Materia, Antimateria, Energia e Materia Oscure
materia e antimateria

Gli aspetti più misteriosi del nostro Universo

Dopo aver affrontato numerosi fenomeni naturali, legati alle scoperte più recenti dell’Astrofisica, tenteremo, con grandissima cautela, di addentrarci nel terreno minato degli aspetti più contradditori della Materia e dell’Energia.

Stiamo parlando di scoperte e teorie che appartengono al recente passato, all’attualità del presente e che saranno l’oggetto di future investigazioni.

Abbiamo visto in un articolo sul “Bosone di Higgs” che l’essenza della materia che ci circonda sembra essere il Vuoto. Abbiamo utilizzato questo termine per visualizzare che lo spazio presente tra un elettrone ed il nucleo di un atomo ha una grandezza enorme, paragonabile a quella che separa un ipotetico spettatore di dimensione infinitesima, posto sull’ultima fila delle gradinate di uno stadio, dal pallone posizionato al centro del campo di calcio.

Sembra a tutti evidente che un aggregato di atomi uniti da legami che prevedano la condivisione di elettroni, come quelli di puro carbonio che formano il cristallo di un diamante, possa dare l’idea di un qualcosa di solido. Tuttavia, se riprendessimo l’immagine del campo di calcio, il nostro luccicante diamante, visto ad altri ingrandimenti potrebbe apparire una sorta di spugna formata da immense aree vuote.

Il Vuoto è diventato, di recente, un particolare oggetto di studio, soprattutto per quanto riguarda la Teoria del Big Bang.

Nel 1927, Georges Lemaitre, fisico e sacerdote cattolico belga, raccogliendo le varie teorie di altri fisici come Friedman, Slipher e Hubble, sviluppò le equazioni del Big Bang in modo indipendente, ipotizzando che le precedenti osservazioni relative all’allontanamento delle Nebulose fosse dovuto all’espansione del Cosmo.

E’ noto l’esempio del piccolo palloncino sul quale sono disegnati dei puntini: gonfiandolo i puntini si allontaneranno gli uni dagli altri, facendoci comprendere che se il palloncino rappresentasse l’Universo, i puntini dimostrerebbero che le galassie, indicate dai puntini stessi, si allontanerebbero tra loro con l’aumentare delle dimensioni del Cosmo.

Questa teoria trovò un notevole accoglimento presso gli studiosi, tuttavia nella descrizione resta implicita una conseguenza che per anni venne presa per buona.

Se si trattasse di un fenomeno simile ad una normale esplosione ci sarebbe da aspettarsi che dopo un periodo immenso di miliardi di anni, come quello che è realmente trascorso, la velocità delle galassie dovrebbe lentamente diminuire, a causa della Forza di Gravità, fino a farle fermare. Dopodiché, se il palloncino decidesse di sgonfiarsi, quelle stesse galassie dovrebbero tornare indietro per far rientro in quello stesso punto dal quale furono lanciate nello Spazio (ipotesi del Big Crunch).

Purtroppo per i sostenitori di questa teoria, (Big Bang e successivo Big Crunch), vennero in parte smentiti da alcune evidenze inoppugnabili.

Se risulta essere attendibile la teoria del Big Bang, non sembra che possa prevedersi una futura contrazione che inverta la rotta, poiché l’Universo si sta espandendo con crescente accelerazione.

Questo inspiegabile fenomeno mise in crisi gli Astrofisici poiché non si comprese, e non si comprende completamente neppure oggi, come sia possibile che dopo 13,8 miliardi di anni possa proseguire l’espansione dell’Universo. In altre parole, sembra quasi che la Forza di Gravità, che dovrebbe far rallentare i corpi celesti e attrarli verso il fatidico punto di partenza, abbia smesso di esercitare il suo potere attrattivo, sostituita da una “controforza” che solleciti maggiormente l’espansione del Cosmo.

Per spiegare questo fenomeno paradossale di continua espansione, i Fisici hanno proposto l’idea di una ipotetica forma di energia, l’Energia Oscura, non direttamente rilevabile, ma diffusa omogeneamente nell’Universo, che potrebbe contrastare la Forza di Gravità tramite una “Pressione negativa”,.

Il termine “Energia Oscura” venne coniato nel 1998 dal cosmologo statunitense Machael Turner.

Si stima che tale Energia Oscura debba rappresentare una gran parte, circa il 68%, della massa-energia dell'Universo, la cui quota che sfuggirebbe agli attuali metodi di rilevazione, salirebbe a circa il 95% comprendendo anche la Materia Oscura.

Un altro concetto, la cui esistenza viene desunta più dagli effetti che dall’osservazione diretta, è quello di “Materia Oscura”.

Se assumessimo che massa totale di materia ed energia presente nell’Universo avesse valore 100, potremmo dire con grande senso di frustrazione, che di questo 100 noi conosciamo il 4.9%. Questo significa che per spiegare le dinamiche dell’Universo occorre introdurre un 95,1% mancante di massa/energia, a noi non note.

Nel cielo sono presenti centinaia di miliardi di galassie, ognuna contenente centinaia di miliardi di stelle. Tuttavia, per spiegare come le stelle e le galassie siano tenute insieme e rispondano alle leggi conosciute, dobbiamo ipotizzare la presenza di una nuova forma di materia, chiamata Materia Oscura, che rappresenta il 26,8% del contenuto totale di materia-energia dell’Universo.

Tutto il resto, il 68,3%, esiste sotto forma di quella misteriosa energia, chiamata Energia Oscura, responsabile, come si è ipotizzato, dell’espansione accelerata dello spazio.  

Energia e Materia oscure vengono introdotte per spiegare i fenomeni osservati che non sarebbero comprensibili senza l’introduzione di tali concetti.

Dovremo fare atto di fiducia e ammettere con grande umiltà che, ad oggi, quello che conosciamo del Cosmo sia veramente la piccola punta di un iceberg che galleggia nel mare della nostra ignoranza.

Prima di concludere questa rappresentazione approssimativa di pensieri immensamente complessi, vorrei tornare per un attimo al concetto di Vuoto e di Big Bang.

Secondo le moderne speculazioni degli Astrofisici l’Universo nacque dal Vuoto.

Una affermazione di questo tipo sembrerebbe scontrarsi con l’idea di concreta immensità degli elementi che formano galassie, stelle e pianeti. In effetti se noi, con la forza dell’immaginazione, ipotizzassimo di concentrare le centinaia di miliardi di galassie, le centinaia di miliardi di stelle in esse contenute, e i miliardi di pianeti presenti nei vari sistemi stellari, in un ipotetico punto, definito Big Bang, penseremmo di trovarci in presenza di una quantità di Energia/massa vicina ad un valore infinito.

Le cose non stanno così.

Energia e massa sono interscambiabili grazie alla Teoria della Relatività: E=mC².  L’Energia è pari alla massa moltiplicata per C (la velocità della luce) al quadrato. Detto questo, secondo l’ipotesi di Edward Tryon, proposta nel 1973, l’Energia positiva dovuta alla somma totale dell’Energia e della Massa, presenti nell’Universo, sarebbe esattamente annullata dall’Energia Negativa Gravitazionale.

In altre parole questo significa che la Forza di Gravità, che assume per convenzione un valore negativo, sommata a quella positiva dell’energia/massa, presente nell’Universo (comprese Massa ed Energia Oscure), ha come somma esattamente zero.

Questo apparente paradosso che sembra scontrarsi con le più ovvie leggi del “buon senso”, ci permette di immaginare il cosiddetto “Vuoto” come qualcosa di assolutamente diverso dal “Nulla”.

Stiamo viaggiando a cavallo tra Fisica e Metafisica, potrebbe obbiettare qualche Lettore, e avrebbe perfettamente ragione…

Il concetto di Vuoto presenta delle caratteristiche molto diverse da quello di Nulla.

Se nel Nulla è presente nulla, nel senso che non può essere contenuto alcunché, nel vuoto noi notiamo la presenza simultanea di “Particelle” e “Antiparticelle”. Nel Vuoto la somma totale di tutte le particelle e delle antiparticelle è zero!

Potremmo immaginare che il Vuoto si comporti come un contenitore virtuale di numeri positivi e negativi, la cui somma algebrica sia Zero.

Come descrive egregiamente il Prof. Guido Tonelli nel suo splendido saggio “Genesi, il grande racconto delle origini”, pubblicato da Feltrinelli: “Il vuoto di cui parliamo non è un concetto filosofico, è un particolare sistema materiale, quello in cui la materia ed energia sono nulle. E’ uno stato di energia nulla, ma è un sistema fisico come tutti gli altri. Che si può investigare, misurare, caratterizzare.”

In questo contenitore, che abbiamo chiamato “Vuoto” sono presenti particelle e antiparticelle, ovvero gli elementi sub atomici che compongono la Materia e Antimateria.

Queste particelle possiedono la stessa massa ma hanno numeri quantici, come la carica elettrica, di segno opposto, e quando collidono si annichilano, emettendo fotoni ad alta energia.

La meccanica quantistica relativistica ci dice che per ogni particella dotata di carica, deve esistere un’altra particella dotata di identica massa ma carica opposta, chiamata antiparticella. Quando Carl Anderson, studiando i raggi cosmici, notò alcune tracce inusuali, comprese che si trattava di particelle che avevano la stessa massa dell’elettrone, ma carica opposta… aveva appena scoperto i Positroni, ovvero l’ Antimateria.

Vi sono specifiche Leggi fisiche che governano le combinazioni di particelle e antiparticelle a formare “antielementi” (antiatomi) e “antimolecole”, simmetriche rispetto a quelle che governano la materia.

Per concludere questa carrellata di concetti apparentemente stravaganti, diremo che un esempio concreto di strumento che emette “antimateria” è la PET, Tomografia ad Emissione di Positroni, si tratta del noto strumento medico che consente la ricostruzione di immagini funzionali di organi a partire dall’annichilazione tra positroni ed elettroni.

Come possiamo vedere le applicazioni di esperimenti, non sempre comprensibili, come quelli della Fisica delle Particelle, nella realtà di tutti i giorni ci forniscono delle applicazioni che neppure i loro scopritori, con molta probabilità, avrebbero potuto prevedere.

 

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Articolo pubblicato il 02/01/2022