Proviamo a chiederci che cosa succede continuando a suddividere la materia fino a ottenere delle parti sempre più piccole. Ci sono due possibilità: questo processo in linea di principio può andare avanti ad infinitum, oppure prima o poi si arriva a delle parti ultime non più divisibili che possiamo chiamare atomi. Nelle loro riflessioni sull’ordine razionale del mondo, i pensatori greci del V e IV secolo a.C. presero in considerazione entrambe queste ipotesi. Aristotele sosteneva la continuità della materia, influenzando così in tal senso il pensiero successivo fino al Medioevo; la concezione atomistica era invece sostenuta da Democrito (circa 460-370 a.C.) e dal suo maestro Leucippo.Come si sviluppa l’approccio scientifico all’atomo?
Finché rimase in un ambito esclusivamente filosofico, di pura speculazione mentale, la contrapposizione tra continuità o discretezza della materia non poteva essere risolta in maniera definitiva. Nel Seicento assistiamo però alla nascita della scienza, del metodo sperimentale per interrogare la natura, con l’aiuto di strumenti come il telescopio e il microscopio che aumentano a dismisura le limitate capacità sensoriali umane, e seguendo il fondamentale approccio quantitativo che prevede il possente e imprescindibile impiego della matematica. Se la rivoluzione apportata da Galilei e Newton, tra gli altri, permise di scoprire e unificare le leggi che regolano i moti dei corpi celesti così come di quelli sulla Terra, dovevano trascorre tuttavia ancora duecento anni fino a che il progresso sperimentale e lo sviluppo della chimica potessero condurre al primo modello atomico di tipo scientifico, che è quello di Dalton dell’inizio dell’Ottocento.
A chi si deve la proposta del modello planetario dell’atomo?
Un punto cruciale nella lunga, avvincente avventura intellettuale alla ricerca dell’atomo è la scoperta dell’elettrone da parte di Joseph Thomson nel 1897. Questo fatto da una parte confermò definitivamente l’esistenza degli atomi, dall’altra rivelò al tempo stesso che l’atomo è a sua volta costituito da parti, le quali posseggono una fondamentale proprietà: la carica elettrica. L’elettrone porta la carica elettrica elementare, di segno negativo; essendo l’atomo nel suo complesso neutro, ci deve essere al suo interno anche una carica elettrica positiva pari a quella degli elettroni presenti nell’atomo. Dobbiamo a Ernest Rutherford la scoperta, grazie ai celebri esperimenti del foglio d’oro bombardato con particele alfa, eseguiti a partire dal 1908, che la carica elettrica positiva all’interno dell’atomo, così come la quasi totalità della sua massa, è concentrata in un piccolo nucleo centrale. L’idea quindi di un atomo strutturato come un sistema solare, in cui gli elettroni ruotano attorno al nucleo allo stesso modo di come i pianeti ruotano intorno al Sole, è molto attrattiva. A maggior ragione poiché questo andrebbe ancora nella direzione di un’unificazione tra le leggi del macrocosmo e quella del microcosmo. C’è però una differenza, all’apparenza innocua ma che invece sconvolge tutto e porta in ultima analisi alla nascita della meccanica quantistica: la forza che tiene insieme il sistema solare è quella gravitazionale, mentre ciò che tiene insieme l’atomo è la forza elettrica. La differenza è enorme, perché un oggetto elettricamente carico come l’elettrone, muovendosi in un’orbita curva e quindi di moto accelerato, secondo la teoria dell’elettromagnetismo classico emette energia, per cui dovrebbe cadere a spirale nel nucleo e la materia non potrebbe esistere.
Cosa stabilisce l’equazione di Schrödinger?
Per rimediare a questo problema Bohr propose che le orbite dell’elettrone non possono avere raggio qualunque come avviene per i pianeti; solo alcune orbite discrete sono possibili e queste sono stabili e caratterizzate ognuna da un ben preciso livello di energia misurabile sperimentalmente. Un’ipotesi ad hoc che salva i fenomeni ma il cui profondo significato non è affatto chiaro. Il cammino che porta alla spiegazione passa attraverso un’altra delle dialettiche che si intrecciano con la storia dell’atomo e che vengono raccontate nel libro: il dualismo onda-particella. Il comportamento dell’elettrone, come pure avviene per il fotone, mostra carattere ondulatorio in alcuni tipi di fenomeni fisici e carattere particellare in altri. Schrödinger sviluppò nel 1926 la sua celebre equazione proprio come equazione d’onda per l’elettrone nell’atomo. Secondo l’idea iniziale di Schrödinger, che riprendeva quella di de Broglie, l’elettrone va visto non come una particella discreta ma piuttosto come un’onda continua distribuita. L’equazione descrive allora la dinamica di questa onda, così come l’equazione di d’Alembert che si deduce dalle equazioni di Maxwell descrive la dinamica di un’onda elettromagnetica classica (quindi anche della luce), e così come l’equazione data dalla seconda legge di Newton descrive la dinamica di una particella classica o di un pianeta attorno al Sole. Qual è però la natura fisica dell’onda associata all’elettrone? Per quanto contro-intuitiva questa idea possa sembrare, l’interpretazione corretta è quella avanzata da Max Born: l’onda fornisce (con il suo modulo quadrato) la probabilità di trovare la particella elettrone in un assegnato punto dello spazio. Nasce così la meccanica quantistica, una cesura storica nello sviluppo della scienza perché introduce l’idea di un caso intrinseco nelle leggi della natura, anche questa una possibilità ventilata da Democrito. Il libro presenta in maniera accessibile la nascita e il significato della meccanica quantistica, e come questa permetta di descrivere finalmente la struttura dell’atomo senza contraddizioni e in maniera aderente a tutti i fenomeni conosciuti.
Cosa sappiamo oggi della struttura dell’atomo?
Le proprietà fisiche e chimiche degli atomi dei vari elementi (un centinaio in tutto) sono date dalla loro struttura elettronica, ossia da come sono distribuiti gli elettroni nei livelli energetici. Livelli che sono calcolabili grazie all’equazione di Schrödinger, con l’aggiunta dello spin dell’elettrone e mettendo in conto il determinante contributo di Wolfgang Pauli con il suo principio di esclusione. Il modello quantistico dell’atomo di Schrödinger e Pauli spiega così la tavola periodica degli elementi, i legami chimici e quindi in definitiva sta alla base di tutta la struttura della materia, dal semplice atomo di idrogeno alle complesse molecole organiche. Per fare un ulteriore esempio: tutta l’elettronica, che così profondamente influenza la nostra vita quotidiana e il funzionamento della società intera, è basata sulla struttura della materia (in particolare dei semiconduttori, in questo caso) come descritta dalla meccanica quantistica.
In che modo l’atomismo convive con la meccanica quantistica?
Più che di convivenza, secondo più punti di vista si potrebbe parlare oggi di identificazione. La meccanica quantistica nasce dall’atomismo e ne costituisce il punto di arrivo. L’atomismo è uno dei fili più importanti che formano la trama millenaria dello sviluppo della conoscenza del mondo. Con la meccanica quantistica questo filo ha portato alla luce nuovi, paradossali e altrimenti impensabili comportamenti della natura, dimostrando le enormi potenzialità dell’intelletto e della capacità di astrazione umane, e allo stesso tempo mettendone in evidenza i limiti.
Vorrei concludere questa intervista con la citazione che ho posto all’inizio del mio libro, tratta dalle celebri Lezioni di Fisica di Richard Feynman (1964):
“Se in un cataclisma andasse distrutta tutta la conoscenza scientifica e soltanto una frase potesse essere trasmessa alla successiva generazione di creature, quale affermazione conterrebbe la massima quantità di informazioni nel numero minimo di parole? Io credo che sia l’ipotesi atomica (o dato di fatto atomico, o comunque vogliamo chiamarlo) secondo cui tutte le cose sono fatte di atomi – piccole particelle che si agitano in un moto perenne, attraendosi quando sono un po’ distanti una dall’altra, ma respingendosi quando sono schiacciate una contro l’altra. In questa singola frase, vedete, c’è un’enorme quantità di informazione sul mondo, se si applica soltanto un po’ di immaginazione e di riflessione.”
Giorgio Chinnici è fisico e ingegnere elettronico. Si interessa di linguistica, filosofia e scacchi, e si dedica con grande passione alla divulgazione scientifica. Per Hoepli ha pubblicato finora sei volumi:
- Il sogno di Democrito. L’atomo dall’antichità alla meccanica quantistica (2020)
- Il labirinto del continuo. Numeri, strutture, infiniti (2019)
- La stessa danzante. Sei versioni del caos (2018)
- Guarda caso. I meccanismi segreti del mondo quantistico (2017)
- L’Enigma di un genio (2016)
- Assoluto e relativo. La relatività da Galilei ad Einstein e oltre (2015)
