La Materia

Tutto è materia, in generale tutto ciò che occupa spazio e possiede massa. La materia è differente dall’energia, dalla luce e dal suono, ma quali sono le caratteristiche della materia?

La sostanza di cui sono fatti gli oggetti sensibili, concepita come esistente in sé, provvista di peso e di inerzia, estesa nello spazio e capace di assumere una forma.

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Si parla di materia come parte di noi e delle nostre esperienze, dei nostri sensi. È ciò che tocchiamo e vediamo, va dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande.

Possiamo dire che la ricerca sulla materia si divide su due obiettivi. Da una parte si parla di struttura della materia quando si intende quella parte della ricerca fisica che si occupa delle proprietà della materia nelle sue diverse forme di aggregazione: gassosa, liquida, solida. Dall’altra c’è la ricerca che indaga sulla natura intima della materia riferendosi ai suoi costituenti più semplici: le particelle elementari e le loro interazioni fondamentali.

Studiare l’estremamente piccolo significa studiare e comprendere la nascita dell’Universo perché la materia è parte dell’universo, è essa stessa l’Universo. La discussione sui primi attimi di vita dell’Universo ha messo in evidenza le connessioni profonde fra cosmologia e fisica subnucleare.

Tutto è materia, oppure niente

I fisici studiano la materia da centinaia di anni, ma ancora ad oggi ci sono scoperte sensazionali che si possono fare su di essa. Ma se volessimo capire cos’è la materia?

Possiamo affermare che la materia è costituita da particelle elementari, fra le quali i quark e gli elettroni. Queste particelle unendosi formano atomi, che poi legandosi ulteriormente tra di loro creano molecole.

Con il termine materia si indica comunemente tutto ciò che è dotato di una massa e che occupa uno spazio o, ancor più in generale, risulti visibile e percepibile con i nostri sensi.

Sono le diverse tipologie di atomi che costituiscono la materia a determinarne le proprietà. L’atomo più semplice tra quelli conosciuti è l’atomo d’idrogeno costituito da un piccolo nucleo formato da un protone di carica positiva e di un elettrone di carica negativa che gli gira intorno.

Gli atomi si possono unire in moltissimi modi dando origine a diversi tipi di materia.

Quando gli atomi hanno fra loro un legame chimico, si formano dei composti, per esempio l’acqua (composto formato da atomi di idrogeno e ossigeno). Una porzione di materia su cui sia possibile effettuare delle osservazioni macroscopiche viene definita sistema termodinamico.

I Principi della termodinamica sono fondamentali per lo studio e la comprensione dei fenomeni chimico-fisici, e nascono proprio dalle variazioni del contenuto di energia che conseguono al passaggio di un sistema termodinamico da uno stato ad un altro.

Molti atomi e molecole comunque non formano facilmente dei legami tra di loro, in quel caso la loro unione non li trasforma dal punto di vista chimico e dà invece origine ad una miscela.

Gli Stati di Aggregazione

Gli stati di aggregazione della materia che si notano nel quotidiano sono principalmente tre: solido, liquido e gassoso. Abbiamo detto “principalmente” perché in realtà ne esistono anche di più insoliti quando la materia diviene estremamente calda o fredda. La materia può passare da uno stato all’altro a seconda della quantità di energia che possiede e della forza dei legami fra gli atomi e le molecole che la costituiscono.

Esempio: l’alluminio ha un punto di fusione più basso rispetto al rame perché i legami fra i suoi atomi sono molto più deboli.

Solido

Gli atomi e le molecole dei solidi hanno legami forti che creano una struttura molto rigida. Le particelle possono muoversi tra loro, quindi i solidi sono duri al tatto e mantengono una forma ben definita e strutturata. L’energia cinetica associata alle particelle che costituiscono i solidi è solo di tipo vibrazionale. I solidi sono inoltre caratterizzati da un fenomeno, noto come adsorbimento, che comporta la concentrazione di una specie chimica in prossimità della superficie.

Altri due fenomeni legati alla natura e all’intensità delle interazioni sulla superficie sono quelli per cui alcune particelle possono passare dallo stato solido a quello aeriforme.

Liquido

Nei liquidi gli atomi o le molecole hanno fra loro legami deboli, per cui le particelle si possono spostare. Per questo motivo i liquidi scorrono, ma la densità delle particelle non consente che vengano compressi. Come le forze intermolecolari, anche il volume libero dei liquidi assume valori intermedi rispetto a quello di solidi e gas.

Il volume libero, grandezza che può essere associata a tutti e tre gli stati di aggregazione, indica il volume non occupato dalle particelle: per i liquidi è stimato intorno al 3% dell’intero volume, per i gas raggiunge valori molto più alti.

Gas

In uno stato gassoso non ci sono legami fra atomi o molecole, che possono diffondersi e riempire tutto il contenitore. Le particelle sono anche separate fra loro, perciò il gas si può comprimere, anche se così si aumenta la pressione.

I gas sono caratterizzati da una densità molto bassa.

L’aumento di temperatura determina un aumento nel disordine dello stato gassoso. Di conseguenza, aumenta anche l’energia cinetica delle particelle che tendono ad occupare tutto lo spazio a disposizione e a diffondere.

La conservazione della massa

Nelle comuni reazioni chimiche o trasformazioni fisiche (come una candela accesa) la massa dei prodotti è uguale alla massa dei reagenti. La materia non aumenta né va perduta. Ma in alcune condizioni estreme questa “legge” può essere violata, per esempio nelle reazioni di fusione nucleare nelli quali la massa si trasforma in energia.

La materia dell’Universo

Siamo alla fine degli anni venti quando l’astronomo americano Edwin Hubble esaminando gli spettri delle galassie e le loro distanze trovò che la luce della maggior parte delle galassie era spostata verso il rosso e questo spostamento era proporzionale alla loro distanza dall’osservatore.

Tenendo conto dell’effetto Doppler, questo significava che la maggior parte delle galassie si stavano allontanando dalla via Lattea e che maggiore era la distanza, maggiore era la loro velocità.

Da qui l’ipotesi del Big Bang come istante da cui ha avuto origine l’Universo.

Questa ipotesi della nascita dell’universo con il Big Bang descrive il momento in cui si è evoluto il nostro Universo e si basa sull’osservazione di tre fatti fondamentali: la recessione delle galassie dove il nostro Universo si sta espandendo e raffreddando; la radiazione cosmica di fondo e il rapporto di abbondanza elio-idrogeno.

Secondo il modello del Big Bang l’Universo ebbe origine con un’espansione a velocità elevatissima in un tempo finito nel passato. In quel momento a partire da un punto materiale tutte le particelle cominciarono ad espandersi allontanandosi velocemente da ogni altra particella.

Nei suoi primi attimi l’Universo si può considerare come un gas caldissimo di particelle elementari in rapida espansione. Ancora non è chiaro per quanto tempo si espanderà l’Universo, tutto dipende dalla densità media della materia: se è sufficientemente grande, le forze gravitazionali prevarranno e ad un certo punto comincerà a contrarsi, oppure in alternativa continuerà ad espandersi per sempre.

Non riusciamo a sapere come fosse l’universo prima del Big Bang. Riusciamo a ipotizzare solo l’istante successivo all’inizio dell’universo perché è da questo istante che si possono applicare le leggi della fisica. Ai suoi inizi, si ipotizza che l’Universo avesse una temperatura di miliardi di gradi e che non esistesse la materia: non c’erano ne atomi ne nuclei. L’espansione rapidissima successiva ha portato al suo raffreddamento e alla formazione di atomi e nuclei e quindi della materia.

L’Antimateria

Oltre alla materia nell’universo c’è anche l’antimateria. Con la meccanica quantistica si dimostra che tra le particelle esiste una simmetria fondamentale: per ognuna di esse può esisterne una con proprietà simmetriche.

Ad esempio esiste una particella che ha stessa massa, ma con carica elettrica opposta, oppure l’elettrone che ha come antiparticella una particella di carica positiva, il positrone o il protone ha l’antiprotone.

Queste antiparticelle corrispondono per massa alle particelle della materia ordinaria e le leggi della fisica governano le combinazioni di antiparticelle a formare gli antiatomi e le antimolecole sono simmetriche a quelle che governano la materia.

Si pensa che all’origine dell’Universo materia e antimateria si equivalessero, ma in quello attuale è rilevabile una quantità veramente piccola che viene annichilita dalla materia. Se le proporzioni fossero state identiche si sarebbero dovute annullare a vicenda, ma quello che osserviamo è diverso. Ancora è allo studio la causa che ha portato alla prevalenza della materia sull’antimateria. L’antimateria è prodotta naturalmente in piccolissime quantità nei processi astronomici che emettono più energia, come i raggi cosmici.

Il processo accade in ogni istante quando l’antimateria proveniente dai raggi cosmici si scontra con le molecole dell’atmosfera terrestre liberando raggi gamma: un incontro ad alto livello energetico.

Combinando l’antimateria con la materia potrei ottenere una reazione efficiente al 100 %

Come in Star Trek allora potrebbe essere possibile costruire un motore spinto dalla reazione tra materia e antimateria dove è possibile concentrare una grossa quantità di energia in una piccola quantità di materia. Abbiamo solo un piccolo problema: l’antimateria non la si trova così facilmente. Può essere prodotta nei laboratori, ma ha vita breve e non può essere immagazzinata perché si annichila al primo contatto con la materia.

Tornando con i piedi per terra il concetto di antimateria è utilizzato anche nella medicina, in particolare negli strumenti di diagnostica. Ad esempio la PET, acronimo inglese di Tomografia a Emissione di Positroni, è un metodo non invasivo per condurre studi di fisiologia e fisiopatologia che sfrutta l’antimateria. La tecnica si basa sull’uso di radio-traccianti, sostanze che in quantità minimali si integrano perfettamente nel sistema biologico, senza perturbarlo, riproducendo il processo che si vuole studiare.

La Materia Oscura

Quindi l’universo è fatto solo di materia e antimateria? In realtà non proprio. Esaminando l’Universo gli scienziati si sono resi conto che c’è qualcosa che porta a degli effetti gravitazionali, ma che non è possibile osservare: è la materia oscura.

Si tratterebbe quindi di una possibile componente della materia che non emette radiazioni elettromagnetiche, ma è rilevabile solo in maniera indiretta osservando gli effetti che ha sulla materia che la circonda.

Il mistero che avvolge la materia oscura è davvero importante.

Gli scienziati hanno capito solo recentemente che la materia ordinaria di cui è composto l’universo può giustificare solo una piccola percentuale di quello che è contenuto in esso.

Osservando gli ammassi stellari è possibile percepire l’esistenza della materia oscura poiché la velocità con cui le stelle che orbitano intorno alle galassie è troppo alta e la distorsione della luce per effetto di queste forze gravitazionali permette di calcolare la massa, che risulta enorme. Questa massa in più quindi è associabile alla materia oscura.

La mappa della materia oscura in un Universo simulato (© illustrazione Tom Abel e Ralf Kaehler)

La questione si complica ulteriormente poi quando pensiamo che oltre alla materia oscura esiste anche un’energia oscura: una forza anche questa difficile da rilevare.

Questi elementi oscuri non possono essere misurati direttamente, eppure la loro influenza è immensa. Se si pensa che materia oscura ed energia oscura insieme determinano il 96% del cosmo, è facile capire quanto ancora tanto di straordinario c’è da scoprire.

La materia oscura per il fatto che crea attrazione gravitazionale, tende a fare crescere le strutture formando ammassi di galassie a causa di questa attrazione gravitazionale. Al contrario, l’energia oscura sta creando sempre più spazio tra le galassie.

In un mondo lontano chissà se sarà possibile costruire l’Arcadia, l’astronave di Capitan Harlock costruita in collaborazione con la razza aliena dei Nibelunghi, dotata di un motore a materia oscura che dà ai vascelli autonomia illimitata e proprietà autoriparatrici. Finché il motore a Dark Matter resta attivo rende immortale il proprio equipaggio e il suo capitano.

Il pirata dell’universo Capitan Harlock è l’emblema della lotta contro la corruzione e la malvagità. In un futuro non troppo lontano la Terra, pur essendo in pace, è abitata da un’umanità incurante dei danni causati al pianeta per sostentare uno stile di vita apatico e statico. La ciurma dell’Arcadia si ribella a tutto questo.

Un universo fantastico, ma con regole vere che rispecchiano i nostri tempi.

Chissà cosa ci riserverà il futuro, certo è che la caccia alla materia oscura è ancora aperta e sono ancora tanti gli interrogativi a cui dare una risposta.

Articolo scritto a quattro mani con Margherita Farella.