetiche delle calamite, come qualsiasi altra proprietà materiale, è opportuno considerare fenomeni alla scala atomica.
Nella materia comune, ogni elettrone orbita attorno al suo nucleo atomico. Se si potesse stare fermi in un punto lungo l’orbita e contare, si vedrebbe un elettrone passare molto spesso. Il singolo elettrone in movimento, quindi, è una minuscola corrente elettrica. Gli elettroni orbitanti, come ogni altra corrente elettrica, creano campi magnetici, e il loro effetto netto è quello di fornire un campo magnetico anche all’atomo. Potremmo perciò immaginare di sostituire ogni atomo in un materiale con una minuscola calamita a sbarra, col suo polo nord e il suo polo sud. Nella grande maggioranza dei materiali questi magneti atomici sono orientati in direzioni casuali, e i campi magnetici a essi associati si cancellano fra loro, cosicché non possono esercitare una forza magnetica.
In alcuni materiali - specialmente in alcuni composti di ferro, nichel e cobalto - gli orientamenti degli atomi e dei loro elettroni orbitanti non sono del tutto casuali. In questi materiali i magneti atomici sono allineati. Tale allineamento si verifica in blocchi di varie migliaia di atomi per ogni lato, detti « domini ». All’interno di ogni dominio, ciascun minuscolo campo magnetico atomico rinforza il tutto. In un magnete permanente i domini vicini tendono ad allinearsi e anche a rinforzarsi reciprocamente, e il materiale nel suo complesso è capace di esercitare un grande campo magnetico. Se però il materiale viene riscaldato, l’allineamento dei domini può esserne sconvolto, e il magnete torna a essere un comune pezzo di ferro, anche se all’interno di ogni dominio si conserva un allineamento uniforme.
L’origine del magnetismo del ferro alla scala atomica spiega perché ogni magnete permanente abbia un polo nord e un polo sud e perché non possano esistere poli magnetici isolati. Se si rompe in due una calamita, si ottengono sempre pezzi più piccoli dotati ciascuno di un polo nord e di un polo sud.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 139
Nelle fasi finali della combustione nucleare, si comincia a produrre ferro. Il ferro è l’ultima cenere dei fuochi nucleari. E impossibile ricavare altra energia dal ferro facendolo fondere con altri nuclei, e altrettanto impossibile è ottenerne energia per fissione. Quando la sua regione centrale è intasata dal ferro, la stella non dispone più di alcun modo per produrre nuova energia. Essa riprende il collasso, ma questa volta la forza esercitata dagli elettroni non è sufficiente a contrastare la gravità. Nel nucleo della stella gli elettroni sono costretti a fondersi con i protoni dando origine a neutroni, e il nucleo si contrae rapidamente in una sfera di neutroni - una stella di neutroni - del diametro di circa 15 km. La forza di gravità e la pressione che i neutroni esercitano l’uno contro l’altro si controbilanciano e, purché la gravità non sia eccessivamente forte, il nucleo si stabilizza.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 178
Quando si verifica il collasso del nucleo, alle parti esterne della stella viene, per così dire, a mancare il terreno sotto i piedi. Esse cominciano allora a cadere rapidamente verso l’interno, fino a incontrare il nucleo di neutroni che rimbalzano e un flusso di neutrini creati nelle reazioni nucleari. Questo incontro produce una reazione violenta nel corso della quale la stella letteralmente si lacera. Per una mezz’ora circa, la carcassa stellare è attraversata da onde d’urto le quali creano temperature in cui vengono sintetizzati freneticamente tutti gli elementi chimici sino all’uranio e al plutonio, che poi vengono espulsi nello spazio. Per alcuni giorni la stella può emettere più energia dell’intera galassia di cui fa parte. Questo evento è noto come un’esplosione di supernova: la catastrofe stellare più spettacolare che si conosca. Quando in una supernova si è dissolto il polverone, il prodotto finale potrebbe essere una stella di neutroni o un buco nero: non sappiamo ancora abbastanza per poterlo predire con certezza.
Quando lo spettacolo pirotecnico di un’esplosione di supernova si è esaurito, tutto ciò che rimane della grande stella originaria è un nucleo formato da neutroni: una sfera di neutroni solidi del diametro di circa 10 km. La stella di neutroni ha di solito una rotazione molto veloce - compiendo normalmente da trenta a cinquanta rotazioni sul suo asse al secondo - poiché il collasso accelera la rotazione inizialmente lenta della stella (si ricordi l’esempio della pattinatrice sul ghiaccio). Anche il campo magnetico originario della stella è stato concentrato dal collasso, e sulla stella di neutroni esiste ora un campo molti bilioni di volte più intenso che alla superficie della Terra.
Gli elettroni che scendono spiraleggiando verso i poli magnetici nord e sud della stella rotante emettono energia, per la massima parte sotto forma di onde radio. Questa radiazione viene irradiata nello spazio sotto forma di un fascio ristretto concentrato al polo della stella. Possiamo immaginarcela come qualcosa di simile al fascio di luce emesso da un faro. Quando il fascio passa nella nostra direzione riceviamo un impulso di onde radio, cui succede il buio e poi, dopo una brevissima frazione di secondo, un altro impulso. Quando questi segnali pulsanti furono captati per la prima volta, furono chiamati «omini verdi», perché sembravano segnali in codice e si pensava alla possibilità che fossero stati trasmessi da qualche popolazione intelligente. Oggi sappiamo che tali segnali sono emessi (la stelle di neutroni rotanti, che gli astronomi chiamano pulsar. In cielo ci sono circa 500 pulsar note e probabilmente molte altre attendono di essere scoperte.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 179
Le stelle non sono disseminate a caso nell’universo, ma sono raccolte in grandi aggregazioni dette galassie. Il nostro Sole, per esempio, fa parte di un gruppo di circa 100 miliardi di stelle chiamato la galassia della Via Lattea, o semplicemente la Galassia. Come tre quarti di tutte le galassie, il nostro sistema stellare, che ha un diametro di circa 120.000 anni luce, è un disco rotante appiattito con bracci spirali splendenti. In una notte serena possiamo vedere a occhio nudo circa 2500 stelle, tutte appartenenti alla galassia della Via Lattea. Sono visibili anche alcune chiazze di luce sfocata un tempo chiamate tutte indiscriminatamente nebulose. Di aspetto apparentemente assai modesto nel grande spettacolo celeste, esse sono per lo più altre galassie, con miliardi di stelle, pianeti e forse forme di vita simile alla nostra. (Alcune nebulose sono però in realtà grandi masse di gas estremamente rarefatto, i cui atomi sono eccitati alla luminescenza da stelle vicine.)
La scoperta dell’esistenza di altri « universi isole » oltre alla nostra galassia fu compiuta nel 1923 dall’astronomo americano Edwin Hubble usando il nuovo telescopio di 2,54 metri di Monte Wilson, nei pressi di Los Angeles. Fino alla costruzione di questo telescopio, gli astronomi, come chi si sforzi invano di leggere caratteri molto piccoli senza occhiali, avevano tentato senza molto successo di comprendere la vera natura delle « nebulose ». L’avvento del telescopio di Monte Wilson modificò la situazione. Hubble poté individuare nelle « nebulose » tipi di stelle di cui gli astronomi si servivano per stabilire distanze all’interno della Galassia. Usando misurazioni di queste stelle, egli mostrò che la nebulosa di Andromeda (oggi galassia di Andromeda) si trova a circa 2 milioni di anni-luce, molto oltre i confini della nostra galassia. Grazie alle sue ricerche, oggi sappiamo che la nostra galassia è solo una dei miliardi di galassie, ognuna formata da miliardi di stelle, che popolano l’universo.
La maggior parte delle galassie, come quella della Via Lattea, sono luoghi relativamente tranquilli e accoglienti dove il lento processo del ciclo di vita delle stelle si svolge senza scosse. Un piccolo numero di galassie sembrano però contenere una sorta di violenza che è sconosciuta nel nostro tranquillo vicinato. Esplosioni catastrofiche lacerano la regione centrale di varie galassie, espellendo immensi getti di materiali a centinaia di migliaia di anni-luce di distanza. Queste galassie attive emettono di solito grandi quantità di energia sotto forma di onde radio, e perciò sono oggetti molto luminosi nel cielo delle onde radio.
Le più interessanti fra le galassie attive sono i quasar (il nome proviene dalla contrazione di quasi-stellar radio source, «sorgenti radio quasi stellari »). Un quasar può facilmente emettere in un secondo più energia di quanta non ne emetta il Sole in tutta la sua vita. Le migliaia di quasar noti in cielo si trovano di solito a distanze grandissime dalla Terra: di fatto gli oggetti più lontani che si conoscano sono proprio quasar. Secondo una teoria corrente i quasar sarebbero uno stadio primitivo, violento, nell’evoluzione delle galassie. Secondo tale teoria la luce proveniente dai quasar avrebbe viaggiato per raggiungerci per miliardi di anni, in alcuni casi dagli inizi stessi dell’universo. La Galassia potrebbe essere stata un tempo un quasar e potrebbe apparire oggi come tale ad astronomi che si trovassero all’altro capo dell’universo.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 184
Immaginiamo un impasto di pane con uvetta che sta lievitando. Ogni acino rappresenta una galassia e la pasta di pane rappresenta lo spazio che separa le galassie. Se ci trovassimo sii un acino, vedremmo gli acini vicini allontanarsi da noi perché la pasta fra noi e gli altri acini si sta espandendo. Un acino a una distanza doppia da noi si allontanerà con velocità doppia perché tra noi ed esso c’è il doppio di pasta. Quanto più lontano è l’acino, tanto maggiore sarà la sua velocità di recessione. Questo è esattamente il tipo di comportamento che Hubble osservò per le galassie.
L’analogia col pane all’uvetta illustra vari punti importanti sull’espansione di Hubble. Innanzitutto, il fatto che la Terra sembri essere al centro dell’espansione universale non ha alcun particolare significato. Nel pane all’uvetta vediamo la stessa cosa: qualunque acino scegliamo come rappresentativo della nostra posizione, avremo sempre l’impressione di essere immobili e vedremo sempre tutti gli altri acini allontanarsi da noi. Così, ognuno vede se stesso al centro dell’espansione universale, e il fatto che noi vediamo ogni cosa allontanarsi dalla Terra non rende per nulla speciale il nostro pianeta.
In secondo luogo, il movimento degli acini non assomiglia affatto all’esplosione di una granata. Gli acini non si muovono attraverso la pasta, ma sono trasportati dall’espansione universale. Nello stesso modo, le galassie non si allontanano fra loro nello spazio, ma sono trasportate dall’espansione dello spazio stesso.
In terzo luogo, gli acini non si espandono, ma si espande solo lo spazio interposto. Similmente, il sistema solare e la Galassia non presentano alcuna espansione, anche se le galassie lontane si allontanano da noi.
Infine, se ci si chiede dove abbia avuto inizio l’espansione nell’impasto, si può rispondere solo « dappertutto », poiché quando l’espansione ebbe inizio ogni pezzettino dell’attuale pane all’uvetta si trovava « al centro ». Nelle parole del filosofo del Quattrocento Nicola Cusano: « L’universo ha il suo centro dappertutto e il suo confine in nessun luogo ».
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 190
L’espansione di Hubble ha una conseguenza notevole e inevitabile: essa richiede che l’universo abbia avuto un inizio. Se immaginiamo di «proiettare all’indietro» il film dell’espansione attuale, troveremo che da quindici a venti miliardi di anni fa l’universo era un singolo punto geometrico. L’attuale espansione deve avere avuto inizio a quel tempo. L’evento iniziale, come pure il modello generale in cui l’universo cominciò a espandersi da un inizio molto condensato, viene detto il big bang. Esso rappresenta la nostra ipotesi migliore sull’origine e l’evoluzione dell’universo.
L’universo ai suoi inizi era più denso - più compresso - di oggi. Quando materia ed energia sono concentrate in un piccolo volume, la temperatura è inevitabilmente più alta. Di conseguenza, l’universo ai suoi primordi era molto più caldo di quanto non sia oggi. Se risaliamo all’indietro nel tempo, possiamo riconoscere sei eventi cruciali - che vorremmo chiamare « congelamenti » - in occasione dei quali la struttura dell’universo cambiò in modo fondamentale, un po’ come cambia l’acqua quando si trasforma in ghiaccio. La comprensione di questi congelamenti è il compito principale della cosmologia moderna.
Il congelamento più recente si verificò quando l’universo aveva un’età di circa 500.000 anni (ossia circa 14.999.500.000 anni fa, nell’ipotesi che esso abbia 15 miliardi di anni). Dopo i primi 500.000 anni, elettroni e nuclei si associarono in modo permanente a formare atomi, mentre prima di quel tempo se un elettrone veniva a trovarsi in orbita attorno a un atomo ne veniva allontanato da una collisione con un’altra particella in rapido movimento. Prima del traguardo dei 500.000 anni dopo il big bang, la materia esisteva sotto forma di elettroni e nuclei separati: lo stato della materia che chiamiamo plasma.
Muovendo a ritroso nel tempo, il congelamento precedente fu quello occorso circa tre minuti dopo il big bang, quando si formarono i nuclei. Prima di quest’epoca nell’universo c’erano solo particelle elementari, e se un protone e un neutrone si fossero uniti a formare un nucleo sarebbero stati separati violentemente dalle successive collisioni fra particelle. Dopo i primi tre minuti i nuclei poterono restare stabili (anche se, per ragioni di cui ci occuperemo fra poco, nel big bang si formarono solo i nuclei fino all’elio e al litio: tutti gli altri elementi furono prodotti in seguito nelle stelle).
Procedendo ancora a ritroso, da tre minuti a circa dieci milionesimi di secondo, I’rmiverso era una massa formicolante di particelle elementari: protoni, neutroni, elettroni e tutto il resto dello zoo delle particelle. A dieci milionesimi di secondo l’universo si era raffreddato abbastanza da permettere ai quark di unirsi assieme a formare le particelle elementari. Prima di questo tempo c’erano solo leptoni e quark, e dopo di esso ci furono i leptoni e l’intero mare di particelle elementari che sono contenute nel nucleo.
Da quando l’universo raggiunse l’età di dieci milionesimi di secondo in poi, i grandi congelamenti implicarono mutamenti nello stato fondamentale della materia. Prima di quel tempo ci furono altri tre congelamenti, ognuno dei quali implicò forze anziché materia. Quando i quark « si congelarono » a formare le particelle elementari, le forze che agivano nell’universo erano molto simili a come possiamo osservarle oggi. C’erano quattro forze distinte: forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale. Ma prima di allora nella storia dell’universo, quando la temperatura era più calda, alcune di queste forze, o forse tutte, dovevano essere unificate. Una a una, esse si fondono assieme mentre procediamo a ritroso nel tempo finché, al primissimo inizio, c’era una sola forza che abbracciava tutto.
La tavola cronologica per l’unificazione delle forze, secondo le nostre teorizzazioni attuali è la seguente:
1/10.000.000.000 di secondo: le forze debole ed elettromagnetica si unificano in una forza detta elettrodebole. Le temperature dell’universo a quest’epoca possono essere riprodotte sulla Terra nei grandi acceleratori. Noi possiamo avere quindi una certa fiducia nella nostra comprensione dell’universo da un decimiliardesimo di secondo a oggi, poiché possiamo verificare in laboratorio le nostre teorie su ciò che accadde.
1/1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (o 10 alla -33) di secondo: la forza forte si unifica con la forza elettrodebole, lasciando isolata solo la gravità. Durante questo congelarnento accaddero altri due eventi importanti: l’intero universo si espanse rapidamente da qualcosa di più piccolo di una particella elementare a qualcosa di grande come un pompelmo (un processo noto come « inflazione ») e l’antimateria cominciò a sparire, annullandosi con la materia per produrre radiazione. Le Grandi Teorie Unificate che descrivono questo congelamento fanno predizioni su esperimenti di laboratorio e possono perciò essere verificate. I risultati di questi test non sono stati finora conclusivi.
1/10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (ossia 10-43) di secondo: noto come il tempo di Planck (da Max Planck, uno dei fondatori della meccanica quantistica), questo tempo segna l’unificazione suprema. Dal big bang fino a questo istante, tutte le quattro forze dell’universo erano unificate, e le cose furono così belle e semplici ed eleganti come più non si sarebbe potuto. Le particelle della materia nella sua forma più fondamentale interagivano fra loro attraverso il mezzo di una singola forza unificata. Da allora tutto è andato declinando.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 194
Come le stelle sono raccolte in galassie, le galassie stesse sono raccolte in strutture note come gruppi, ammassi e superammassi. La galassia della Via Lattea e la galassia di Andromeda, per esempio, formano le ancore gravitazionali di quello che gli astronomi chiamano il Gruppo Locale, che è composto, oltre che da queste due, da una ventina di galassie minori. Il Gruppo Locale, a sua volta, si trova alla periferia del Superammasso Locale, che è formato da circa 100.000 galassie.
Quasi tutta la massa nota dell’universo è raccolta in superammassi, che possono essere raffigurati come gruppi e ammassi uniti fra loro come le perle di una collana. Fra i superammassi si trovano regioni note come « vuoti »: volumi quasi privi di stelle, simili a deserti. Questi vuoti, che possono avere un diametro di milioni di anni-luce, rimasero totalmente sconosciuti sino all’inizio degli anni ottanta, quando tecniche moderne di analisi dei dati permisero agli astronomi di evidenziare le aree vuote nonostante che la luce di galassie poste dietro di esse splendesse attraverso queste regioni raggiungendo la Terra.
Il modo migliore per visualizzare il nostro quadro attuale dell’universo è quello di immaginare di tagliare delle sezioni in una schiuma di sapone. Si vedrebbero allora una serie di bolle vuote circondate ciascuna da una sottile lamina di acqua saponata. Se sostituiamo la lamina con superammassi e le bolle con i vuoti, abbiamo un’immagine dell’universo.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 196
Fino alla formazione degli atomi, la materia nell’universo interagiva prontamente per mezzo della radiazione. Se la materia avesse cominciato a raccogliersi insieme in galassie prima del traguardo dei 500.000 anni, le forze esercitate dalla radiazione avrebbero dissolto tali concentrazioni. Una volta formatisi gli atomi, la luce poté muoversi facilmente attraverso la materia e l’universo divenne trasparente. Solo allora può essere cominciata la concentrazione di materia a costituire galassie. Subito dopo, però, l’espansione di Hubble avrebbe determinato una rarefazione tale della materia da rendere impossibile ogni formazione. Questo è il problema centrale della formazione delle galassie, problema reso oggi ancora più complicato dal fatto che ogni teoria che fornisca un modo per aggirare questa difficoltà deve spiegare anche perché le galassie stesse tendano a formare superammassi, separati fra loro da immensi vuoti intergalattici.
L’ipotesi migliore formulata dai cosmologi è che l’invisibile « materia oscura » possa costituire una forma abbondante, anche se non ancora scoperta, di massa nell’universo. Questo materiale ipotetico non diffonde la radiazione, e perciò potrebbe essersi aggregato molto tempo prima della materia ordinaria. Si pensa che la materia oscura fosse già riunita nei superammassi quando si formarono gli atomi, e che in seguito abbia attratto la materia ordinaria in strutture preesistenti.
Osservando il movimento di concentrazioni di atomi di idrogeno lontano dai bracci spirali di galassie, gli astronomi hanno concluso che nelle galassie c’è molta più materia di quella che risplende. Alcuni ricercatori credono che questa materia oscura costituisca almeno i190 per cento della massa totale nell’universo. La scoperta dell’ubicazione della materia oscura e della sua quantità è oggi una frontiera dell’astronomia di osservazione.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 197
La prima cellula vivente non era minacciata da predatori e viveva in un oceano ricco di molecole nutrienti. Essa non doveva subire alcuna competizione da parte di altre forme di vita. Occorsero forse centinaia di milioni di anni per creare la prima cellula ma in capo a un periodo piuttosto breve, forse solo di pochi anni, i discendenti di quella cellula devono aver riempito gli oceani mondiali, consumando gran parte delle materie prime organiche e riducendo grandemente la probabilità che potesse avere origine spontaneamente un qualsiasi altro tipo di cellula. Si può dire sostanzialmente che la prima cellula, una volta apparsa, impedì l’apparizione di altre possibilità di vita.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 307
Le prime piante e i primi animali pluricellulari sono attestati in rocce dell’età di un miliardo di anni circa.
La vita sulla Terra mutò in modo vistoso circa 570 milioni di anni fa, all’inizio del Paleozoico (da 570 a 245 milioni di anni fa), quando taluni animali svilupparono la capacità di produrre gusci duri. La documentazione fossile attesta un notevole aumento nella varietà della vita marina nello spazio di qualche milione di anni. Coralli e altri animali coloniali costruirono vasti sistemi di barriere in prossimità dei continenti. Nei sedimenti marini, a partire da mezzo miliardo di anni fa, abbondano anche organismi segmentati simili alle aragoste, precursori dei moderni gasteropodi, stelle di mare, ricci di mare e una grande varietà di conchiglie di bivalvi.
I primi pesci con mascelle, le prime piante terrestri e i primi insetti ebbero origine forse 400 milioni di anni fa, mentre attorno a 360 milioni di anni fa si verificò il primo trasferimento di vertebrati dal mare alla terraferma. Attorno al limite di 300 milioni di anni fa si svilupparono grandi foreste di cicadine e di felci, assieme ai primi insetti alati, e poco dopo cominciarono a vagare sulle terre emerse grandi rettili.
Dinosauri e altri rettili dominarono la terra, il mare e l’aria per la maggior parte di un quarto di miliardo di anni durante il Mesozoico (da 245 a 65 milioni di anni fa).
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 315
La vita sulla Terra ha sofferto numerose estinzioni in massa, la più famosa delle quali è quella che ha spazzato via i dinosauri circa 65 milioni di anni fa. Anche se noi tutti abbiamo familiarità con i dinosauri, due fatti concernenti questa estinzione sono meno noti di quanto dovrebbero essere. Essi sono 1) il fatto che, mentre si estinsero i dinosauri, furono spazzate via, in quella che i paleontologi chiamano un’estinzione in massa, due terzi di tutte le altre specie esistenti sulla Terra; e 2) il fatto che questa non fu né la più grande né la più recente estinzione in massa nella documentazione fossile. Nella parte finale del Paleozoico, circa 245 milioni di anni fa, si estinsero il 90 per cento delle specie allora esistenti, mentre un altro evento, accaduto solo Il milioni di anni fa, determinò la scomparsa del 30 per cento circa delle specie.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 318
Mentre alcuni scienziati discutono sul problema se le estinzioni di massa siano causate dall’impatto con asteroidi, altri hanno notato che le molte estinzioni di massa nella documentazione fossile possono suggerire una ripetizione a intervalli regolari. C’è chi ha suggerito un intervallo di 26 milioni di anni, anche se non ci sono buone spiegazioni circa la causa che potrebbe determinare estinzioni con tale periodicità.
Le ricerche in quest’area si concentrano su due interrogativi:
1) le estinzioni sono davvero periodiche, o noi siamo erroneamente indotti a crederlo da qualche sottile effetto statistico?
e
2) quale meccanismo fisico potrebbe causare collisioni periodiche della Terra con corpi celesti?
Fra le teorie che si sforzano di trovare una risposta al secondo interrogativo c’è l’ipotesi di una stella compagna del Sole, non ancora scoperta, che incontrerebbe ogni 26 milioni di anni la nube di detriti di Oort, determinando la caduta di una tempesta di comete verso la parte interna del sistema planetario, e quella di un’oscillazione nel moto del Sole, che lo porterebbe ad attraversare ogni 26 milioni di anni il piano centrale, carico di detriti, della Galassia.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 321
Un altro campo a cui si sta dedicando attualmente molta attenzione è lo studio dell’uomo di Neanderthal, uno dei nostri cugini più prossimi sull’albero genealogico. L’uomo di Neanderthal si estinse solo 35.000 anni fa, e la maggior parte delle controversie riguarda quanto fosse simile a noi: per esempio se avesse l’uso della parola. Come nel caso di altre ricerche sull’evoluzione umana, la nostra base di dati è molto piccola, cosicché nuove scoperte determinano di tanto in tanto onde d’urto che si propagano con grande rapidità. Tutto ciò che sappiamo sull’uomo di Neanderthal si fonda sui resti fossilizzati di un centinaio di individui.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 320
Tutta la vita è connessa.Gli esseri viventi crescono in sistemi che elaborano l’energia e riciclano le sostanze nutritive necessarie alla vita di una comunità di organismi: organizzazioni complesse che chiamiamo ecosistemi.
Il lago Vittoria, il più grande bacino d’acqua dolce dell’Africa, fu un tempo la patria di centinaia di specie di pesci. Fra i più importanti per gli esseri umani c’era la tilapia, un pesce considerato una prelibatezza e quindi di importanza vitale per l’economia locale. Gli africani pescavano ed essiccavano tonnellate di questo pesce, che forniva la principale fonte di proteine per milioni di persone che vivevano sulle rive del lago.
Negli anni sessanta di questo secolo perscatori britannici introdussero nel lago una nuova specie - il pesce persico del Nilo (Lates nilotica), un vorace predatore che può raggiungere un peso di un centinaio di chilogrammi - per rendere più interessante la pesca sportiva. Dapprima la popolazione delle tilapie sopravvisse all’attività predatoria del pesce persico ritirandosi in acque più profonde, dove le tecniche di caccia visiva del pesce persico non funzionavano. Il pesce persico consumò però altre specie di pesci che limitavano la crescita delle alghe. Le alghe, non più controllate, crescevano oltre misura, morivano, calavano sul fondo e si decomponevano, distruggendo in tal modo l’ossigeno nel rifugio della tilapia in acque profonde. Divenuta inabitabile la zona del fondo, la popolazione di tilapia, non più protetta, è oggi quasi estinta. La Lates ha eliminato anche i pesci che si cibavano di gasteropodi, cosicché questi ultimi, che trasportano parassiti pericolosi, sono diventati un grave rischio per la salute delle popolazioni.
Le rive del lago Vittoria sono divise quasi equamente fra Kenya, Uganda e Tanzania. Milioni di africani, in centinaia di cittadine e villaggi sulle rive del lago, sono colpiti dal mutare della sua ecologia. I pescatori nativi sono passati dalla pesca della tilapia a quella del pesce persico del Nilo, il quale però, essendo più grosso, non si presta altrettanto bene a essere essiccato al sole. I pescatori devono perciò arrostire la Lates su fuochi di legna. La riva del lago è stata perciò gradualmente spogliata degli alberi, cosa che comporta un’erosione del suolo e altri danni al lago. L’introduzione di una nuova specie ha alterato drasticamente un intero ecosistema: una conseguenza, non intenzionale, del semplice desiderio umano di creare migliori condizioni per la pesca sportiva.
Hazen R., Trefil J., “La scienza per tutti”, Longanesi, pag. 323