Da Leucippo alla Fisica Atomica

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28/02/2014 16:11 - 09/02/2017 15:06 #127 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Da Leucippo alla Fisica Atomica
Da Leucippo alla Fisica Atomica
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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La figura 1 mostra un quadro di René Magritte alla Menil Collection di Houston. Parlando nel linguaggio del Surrealismo , esso si protende oltre la realtà materialmente visibile e suscita la domanda: che cosa c’è “realmente” dietro la finestra? Non è molto diverso per la Scienza. Essa è rivolta a fenomeni che entreranno nel nostro futuro, in larga parte imprevedibili. Questo è vero, in particolare, per quanto riguarda le particelle elementari: che cosa c’è dopo i quarks e il cosiddetto Modello Standard ?

Gli articoli del gruppo Dove porta la concezione atomistica? nel programma globale di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a sviluppare un quadro storico e a ragionare su prospettive.
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Fig. 1. René Magritte, Il telescopio (1963)
The Menil Collection, Houston, Texas
Immagine Wikipaintings
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Fig. 2. Numero e natura delle particelle ritenute come elementari nel corso della Storia
Immagine Proposta Esperimento L3 al CERN (1982)

Dalla Storia al futuro

Historia magistra vitae”, dice Cicerone (De Oratore II, 9). Anche in Fisica comprendere il percorso del passato orienta nel “fare il punto” sul presente per proiettarsi verso il futuro. In questo gruppo di articoli partiamo da lontano e seguiamo il percorso delineato in figura 2, attualizzandolo. Essa è tratta dalla Proposta dell’ Esperimento L3 al CERN, condotto dal Premio Nobel 1976 Samuel Ting .

La figura evidenzia “cicli storici” nell’evoluzione del numero e natura dei supposti costituenti della materia e cioè delle “particelle elementari”. La scoperta di un livello più profondo ne fa crollare il numero. Poi si scoprono altre particelle della stessa natura e iniziano i dubbi sul loro essere veramente elementari. La crescita delle particelle supposte elementari prosegue fino a un nuovo crollo e a un nuovo “credo”. Ad esempio, con la Fisica Atomica si passò inizialmente dalla varietà di elementi chimici a tre costituenti: elettrone, protone e successivamente neutrone. Poi a protone e neutrone si aggiunsero altre particelle di simile natura, nel seguito definite come “adroni”. Il crollo avvenne quando si scoprì che gli adroni sono costituiti di “quarks”.

Ora il numero di quarks appare “chiuso” a sei e così pure il numero di particelle simili all’elettrone, dette “leptoni”. Si vedrà che l’attuale Modello Standard fornisce un quadro teorico globalmente coerente. Per di più, esso esce consacrato dalla scoperta al CERN di una nuova particella con proprietà che appaiono corrispondere all’identikit del bosone di Higgs , da esso previsto.

Questo lieto fine a numero chiuso implica che il ciclo storico non si ripeterà? La domanda che sorge è simile a quella posta dal quadro di Magritte: che cosa c’è dietro la visione apparentemente compiuta che oggi ci offre il Modello Standard?


Leucippo, Democrito e Epicuro

Leucippo (nato nella prima metà del V sec. a.C.) e il suo più noto seguace Democrito (circa 460-370 a.C.) pensavano che la varietà e il divenire di quanto osserviamo in natura proviene dalle tante diverse combinazioni di “costituenti elementari”. Con essi, emerge una delle linee guida del pensiero scientifico: “ridurre” la varietà alla semplicità di costituenti elementari. In senso inverso, questa metodologia vale anche nella vita pratica a cominciare dai giochi: quante costruzioni si riescono a fare con i pochi elementi del Lego! Sono passati oltre 50 anni dalla scoperta della doppia elica del DNA e ora sappiamo che questo vale anche per noi: 7 miliardi di esseri umani viventi, tutti diversi per una diversa sequenza delle stesse quattro basi del DNA.

Apriamo una parentesi. La linea di pensiero riduzionista non è applicabile a tutto. Vi sono sistemi complessi che vanno studiati come tali come discusso in Scienza della complessità . Tipici esempi sono gli stormi di uccelli, i branchi di pesci e … gli insiemi di persone.

Le idee atomistiche di Leucippo e Democrito furono riprese da Epicuro (342-270 a.C.). Egli introdusse il concetto di clinamen, una deviazione spontanea e indeterminata spazialmente e temporalmente del cammino degli atomi, che evita il determinismo di un “andare diritto per la loro strada” e favorisce il loro aggregarsi nei corpi materiali. Un precursore dell’indeterminazione quantistica. E se vi incuriosisce sapere perché Democrito fu chiamato " il filosofo che ride ", vedete per esempio il collegamento indicato.
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Fig. 3. Titus Lucretius Carus: The Epicurean Philosopher
De Natura Rerum, Anthony Stephens, Oxford (1683)
UNCG University Archives, Immagine Blaq Swans


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Fig. 4. Poggio Bracciolini
De varietate fortunae (1431-48)
Manoscritto miniato n. 224 (circa 1470)
Biblioteca Apostolica Vaticana
Immagine Wikipedia

Lucrezio

Lucrezio (circa 97-55 a.C.) tradusse in versi (figura 3) le idee atomistiche:

Corpora sunt porro partim primordia rerum, partim concilio quae constant principiorum. …. Sunt igitur solida primordia simplicitate nec ratione queunt alia servata per aevum ex infinito iam tempore res reparare
(I corpi a loro volta si suddividono in elementi primordiali e in oggetti formati dalla coesione delle particelle elementari. …… sono dunque di solida semplicità primordiale, altrimenti, conservandosi attraverso le epoche, non potrebbero già da tempo infinito rinnovare le cose
( De rerum natura , Libro I versi 483 e 548) .

Lucrezio non poteva immaginare che - con la Interazione Debole e i conseguenti decadimenti radioattivi naturali – la semplicità delle particelle elementari non sarebbe più stata solida come nei suoi versi.

Con il volgere dall’antichità classica greca e romana alla cristianità medioevale vennero tempi bui per Epicuro – divenuto simbolo di vita dedita a beni materiali - e Lucrezio, considerato lunatico e ateo. Questo si legge in un’annotazione di S. Girolamo (IV secolo d.C.) al Chronicon di Eusebio di Cesarea: “Divenuto folle per un filtro d'amore, dopo aver scritto negli intervalli della pazzia alcuni libri di cui Cicerone curò poi la pubblicazione, morì suicida all’età di 44 anni”. Insomma, un prototipo di fisico pazzo.


La svolta

Nel 1417 Poggio Bracciolini , umanista alla Curia papale e scopritore di importantissimi testi antichi (tra i quali De Architectura di Vitruvio) ritrovò in un monastero tedesco l’unico manoscritto di De rerum natura. Nel 1483, a oltre 1500 anni dalla morte, il pazzo Lucrezio fu riconosciuto ed ebbe anche la soddisfazione postuma di vedere la sua opera pubblicata perfino in edizione super-lusso manoscritta e miniata, per di più destinata al Papa e ora preziosamente conservata alla Biblioteca Vaticana.

L’Umanesimo e con esso la scoperta del De rerum natura da parte di Poggio Bracciolini determinarono una vera “sterzata” verso l’età moderna. Un recente libro dell’illustre studioso Stephen Greenblatt ha per titolo The swerve: how the World became modern ossia La svolta: come il Mondo diventò moderno (2011). Il titolo inglese contiene un richiamo a Epicuro: una delle possibili traduzioni di swerve è deviazione improvvisa ossia clinamen. Il libro è edito in italiano con il titolo Il manoscritto . La figura 4 mostra Poggio Bracciolini in un manoscritto miniato della sua opera De varietate fortunae.
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Fig. 5. La Tavola Periodica degli Elementi Chimici
Quinta edizione, la prima in inglese (1891)
Immagine Wikipedia
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Elementi chimici e Tavola Periodica

Sorvoliamo l’ Alchimia , pur se appassionò anche principi e insospettabili scienziati. Arriviamo alla Chimica . Grandi scienziati come Robert Boyle (1627-1691) e Antoine Lavoisier (1743-1793) iniziarono a tramutare la visione atomistica di Democrito in una rigorosa Scienza sperimentale. Si scoprì che le sostanze chimiche sono composte da “elementi chimici”, che assunsero così (ad interim, con il senno del poi) il ruolo di particelle elementari. Le loro proprietà sono determinate in base a come interagiscono tra loro.

Dai tempi settecenteschi di Lavoisier, con nuove scoperte il numero degli elementi chimici crebbe oltre le attese. Tanto che Mendeleev si sentì in dovere di mettere le cose in ordine in base alle loro proprietà. Mettendo le cose in ordine si può anche scoprire qualcosa. Mendeleev fece così la straordinaria scoperta di una periodicità nei comportamenti degli elementi chimici. Nel 1869 egli mise le cose “in bella” nella famosa “Tavola Periodica degli Elementi Chimici”, riportata in figura 5 nella sua prima edizione in inglese e oggi rappresentata in una forma diversa .

La validità della Tavola Periodica fu accertata dalla scoperta di nuovi elementi chimici da essa predetti. La Tavola è ancora oggi un riferimento fondamentale per i chimici. Nata dalla Chimica, con le sue periodicità essa fornì anche un segnale premonitore dell’avvento di livello più profondo nella conoscenza della materia: la Fisica Atomica. Fu l’avvio di una metodologia ciclica: periodicità e simmetrie sono segnali premonitori di nuovi orizzonti.


Fisica Atomica e Tavola Periodica

La scoperta del nucleo atomico nel 1909 portò dall’atomo a un vertiginoso “zoom-in” di cinque ordini di grandezza. L’ordine di grandezza delle dimensioni passa dall’Ångström (10-8 [/size] cm) per gli atomi al Fermi (10-13 [/size] cm) per i nuclei. Queste sono in ordine di grandezza le dimensioni di atomi e nuclei. Il numero di costituenti elementari non cambiò. La varietà degli elementi chimici si ritrova in quella dei nuclei atomici e non appare limitata. E’ tuttora viva la ricerca di nuclei transuranici , cioè con numero atomico superiore a 92.

L’ atomo di Bohr (1911) segnò una tappa fondamentale dando inizio a una descrizione quantistica dell’atomo. In esso gli elettroni sono collocati su orbite distinte ma “quantizzate” in energia. Il Principio di indeterminazione di Heisenberg, l’ Ipotesi ondulatoria di de Broglie per le particelle e l’ Equazione di Schrödinger portarono a descrivere gli elettroni nell’atomo come onde e in termini probabilistici. Si passò così dal concetto di “orbita” a quello di “ orbitale ”, ossia distribuzione di probabilità dell’elettrone nell’atomo. Nella descrizione quantistica dell’atomo, gli elettroni sono “ sistemati ” in orbitali caratterizzati da “ numeri quantici ” distinti, riflessi nelle proprietà degli elementi chimici. Le periodicità della Tavola Periodica sono promosse da fatto empirico a frutto di razionale comprensione dell’atomo. Abbiamo anche il sollievo di non dover semplicemente accettare e memorizzare la Tavola Periodica in base ai ricordi di Chimica: basta avere conoscenze di base in Fisica Atomica per almeno iniziare a ricostruirla con il ragionamento.
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Fig. 6. Leopoldo Metlicovitz
Un’antica locanda a Sempione (1906)
Immagine Archivio Iconografico del Verbano
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Fig. 7. Leopoldo Metlicovitz
Esposizione Internazionale di Milano del 1906
Immagine Museo della Scienza e della Tecnologia - Milano

Una sosta prima di proseguire

Oggi in un viaggio ci fermiamo a una “stazione di servizio”, per ripartire quasi subito come per una “sosta tecnica”. Al tempo in cui non vi erano ancora automobili, la lentezza degli spostamenti imponeva che lungo le più importanti vie di comunicazione vi fossero delle “ stazioni di posta ” distribuite a intervalli regolari. Ne possiamo ancora individuare lungo le strade italiane e ne resta traccia nel nome di locande, ristoranti e alberghi. Dall’esigenza di offrirvi cibi caldi sempre pronti sono nati piatti tradizionali come lo stracotto ”. Nelle stazioni di posta si cambiava anche il motore, cioè si sostituivano con cavalli riposati quelli stanchi per aver a lungo mosso gli autobus di allora (le “ diligenze ”). La figura 6 mostra un’antica locanda a Sempione lungo la strada per il valico delle Alpi in un’illustrazione di Leopoldo Metlicovitz . Egli fu incaricato dalla Fernet Branca di riprodurre i luoghi più noti del valico in occasione dell’ Esposizione Internazionale di Milano del 1906 dedicata al rivoluzionario traforo ferroviario del Sempione (aperto nel 1905), della quale la figura 7 mostra la visionaria locandina realizzata dallo stesso artista.
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Fig. 8. Utagawa Hiroshige, La stazione di Narumi
Da Le 53 Stazioni della Strada Tōkaidō (1833-34)
Immagine Wikipedia
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In Giappone, Utagawa Hiroshige (1787-1858) illustrò famosa serie di stampe Le 53 Stazioni della Strada Tōkaidō , in stile detto “ ukiyo-e ”. Una di esse è mostrata in figura 8. La Strada Tōkaidō univa Tokyo (allora chiamata Edo) a Kyoto, capitale dal 764 al 1868.

Ovunque erano soste che davano tempo per pensare e riflettere, a chi lo voleva. Facciamo anche noi una “sosta di riflessione” e non una “sosta tecnica” prima di affrontare Dalla Fisica Nucleare al Bosone di Higgs .


Paolo Strolin e Francesco Tramontano

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 15:06 da Paolo.

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