LASER: UN'IMPORTANTE APPLICAZIONE DELLA FISICA QUANTISTICA

Nel novembre del 1957 Gordon Gould, uno studente laureato della Columbia University, annotò su un taccuino alcune idee su come realizzare un laser, termine da lui stesso coniato.
I possibili utilizzi di tale strumento, aveva scritto, includevano:

- la spettrografia;
- l'interferometria;
- i radar;
- la fusione nucleare.

3 anni più tardi fu realizzato effettivamente il primo laser.
Il laser è forse la tecnologia che meglio rappresenta il XX secolo.
Infatti, ha portato alla realizzazione dei lettori CD, DVD, Blu-ray, degli scanner alle casse dei supermercati, delle fibre ottiche per le telecomunicazioni ad alta velocità e molto altro ancora.
Il termine "laser" è un acronimo inglese di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ("amplificazione di luce attraverso emissione stimolata di radiazione").
Leggendo l'acronimo, sorge dunque una domanda: cos'è l'emissione stimolata di radiazione?
La fisica quantistica ha illustrato il meccanismo secondo cui gli atomi emettono radiazione elettromagnetica.
Se un atomo è eccitato, ossia ha un elettrone a un livello E2 di energia più elevato del livello minimo possibile (chiamiamolo E1), esso si rilassa portando l'elettrone al livello energetico inferiore ed emettendo un fotone che sottrae l'eccesso di energia, in un processo denominato emissione spontanea.
L'emissione spontanea, in un insieme di atomi eccitati, avviene in modo disordinato, in quanto i fotoni emergono in tutte le direzioni e in istanti diversi.
Arrivando al nocciolo della domanda, la meccanica quantistica prevede tuttavia anche un ulteriore meccanismo di emissione: l'emissione stimolata (idea introdotta da Einstein nel 1917), appunto.
Se l'atomo eccitato viene colpito da un fotone della "giusta energia", cioè pari alla differenza tra i 2 livelli energetici (E2-E1), allora, nel rilassarsi, esso emette istantaneamente un altro fotone della stessa energia e nella stessa direzione del primo!
Questa è la base del funzionamento di un laser.
Già un solo atomo amplifica la radiazione: infatti, per un fotone che incide sull'atomo ne emergono 2 identici.
Dunque, basandosi su questo fenomeno, per realizzare un laser, è necessario preparare un gran numero di atomi di una certa sostanza, chiamata mezzo attivo, in maniera che ognuno abbia un elettrone a un livello alto di energia, e far scendere poi gli elettroni a un livello più basso per emissione stimolata.
Tra gli stati eccitati in cui può trovarsi un elettrone atomico sussistono alcuni, denominati metastabili, nei quali l'elettrone permane per un tempo relativamente lungo prima di compiere una transizione spontanea verso uno stato a energia inferiore.
Per la preparazione degli atomi del mezzo attivo occorre fare in modo che la maggior parte di essi abbia un determinato stato metastabile "popolato", a scapito dello stato fondamentale, rimasto privo di elettroni.
In gergo tecnico, questo meccanismo viene detto inversione di popolazione.
Essendo in uno stato metastabile, gli elettroni hanno il tempo di aspettare che pervengano i fotoni, i quali vanno ad indurre l'emissione stimolata di altri fotoni, in una reazione a catena.
Per ottenere l'inversione di popolazione bisogna sottoporre gli atomi a un irraggiamento elettromagnetico oppure a una scarica elettrica (in generale bisogna fornire dall'esterno un'energia molto intensa), mediante l'operazione chiamata pompaggio ottico.
Questo è il prezzo energetico da pagare se vogliamo ottenere la moltiplicazione dei fotoni, e pertanto, un raggio laser.
Ma quali sono le caratteristiche della luce che esce da un laser?
Il fascio luminoso risulta:

- collimato, cioè unidirezionale.
- estremamente monocromatico: ciò significa che possiede una precisa lunghezza d'onda: il laser seleziona e amplifica una sola componente dello spettro elettromagnetico, o per esser più precisi, un insieme continuo di componenti che appartengono a un intervallo veramente ristretto di lunghezze d'onda;
- estremamente coerente: in tutte le porzioni della sezione trasversale del fascio l'onda elettromagnetica è in fase: se il campo elettromagnetico è massimo in un punto della sezione, allora è massimo in tutti gli altri punti.

Per tali motivi, la luce laser è l'entità reale che più si avvicina al concetto ideale di onda elettromagnetica armonica: la sua lunghezza d'onda è pressocché unica, come unica è la sua direzione di propagazione e ben definiti risultano i fronti d'onda.
I laser possono essere suddivisi in queste categorie fondamentali:

• laser a gas: comprendono i comunissimi laser a elio-neon, che sviluppano la loro nota luce rossa. Sono alimentati con onde radio o per mezzo di energia elettrica. I laser a elio-neon risultano piuttosto deboli. Esistono anche quelli ad anidride carbonica che, invece, possono essere sfruttati nell'industria pesante per far esplodere, tagliare e saldare, e possono innescare fasci potentissimi e totalmente invisibili;
• laser chimici: vengono alimentati mediante una specifica reazione chimica, come, ad esempio, la combustione di un getto di etilene e trifluoruro di azoto (NF3). Risultano abbastanza potenti da poter essere usati a scopi militari. Infatti, le forze armate americane sono dotate di laser chimici, al suolo o aviotrasportati, capaci di generare potenze di milioni di watt e realizzati con il fine di abbattere in volo missili a corto raggio;
• laser a eccimeri (o a ecciplessi): anch'essi alimentati da reazioni chimiche che interessano generalmente un gas nobile (argo, krypton, xeno), del fluoro o del cloro. La loro emissione è nell'ultravioletto. Possono essere utilizzati nell'industria dei semiconduttori per incidere transistor sui chip oppure in campo medico per delicati interventi di chirurgia oftalmica;
• laser a stato solido: il primo di essi mai realizzato fu un laser a rubino, prodotto con un cristallo di rubino drogato con atomi di cromo. Sono numerosi i cristalli capaci di generare un fascio laser, a patto che vengano utilizzati insieme a sostanze chimiche come l'ittrio, l'olmio o il tulio. I laser a stato solido possono dar vita ad impulsi ultracorti ad alta energia;
• laser a semiconduttori: i diodi, componenti molto utilizzati nell'industria dei semiconduttori, possono generare fasci abbastanza intensi da essere usati per tagliare e saldare. Rappresentano proprio quei laser che vengono usati nei supermercati per leggere i codici a barre dei prodotti che acquistiamo;
• laser a coloranti (dye): sfruttano coloranti organici come mezzo di amplificazione. Sono ineguaglabili per quanto concerne il creare impulsi luminosi ultracorti, dell'ordine di una manciata di picosecondi!
  

Proprio il laser permette il funzionamento di un importante componente hardware dei moderni computer, ovvero il masterizzatore.
Esso ci permette, come ben noto, di archiviare un'enorme quantità di dati in forma binaria, indipendentemente dalla tipologia di dati, su un supporto ottico (i comuni CD o DVD) costituito da 4 strati:

1) primo strato: sulla superficie di esso si può collocare un'etichetta;
2) secondo strato: di materiale acrilico, il suo ruolo è solamente quello di fungere da elemento separatore;
3) terzo strato (Die): formato da una lamina di alluminio. Risulta "scrivibile" proprio mediante il laser che, emettendo a intervalli determinati luce molto intensa a temperature molto alte, arriva a bruciare letteralmente lo strato, incidendo in questo modo dei solchi microscopici chiamati Pit, le cui dimensioni vanno da 0,83 μm dei CD, fino a 0,4 μm dei DVD;
4) quarto strato: trasparente in policarbonato. Ha funzioni protettive.

L'informazione viene pertanto immagazzinata come una sequenza di zone bruciate o non bruciate.
La lettura delle informazioni avviene in questo modo: quando il laser incontra un Pit, la luce viene dispersa e codificata con il numero binario 0, mentre quando viene riflessa (cioè quando incontra le parti di alluminio non bruciate, dette Land) è codificata con 1.
L'informazione risulta perciò digitalizzata con una sequenza specifica di 0 e 1.
In conclusione, l'importanza del laser è sempre sotto i nostri occhi: molte delle importanti applicazioni di esso immaginate da Gordon Gould si sono avverate, eccetto la fusione nucleare.
Infatti, realizzare centrali basate sulle reazioni di fusione nucleare per produrre energia, rappresenta, molto probabilmente, il Santo Graal della produzione energetica (pulita)!

LA CHIMICA E LA BUONA MUSICA

La chimica è quella disciplina che si occupa in generale delle proprietà e delle trasformazioni della materia.
La musica rappresenta quel concetto che racchiude in sé, forse più di tutti, sia l'arte che la scienza.
Ma sussiste un qualche tipo di relazione tra chimica e musica?
Generalmente la musica è strettamente collegata alla fisica, in quanto è un insieme di onde sonore.
Dunque viene studiata dalla branca denominata acustica.
Per le relazioni della musica con la fisica vi rimando all'articolo Scienza e Musica: 2 Realtà Strettamente Collegate.
Tuttavia, esiste anche una relazione tra la musica (in particolare la "buona musica") e la "sorella" della fisica, ossia la chimica.
Robert Zatorre, neuroscienziato cognitivista che lavora al Neurological Institute della Mcgill University di Montreal, sostiene che i brividi (i "chills", che generalmente chiamiamo "pelle d'oca") causati dall'ascolto di un brano musicale particolarmente emozionante dipendono da una particolare sostanza chimica: la dopamina o dopammina.
Egli ritiene che vi siano 2 fasi in cui vengono rilasciate le molecole di dopamina nel cervello:

1) prima del massimo picco di piacere generato dall'ascolto del brano considerato;
2) durante l'esecuzione.

Egli afferma: "La musica produce dopamina e dà piacere come quando si assumono sostanze stupefacenti. Gli effetti positivi sono gli stessi della droga, con la differenza che ascoltare un brano piacevole è un'esperienza positiva e non dannosa".
Lo studio in questione sulle relazioni tra la musica e il rilascio di questa particolare sostanza è stato pubblicato su Nature Neuroscience.
Ma cos'è la dopamina?
Sintetizzata per la prima volta nel 1910 da George Barger e James Ewens presso i Laboratori Wellcome a Londra, la dopamina (la cui formula chimica è C₆H₃(OH)₂-CH₂-CH₂-NH₂) è una catecolamina, cioè una sostanza costituita da un gruppo amminico legato ad un anello fenolico del tipo catecolo (diidrossibenzene).
Specifichiamo che:

- un gruppo amminico o aminico è un gruppo funzionale (ossia quella specifica parte della struttura di una molecola che conferisce al composto la sua reattività tipica) di una molecola organica che contiene un atomo di azoto legato a 2 atomi di idrogeno;
- i fenoli sono composti che hanno uno o più gruppi ossidrilici (-OH) legati direttamente ad atomi di carbonio dell'anello del benzene. La caratteristica fondamentale di un anello fenolico del tipo catecolo è quella di presentare 2 gruppi ossidrilici.

Attinenti alle ricerche di Zatorre, sono le parole di Daniel Levitin nel suo bel libro "Fatti di Musica":

"Ascoltare musica faceva sì che le regioni cerebrali venissero attivate in un particolare ordine. In primo luogo la corteccia uditiva per l'elaborazione iniziale delle componenti del suono. Poi le regioni frontali come BA44 e BA47, implicate nell'elaborazione della struttura musicale e delle aspettative. Infine, una rete di regioni (il sistema mesolimbico) coinvolte nell'eccitazione, nel piacere, nella trasmissione di oppioidi e nella produzione di dopamina, che culminavano con l'attivazione del nucleus accumbens... Dunque, gli aspetti di gratificazione e rinforzo dell'ascolto musicale sembrano essere mediati da un incremento dei livelli di dopamina nel nucleus accumbens...Le attuali teorie di neuropsicologia associano l'umore e l'affetto positivo a maggiori livelli di dopamina, uno dei motivi per cui molti dei più recenti antidepressivi agiscono sul sistema dopaminergico. La musica è chiaramente un mezzo per migliorare l'umore delle persone, e adesso crediamo di sapere perché. La musica sembra imitare certe caratteristiche del linguaggio per trasmettere alcune delle stesse emozioni della comunicazione verbale, ma in modo non-referenziale e non-specifico. Invoca anche alcune delle stesse regioni neurali chiamate in causa dal linguaggio, ma, molto più di quest'ultimo, la musica s'infiltra in strutture cerebrali primitive, coinvolte con la motivazione, la gratificazione e l'emozione".

Specifichiamo che il nucleus accumbens è un sistema di neuroni posto nel cervello, deputato ad elaborare sensazioni di piacere o paura e che gioca un ruolo importante nei meccanismi di rinforzo, nella risata e nella dipendenza.
Tirando le fila del discorso, la musica riesce a stimolare diverse aree del cervello umano e, qualche volta, può persino causare, come abbiamo visto, il rilascio di dopamina.
Ecco perché si può considerare la musica come una sorta di "droga", completamente benefica, al contrario delle sostanze stupefacenti.
Quindi, quando la musica trasmette emozioni o addirittura causa la "pelle d'oca", come si suol dire, allora, in quel momento, manifesta non solo la sua caratteristica di arte, caratterizzandosi come qualcosa di estremamente armonioso, una "metafisica in suoni", come la definiva Schopenhauer, ma anche quella meno evidente di scienza!
Per concludere, ecco un po' di brani musicali che protrebbero stimolare (a causa della loro immensa bellezza) il rilascio di dopamina nel vostro cervello:

- Yo-Yo Ma: Gabriel's Oboe/The Falls (Ennio Morricone):



- Yo-Yo Ma: Deborah's Theme/Cockeye's Song/Main Theme from Once Upon a Time in America (Ennio Morricone):



- George Davidson: A Time for Us:



- Celine Dion: My Way:



- Carmen Cavallaro: To Love Again (Notturno Op.9 N.2 di Chopin):



- Percy Faith: Yesterday:



- Stan Whitmire: Main Theme from Forrest Gump:



- Andre Rieu: Il Padrino Main Theme/Stranger in Paradise (dalle Danze Polovesiane di Borodin):



- Andre Rieu: Il Cigno (dal Carnevale degli Animali di Camille Saint-Saens):



- Lara Fabian: Caruso:



- Lara Fabian: Adagio (canzone tratta dall'Adagio di Tomaso Albinoni):



- Richard Clayderman: Theme from Love Story:



- Chopin: Nocturne for Violin and Piano:



- Vladimir Ashkenazy: Piano Sonata n.8 Op.13 Patetica, Adagio Cantabile (Beethoven):



- Puccini: E Lucevan le Stelle (Tosca):



- Martha Argerich: Andante Spianato Et Grande Polonaise Brillante Op. 22 (Chopin):



- Andre Rieu: The Music of the Night:

IL NUCLEO: LA SFILATA DELLE SUE ACCEZIONI SCIENTIFICHE

Il termine "nucleo", dal latino nucleus, indica generalmente la parte centrale di qualcosa, che sia un oggetto, un argomento, un problema e così via.
Infatti, per esempio, il verbo "enucleare", che deriva proprio da nucleo, significa mettere in rilievo la parte essenziale (il nucleo, appunto) di un argomento, di un problema, ecc.
Il termine nucleo, però, assume una connotazione ancor più importante nel campo della scienza.
Addentriamoci allora nelle principali accezioni di nucleo che riscontriamo nel mondo della fisica, della chimica, della geologia, dell'astronomia e della biologia.

1) NUCLEO ATOMICO

In principio era l'atomo (deriva dall'aggettivo greco á-tomos, ossia "non divisibile", "privo di parti" (dalla radice tom- di témno, "taglio", preceduta dall'álpha privativo)), l'elemento indivisibile, mattone fondamentale della materia, postulato per la prima volta da Leucippo di Mileto e Democrito di Abdera.
Per quest'ultimo, gli atomi sono identici fra loro dal punto di vista qualitativo (sono fatti della medesima materia) ma differiscono per quanto riguarda gli aspetti quantitativi (forma, dimensione, posizione).
Aggregandosi e disgregandosi essi determinano la nascita e la morte di tutte le cose e dalla posizione e dall'ordine che assumono nell'aggregato dipendono la mutevolezza e la diversità dei fenomeni osservabili.
Prima del concetto di atomo, tuttavia, diversi filosofi hanno introdotto alcuni principi originari (in greco arché) alla base della natura.
Il primo di essi fu Talete di Mileto (che ricordiamo anche in geometria per il noto Teorema di Talete).
Egli identificava come principio primordiale l'acqua, basandosi sulle osservazioni e sul buon senso che mostravano come ogni cosa vivente sia intrisa di questa sostanza, che evapora nel momento in cui sopraggiunge la morte.
Talete, probabilmente, fa riferimento anche al ruolo che l'acqua ha nella nascita dei bambini: infatti, il neonato, viene alla luce "rompendo le acque" che lo hanno custodito per 9 mesi.
La visione dell'universo di Talete doveva essere pressapoco così: all'inizio esisteva il grande Oceano, da cui è nata la vita; poi si sono originati la terra e i corpi celesti.
Tutto l'universo, alla stregua di una grande nave, fluttua sulle acque del mare.
L'acqua rappresenta pertanto il principio fondamentale, l'arché, di tutte le cose.
Ed infine, tutte le cose vi faranno ritorno quando periranno, tornando a confondersi con l'Oceano indistinto e indefinito.
Un altro filosofo, sempre di Mileto, Anassimandro, invece, individuava l'arché in una sostanza indeterminata e indefinita: l'ápeiron, che vuol dire appunto "senza confini", "sconfinato".
Anassimandro sosteneva che da tale sostanza originaria derivassero tutte le cose secondo un processo di separazione e differenziazione governato da una legge necessaria, denominata Dike (la Giustizia).
Tale separazione, nonostante sia, a detta del filosofo, la base della vita, è allo stesso tempo fonte di infelicità, poiché gli individui provano nostalgia per il "tutto originario" da cui derivano.
La separazione, infatti, rappresenta la causa della molteplicità e della differenza tra gli esseri, del loro contrasto e delle guerre.
Per sconfiggere questo male (il male della differenza che è all'origine della nascita) ogni essere vivente (non solo gli uomini) devono perire e ritornare così all'unità perduta.
Sempre di Mileto, Anassimene, identificava il principio originario con l'aria o "respiro", paragonando la vita dell'universo alla vita dell'uomo:

"Come l'anima nostra, che è aria, ci sostiene, così il soffio e l'aria circondano il mondo intero".

Dunque, secondo questa visione filosofica, tutte le cose (gli esseri viventi e persino le divinità) si generano per condensazione o rarefazione dell'aria.
Infatti, quando l'aria viene a rarefarsi diviene fuoco; quando si condensa diventa progressivamente vento, nuvola, acqua, terra, e anche pietra dura.
Nel mezzo di queste concezioni filosofiche sui principi originari della natura, si inserisce la figura emblematica di Pitagora di Samo (famosissimo per il Teorema riguardo i triangoli rettangoli che prende il suo nome).
Pitagora e i suoi discepoli, i pitagorici (che costituivano una sorta di setta segreta, dove erano ammesse anche le donne, nella quale si venerava Pitagora come una divinità) ritenevano che la vera sostanza delle cose non risiedesse nell'acqua, nell'aria o in qualsiasi altro elemento fisico come avevano congetturato i filosofi sopracitati, bensì nel numero.
Riporto la magnifica descrizione presente nel libro "La musica di Pitagora" di Kitty Ferguson a riguardo dell'importanza del concetto di numero in Pitagora e della sua strettissima relazione con la musica:

"La scoperta pitagorica che "tutte le cose che si conoscono hanno numero", poiché "senza il numero non sarebbe possibile pensare né conoscere alcunché", fu fatta in musica. È ben stabilito, come poche cose di Pitagora lo sono, che la prima legge matematica che sia mai stata formulata matematicamente fu la relazione fra l'altezza dei suoni e la lunghezza di una corda d'arpa vibrante, e che essa fu espressa dai primissimi pitagorici. Antichi studiosi, come il discepolo di Platone Senocrate, pensavano che la scoperta fosse stata fatta dallo stesso Pitagora. Al tempo di Pitagora, i musicisti accordavano da secoli strumenti a corde. Quasi tutti erano consapevoli che a volte una lira o un'arpa producevano suoni gradevoli e altre volte no. Quelli abili sapevano come produrre e accordare uno strumento così che il risultato fosse gradevole....Che cosa significa "gradevoli"? Quando gli antichi greci pensavano all'armonia, la pensavano allo stesso modo in cui l'avrebbero pensata i posteriori musicisti e amanti della musica? Le corde delle lire...non venivano pizzicate come in una chitarra moderna o suonate con un archetto come un violino. Più difficile è dire se le note venissero suonate insieme nello stesso tempo, ma gli storici di musica pensano di no. Erano le combinazioni di intervalli in melodie e scale - come suonavano le note quando si susseguivano l'una all'altra - a essere gradevoli o sgradevoli. Chiunque abbia però suonato uno strumento in cui le corde sono pizzicate, o colpite con un martelletto, sa che una corda continua a suonare a meno che non venga premuta. Anche se le corde di una lira non erano state suonate insieme in un accordo, si udiva nello stesso tempo più di un tono, e spesso vari toni, tanto più se c'era anche un'eco. Anche quando le note sono suonate in successione e poi smorzate, l'orecchio e il cervello umano hanno una memoria tonale che fa loro riconoscere armonia o dissonanza. In verità gli antichi greci, compreso lo stesso Pitagora, udivano l'armonia in entrambi i modi, fra toni suonati nello stesso tempo e toni suonati in successione. Lo strumento suonato da Pitagora era probabilmente la lira a 7 corde. La suonava con 4 delle 7 corde a intervalli fissi. Non c'era scelta su come dovessero essere quegli intervalli. I suoni più bassi e più alti delle corde a intervalli fissi erano accordati in modo che fossero separati da un'ottava. La corda di mezzo sulla lira (la quarta delle sette corde) era accordata in modo che suonasse una quarta sopra la corda più bassa, e quella successiva era accordata in modo che suonasse una quinta sopra la corda più bassa. Gli intervalli dell'ottava, della quarta e della quinta furono considerati concordanti e armonici. Sulla lira a 7 corde il musicista greco poteva regolare le altre 3 corde (la seconda, la terza e la sesta), a seconda del tipo di scala desiderata. Premendo una corda esattamente a metà fra i 2 estremi si produce un tono più alto di un'ottava rispetto a quello prodotto dalla corda libera, non premuta. Il rapporto fra queste 2 lunghezze della corda è di 2:1 e produce sempre un'ottava. L'ottava non è però una cosa che il musicista possa creare premendo la corda. Pizzicando una corda libera non premuta, la si fa vibrare nella sua interezza, cosicché essa suona la "nota fondamentale", ma varie parti della corda stanno anche vibrando indipendentemente producendo suoni "armonici". Anche senza che la corda venga premuta nel punto di mezzo per suonare un'ottava, questa è presente nel suono della corda libera. Premendo la corda si liberano toni provenienti dall'ottava, dalla quinta, dalla quarta e così via - a seconda di dove si preme - che erano stati sempre presenti nella nota fondamentale, ma più difficili da udire. La tradizione attribuisce a Pitagora l'invenzione del kanon, uno strumento con una sola corda, e il suo uso per fare esperimenti sul suono. Pitagora avrebbe trovato che le note che erano in armonia con la nota fondamentale erano quelle prodotte dividendo la corda in parti uguali. Dividendola in 2 parti uguali si produceva una nota più alta di un'ottava rispetto alla corda non premuta. Se si premeva in modo da dividerla in 3 parti uguali, la corda suonava una nota di una quinta sopra l'ottava; se la si divideva in 4 parti uguali suonava una quarta sopra l'ottava....Quando Pitagora e i suoi discepoli videro che certi rapporti di lunghezza di corde producevano sempre l'ottava, la quinta e la quarta, balenò nella loro mente l'idea che dietro la bellezza che essi udivano nella musica doveva esserci una regolarità nascosta....Regolarità aritmetiche e geometriche simili dovevano celarsi dietro tutta la quotidiana confusione e complessità della natura. Nell'universo c'era ordine, e quest'ordine era fatto di numeri."

Ad illustrare tali concetti in maniera divertente e simpatica ci pensa anche la Disney con l'eccezionale episodio animato "Paperino nel mondo della matemagica":



Prima di ritornare al nucleo centrale della nostra trattazione, ossia l'atomo e in particolare, il suo nucleo, dobbiamo citare altre 2 concezioni filosofiche fondamentali sui principi originari della natura.
In primis, c'è Eraclito di Efeso: della sua unica opera, probabilmente intitolata Intorno alla natura, ci restano solo frammenti.
Da essi si desume una visione dell'universo basata sull'idea che nel mondo non ci sia nulla di immobile: tutto muta incessantemente.
A detta di Eraclito, ad esempio, non è possibile bagnarsi 2 volte nello stesso fiume, dal momento che le sue acque si rinnovano costantemente.
Il tutto si può ricondurre al celebre aforisma pánta rei, cioè "tutto scorre".
L'antitesi di Eraclito è rappresentata da Parmenide di Elea, con la sua concezione dell'essere: l'essere è, e non può non essere, mentre il non essere non è, e non può essere.
Tutto ciò significa che solamente l'essere esiste e che il non essere, non solo non esiste, ma non può essere nemmeno pensato.
L'essere, poi, possiede diverse caratteristiche: esso è:

- ingenerato e imperituro: infatti, se nascesse, dovrebbe derivare da ciò che non è; ma nulla può derivare da ciò che non esiste: pertanto l'essere non può nascere;
- eterno;
- immutabile e immobile;
- finito: secondo la mentalità greca la perfezione non è data dall'infinità, bensì dal finito. Da questo punto di vista Parmenide ci fornisce ulteriori informazioni: infatti afferma che l'essere è una sfera, perfettamente omogenea e identica a se stessa in ogni parte.

Abbiamo analizzato, dunque, diverse concezioni filosofiche sulla natura delle cose, ideate dai filosofi greci.
Ebbene, in questa variegata lista di arché arriva il già citato atomo, portato alla notorietà, in particolare, da Democrito.
Con il concetto di atomo, Democrito è riuscito a conciliare le antitetiche posizioni di Parmenide ed Eraclito, ammettendo che un elemento dotato di assoluta immobilità (l'atomo) ma allo stesso tempo concependo la molteplicità e il divenire.
La teoria atomistica viene successivamente seguita e implementata da Epicuro e da Lucrezio, che nel libro I del De rerum natura presenta proprio la dottrina degli atomi.
Nel libro II, inoltre, Lucrezio riprende la trattazione del movimento e delle combinazioni degli atomi, rese possibili dal clināmen, ossia dalla deviazione o inclinazione che interviene a modificare le traiettorie verticali secondo cui gli atomi si muovono nel vuoto.
Questo concetto di atomo, che ha le sue radici nell'antichità classica, si sviluppa e diventa uno dei pilastri della scienza moderna.
Oggi sappiamo che l'atomo è un qualcosa di reale, che esistono differenti atomi (gli elementi chimici della tavola periodica) che vanno poi a costituire molecole, e queste vanno a loro volta a determinare strutture più complesse, come DNA, cellule, fino ad arrivare a pianeti, stelle, galassie e così via.
L'atomo, come noto, è formato da:

- protoni;
- neutroni;
- elettroni.

Quindi, esso è costituito da un nucleo (comprendente protoni e neutroni, tenuti assieme dal collante fornito dall'interazione nucleare forte, attraverso i gluoni), circondato dagli elettroni che orbitano nelle regioni, nuvole di spazio, chiamate orbitali.
Ma chi scoprì i costituenti del nucleo atomico?
Alla scoperta del protone giunse Eugene Goldstein nel 1886, usando un tubo a raggi catodici, con catodo forato.
Alla pressione di 0,000001 atm, oltre ai normali raggi catodici, si generavano dietro al catodo radiazioni con movimento opposto rispetto a quello dei raggi catodici, che vennero denominate raggi positivi o raggi canale.
Esse rendevano fluorescente il vetro al fondo del tubo ed erano deflesse verso il polo negativo di un secondo campo elettrico perpendicolare a quello presente nel tubo.
Tali radiazioni erano pertanto costituite da particelle di carica positiva e possedevano massa diversa a seconda del gas presente nel tubo.
La particella con massa minima venne riscontrata nel caso specifico dell'idrogeno.
Quest'ultima fu allora considerata costituente fondamentale di tutti gli atomi.
Ernest Rutherford, successivamente, la chiamò protone.
La scoperta del neutrone avvenne, invece, nel 1932, per merito di James Chadwick.
Con la scoperta del neutrone il quadro dell'atomo era stato completato.
La storia non finisce qui: abbiamo visto che l'atomo, al contrario di quanto ritenuto dagli antichi, è strutturato internamente da protoni, neutroni ed elettroni; ma poi protoni e neutroni, a loro volta, sono suddivisibili in particelle ancora più elementari: i quark.
Ed inoltre, i quark non sono le uniche particelle elementari: ne esistono di innumerevoli, come neutrini, muoni, bosoni e così via.
Dunque la concezione comune che un non addetto ai lavori ha dell' atomo, con il suo nucleo e i suoi elettroni che gli orbitano attorno, come i pianeti che girano intorno al Sole, non è sufficiente a spiegare precisamente la natura microscopica della materia.
Pertanto, possiamo affermare che in realtà il nucleo atomico, alla fine, non è l'unità fondamentale della natura, l'arché degli antichi, in quanto, oramai, la prospettiva della fisica atomica e subatomica si è allargata in maniera considerevole.
Se poi in questo quadro ci inseriamo anche la stravagante, ma non verificata Teoria delle Stringhe, allora queste ultime potrebbero concorrere al ruolo di unità fondamentali dell'Universo.

2) NOCCIOLO DI UN REATTORE NUCLEARE A FISSIONE

La parte fondamentale di un reattore a fissione nucleare è il nucleo o nocciolo.
Per una descrizione delle sue caratteristiche e delle reazioni nucleari in generale, vi rimando all'articolo Reazioni Nucleari.
Comunque, la questione delle centrali nucleari a fissione è di stretta attualità: il Giappone è stato colpito l'11 marzo 2011 da un devastante terremoto di magnitudo 9, con conseguente tsunami.
L'unione di questi 2 fenomeni estremi ha provocato migliaia di vittime e danni ingentissimi: purtroppo, però, le catastrofi naturali hanno causato gravi problemi ai reattori nucleari della centrale di Fukushima.
Come si suol dire: piove sul bagnato!
Ebbene, c'è stata la fuga di sostanze altamente radioattive e forse anche la fusione del nocciolo del reattore.
Da sottolineare il fatto che si parla di fusione del nocciolo di un reattore a fissione nucleare e non di fusione nucleare, che indica invece il processo, completamente diverso, che avviene nel nucleo delle stelle, e anche del nostro Sole.
Le centrali nucleari a fusione sono ancora in fase di sperimentazione.
Comunque, l'incidente di Fukushima è stato classificato sulla scala degli incidenti nucleari alla posizione 5 su un massimo di 7 (che corrisponde all'evento di Chernobyl), anche se la valutazione dell'evento potrebbe essere modificata a seconda di come procede la suddetta situazione.
Tale scala è denominata scala INES (International Nuclear Event Scale): ecco la pagina wikipedia dove vi sono informazioni approfondite su tale scala.

3) NUCLEO CELLULARE

Come noto, le cellule si dividono principalmente in:

- procarioti: prive di un nucleo distinto;
- eucarioti: presentano, al contrario, un nucleo.

Anzi, negli eucarioti riscontriamo il nucleo e il nucleolo:

• nucleo: organello delimitato da una doppia membrana interrotta da pori, i quali consentono sia il passaggio di ioni e macromolecole, sia l'interazione tra il nucleo e il citoplasma cellulare che lo circonda;
• nucleolo: rappresenta la parte più attiva del nucleo che, nelle preparazioni istologiche, si colora in modo evidente. In esso si trovano ingenti quantità di proteine enzimatiche e acidi nucleici necessari alla lettura e trascrizione della doppia elica: infatti, qui, a partire dal DNA, si sintetizzano i vari tipi di RNA, ossia gli acidi nucleici che mediano e promuovono la sintesi delle proteine:

- RNA messaggeri (mRNA);
- RNA ribosomiali (rRNA);
- RNA transfer (tRNA).

Nel nucleo si trova:

• tutta la storia biologica della cellula e dell'organismo a cui essa appartiene;
• l'informazione genetica che guida lo svilupppo embrionale e che stabilisce il tipo di specializzazione, la durata della vita e la capacità riproduttiva di ciascuna cellula.
  

Ogni informazione viene codificata nel DNA: come nell'alfabeto Morse la successione di punti e linee trasmette un messaggio completo ed articolato, allo stesso modo la successione delle basi azotate costituenti il DNA determina ogni caratteristica cellulare e dunque dell'intero organismo.

4) NUCLEO TERRESTRE

La Terra è suddivisa internamente in:

- Crosta;
- Mantello;
- Nucleo.

Poi, la crosta si può suddividere ancora in:

- Crosta continentale;
- Crosta oceanica.

Il mantello si può suddividere in:

- Mantello superiore;
- Mantello inferiore.

Il nucleo (costituito principalmente di ferro) si può dividere in:

- nucleo esterno (liquido): ha una temperatura che può arrivare a 3500 °C. Risulta composto principalmente di ferro, silicio e nichel;
- nucleo interno (solido): la sua temperatura può raggiungere i 5000 °C. È costituito prevalentemente da ferro e nichel.

Tutti questi strati sono separati da specifiche discontinuità:

- discontinuità di Conrad: separa la crosta continentale da quella oceanica;
- discontinuità di Mohorovičić o Moho: separa la crosta dal mantello;
- discontinuità di Dahn: separa il mantello superiore e da quello inferiore;
- discontinuità di Gutemberg: separa il mantello dal nucleo;
- discontinuità di Lehmann: separa il nucleo esterno e da quello interno.

Inoltre, il nucleo esterno liquido, con i suoi intensi moti convettivi, genera l'importante campo magnetico terrestre o magnetosfera, che ci protegge dal vento solare.
Il campo magnetico terrestre è simile a quello che sarebbe prodotto da una gigantesca barra magnetica leggermente inclinata rispetto all'asse di rotazione della Terra.

5) NUCLEO DEL SOLE

Il Sole è strutturato in questo modo:

- Corona: è considerata l'alta atmosfera solare ed è caratterizzata da una temperatura in rapida crescita, che può raggiungere i 5 milioni di gradi kelvin. Si può osservare da terra, anche ad occhio nudo, solo durante le eclisssi solari;
- Cromosfera ("sfera di colore"): è considerata la bassa atmosfera solare. È uno strato di plasma che raggiunge temperature fino a mezzo milione di gradi kelvin. La cromosfera appare rosata durante le eclissi;
- Fotosfera ("sfera della luce"): Ha uno spessore di appena 400 km e una temperatura di circa 6000. K. Rappresenta la "superficie solare" a cui ci si riferisce quando si parla di "diametro solare". Inoltre, è anche il luogo nel quale si manifestano i fenomeni solari più conosciuti e studiati, cioè le macchie e la granulazione;
- regione convettiva: si estende per 250.000 km circa. La temperatura è dell'ordine di 600.000 gradi kelvin. In questa zona l'energia si trasmette nel plasma attraverso correnti convettive ad alta velocità che "rimescolano" ininterrotamente la materia solare;
- zona radiativa: estesa fino a 450.000 km dal centro del Sole, ha uno spessore di circa 300.000 km. La temperatura è dell'ordine di 4 milioni di gradi. Qui l'energia si trasmette attraverso il plasma soltanto per radiazione, in una catena di assorbimenti e riemissioni;
- nucleo o core: ha un raggio di circa 150.000 km. In tale zona è concentrato circa il 40% dell'intera massa solare. La densità è massima (mediamente si aggira intorno a 160 g/cm³). La pressione raggiunge i 30 bilioni di kPa e la temperatura i 15 milioni di gradi kelvin! Date le estreme condizioni di temperatura e pressione, in questo luogo possono innescarsi spontaneamente le reazioni nucleari di fusione dell'idrogeno in elio.

P.S: Visto che abbiamo trattato le relazioni importanti tra musica e matematica scoperte dai pitagorici, è venuto il momento di fornire una bella carrellata di buona musica:

• Ennio Morricone - Giù la testa theme:

• Chopin - Polonaise op. 53 n.6 Heroic (Vladimir Ashkenazy):

• Pink Martini - Bolero:

• George Davison - A time for us (da Romeo & Giulietta):

• Richard Hayman - Holiday for strings:

• Louis Armstrong - When you're smiling:

• Felix Mendelssohn - Spring Song:

• Andre Rieu - The third man:
  

• Percy Faith - Yesterday:

FARADAY E L'ELETTROLISI

INTRODUZIONE:

Se immergiamo in acqua distillata 2 elettrodi (2 conduttori metallici collegati uno al polo positivo e l'altro al polo negativo di un generatore di corrente), e inseriamo nel circuito una lampadina, quest'ultima non si accende.
Ma se sciogliamo nell'acqua una piccola quantità di sale (ad esempio sale da cucina, ossia cloruro di sodio, NaCl), o di un acido (per esempio acido solforico, H2SO4), oppure di una base (ad esempio idrossido di sodio, NaOH) allora la lampadina "magicamente" si accenderà.
Perché?
Risposta: perché, come constatato da Michael Faraday, l'acqua pura è una sostanza isolante, mentre unita con le sostanze sopracitate si trasforma in un buon conduttore di elettricità.
Ricordiamo che:

- i conduttori: lasciano passare liberamente le cariche elettriche;
- gli isolanti o dielettrici: non permettono il passaggio di cariche elettriche.

Tutte le sostanze che, mescolate all'acqua, fanno sì che essa diventi un buon conduttore, vengono dette elettroliti.
Le loro soluzioni in acqua sono denominate soluzioni elettrolitiche.
Inoltre, per le soluzioni elettrolitiche vale la prima legge di Ohm (a patto che la temperatura della soluzione non diventi troppo alta):

i = ΔV/R

dove:

- i = intensità di corrente elettrica: si misura in ampere (A);
- ΔV = differenza di potenziale: si misura in volt (V);
- R = resistenza: si misura in ohm (Ω).

Ritornando alle soluzioni elettrolitiche, un cristallo di NaCl è costituito da ioni positivi Na⁺ e ioni negativi Cl^-, che si alternano in una struttura regolare.
Poiché, come stabilito dalla legge di Coulomb, la forza elettrica è inversamente proporzionale alla costante dielettrica relativa del mezzo in cui sono immerse le cariche, nell'acqua, la cui costante dielettrica relativa è εr = 80, l'attrazione tra gli ioni positivi e quelli negativi di NaCl è 80 volte più debole che nell'aria (che ha εr = 1).
A causa del moto di agitazione termica, dunque, gli ioni si staccano dal cristallo e si separano l'uno dall'altro.
Tale processo, che avviene non solo nelle soluzioni di NaCl, ma in tutte le soluzioni elettrolitiche, viene chiamato dissociazione elettrolitica.

L'ELETTROLISI:

In una soluzione elettrolitica nella quale siano immersi 2 elettrodi carichi, gli ioni positivi sono attratti dall'elettrodo negativo, detto catodo, e quelli negativi dall'elettrodo positivo, chiamato anodo.
La corrente elettrica che attraversa la soluzione è pertanto dovuta al moto di cariche di entrambi i segni.
Il movimento ordinato degli ioni disciolti, provocato dal campo elettrico sussistente esternamente agli elettrodi, è denominato elettrolisi.
Il recipiente che contiene la soluzione elettrolitica, la soluzione stessa e gli elettrodi collegati al generatore, nel loro insieme, rappresentano la cella elettrolitica (o elettrolizzatore).
Una cosa importante: il generatore della cella elettrolitica DEVE erogare corrente continua, in quanto, se la corrente fosse alternata, gli elettrodi cambierebbero continuamente polarità.
Gli ioni che giungono sugli elettrodi di una cella elettrolitica neutralizzano la loro carica:

• quelli positivi sottraggono elettroni al catodo;
• quelli negativi cedono elettroni all'anodo.

Nel caso specifico del NaCl abbiamo tale reazione di ossido-riduzione (redox):

Na⁺ + 1e^- → Na REAZIONE CATODICA (-)
Cl^- → (1/2)Cl2 + 1e^- REAZIONE ANODICA (+)

La somma delle reazioni catodica e anodica corrisponde alla trasformazione complessiva che si verifica durante l'elettrolisi:

Na⁺Cl^- → Na + (1/2)Cl2

Gli atomi neutri o le molecole risultanti da questo processo, a seconda della natura della soluzione e del materiale di cui sono fatti gli elettrodi possono:

• fuoriuscire allo stato gassoso dalla soluzione;
  
• depositarsi sugli elettrodi;
• subire reazioni chimiche.

Fra le svariate applicazioni dell'elettrolisi spicca la galvanoplastica, processo che consiste nel ricoprire uno stampo di materiale conduttore con un metallo pregiato (argento, nichel, cromo, cadmio, ecc.).
Per far depositare il metallo sulla superficie dello stampo, si usa lo stampo alla stregua di un elettrodo e un sale del metallo come elettrolito.
Sussistono 2 importanti leggi, formulate da Michael Faraday, inerenti l'elettrolisi.
Prima di spingerci nei meandri di tali leggi, andiamo a scoprire un po' meglio la figura di Michael Faraday.

MICHAEL FARADAY:

Michael Faraday nasce il 22 settembre 1791 a Newington Butts (villaggio che ora fa parte di Londra), da una famiglia di lavoratori manuali, privi di cultura e piuttosto poveri.
Michael riceve un'istruzione rudimentale e all'età di 13 anni viene messo a far pratica presso un libraio, cartolaio e rilegatore di libri.
Tuttavia, oltre a rilegare libri, il giovane li legge anche!
Un giorno, uno dei clienti lo nota e gli fornisce i biglietti d'ingresso alla Royal Institution, per assistere alle lezioni del chimico Humphry Davy.
Così, in pochissimo tempo, Faraday entra a far parte del personale della Royal Institution.
Nel 1813 Sir Humphry e Lady Davy decidono di organizzare un viaggio nel continente, facendosi accompagnare proprio da Faraday in veste di segretario, ma affidandogli anche gli incarichi più umili.
Il viaggio si protrae per 18 mesi, estendendosi dalla Francia all'Italia, alla Svizzera, alla Germania e al Belgio, ed è di fondamentale importanza per l'educazione del giovane.
In primis, egli incontra molti scienziati illustri, tra cui:

- Volta;
- Ampère;
- Gay-Lussac;
- Arago, ecc.

Alcune di queste eminenti personalità riconoscono il valore del modesto giovane.
Infatti, l'attività scientifica di Faraday è magnifica.
Per qualche anno dopo il ritorno dal viaggio europeo si occupa dell'analisi chimica pratica e delle mansioni di dipendente della Royal Institution, fra cui è compresa l'assistenza alle ricerche svolte dallo stesso Davy.
È incredibile pensare che alla fine della sua carriera, ossia intorno al 1860, gli appunti di laboratorio di Faraday contenevano più di 16.000 annotazioni di osservazioni, rigorosamente numerate in successione e raccolte in volumi in cui l'autore si dilettava a porre in evidenza la sua originaria abilità di rilegatore.
Tali annotazioni, assieme ad altre centinaia, sia precedenti che successive ai tomi che egli stesso rilegò, sono state raccolte e costituiscono la base delle celeberrime Experimental researches in electricity (Ricerche sperimentali sull'elettricità).
Questa è una lista di alcuni degli innumerevoli argomenti su cui Faraday ha compiuto minuziose ricerche:

- leghe dell'acciaio;
- composti del cloro e del carbonio;
- rotazioni elettromagnetiche;
- liquefazione dei gas;
- vetri ottici;
- scoperta del benzene (1825);
- induzione elettromagnetica;
- identità dell'elettricità proveniente da varie fonti;
- decomposizione elettrochimica;
- elettrostatica e dielettrici, ecc.

Tra queste "infinite" ricerche spicca, oltre alla notissima induzione elettromagnetica, una scoperta molto importante nel campo della chimica organica, cioè quella del benzene.
Quando lo scoprì, Faraday non si rese conto della sua futura importanza né, naturalmente, della sua singolare architettura molecolare.
Un'interessante descrizione relativa al benzene e alla leggendaria scoperta della sua struttura si riscontra nell'articolo Il sogno di Kekulé del blog Popinga.
Ritornando a Faraday, il suo periodo più fecondo è quello che va dal 1830 al 1839: infatti, in tali anni, egli fu il principale creatore della moderna elettricità.
I suoi studi approfonditi lo portarono alla scoperta di quelle che oggi chiamiamo, appunto, leggi di Faraday per l'elettrolisi:

1° LEGGE DI FARADAY

La prima legge riguarda la relazione tra la quantità di carica elettrica trasportata attraverso una cella elettrolitica e la quantità della sostanza che si libera allo stato gassoso in prossimità di un elettrodo o che su di esso forma un deposito solido.
Ecco la prima legge:

La massa della sostanza che si libera presso un elettrodo in un certo intervallo di tempo è direttamente proporzionale alla carica elettrica che nello stesso tempo, attraverso la soluzione, è giunta allo stesso elettrodo.

La relazione tra quantità di materiale depositato sugli elettrodi e quantità di cariche passate nella cella elettrolitica permette una taratura di precisione di tutti gli strumenti di misura della carica e della corrente elettrica.
Si va a definire così anche un'unità di misura particolare, detta Coulomb internazionale (Cint), che rappresenta la quantità di carica elettrica il cui passaggio in una cella elettrolitica a nitrato d'argento, con anodo d'argento e catodo di platino, fissa sul catodo una quantità di materiale pari a 1,118 mg di argento.

2° LEGGE DI FARADAY

In 2 o più celle elettrolitiche contenenti soluzioni elettrolitiche differenti e collegate in serie tra loro, le masse delle sostanze che si raccolgono presso gli elettrodi sono direttamente proporzionali ai rispettivi equivalenti chimici.

Specifichiamo che l'equivalente chimico di una sostanza è il rapporto tra il suo peso atomico (o molecolare) espresso in grammi e la sua valenza (numero di elettroni che concorrono alla formazione di legami chimici, che rappresentano i più lontani dal nucleo atomico).
Per avere una formula complessiva che riassuma entrambe le leggi, supponiamo che, nell'intervallo di tempo in cui una cella elettrolitica è attraversata da una carica q, su uno dei suoi elettrodi pervengano N ioni di un elemento avente numero di valenza z.
Sapendo che la massa in grammi di un singolo atomo è data dal rapporto fra la massa M di una mole della sostanza e il numero di Avogadro NA (= 6,022 x 10²³ particelle), allora possiamo esprimere la massa complessiva m che si libera o si deposita presso l'elettrodo nella forma:



Inoltre, poiché ogni ione scambia con l'elettrodo, in valore assoluto, una carica z e (carica elementare), si può scrivere:

q = N z e

Combinando le 2 formule precedenti otteniamo l'equazione che compendia le 2 leggi di Faraday:



Per un dato elemento chimico, ossia per z ed M fissati, tale equazione indica, in accordo con la prima legge, che m è direttamente proporzionale a q.
Se, al contrario, si considera costante la carica q, allora essa mostra, in accordo con la seconda legge, che m è direttamente proporzionale al rapporto M/z, cioè all'equivalente chimico.

IL RAPPORTO LUCE-OSCURITÀ NELLA SCIENZA

Il rapporto luce-oscurità, da sempre sinonimo di relazione e contrasto tra bene e male, è una tematica che va a sfociare in variegati modi nel meraviglioso e sublime mondo della scienza.
Prima di entrare nei meandri della scienza, andiamo ad analizzare tale rapporto in linea generale.
Come abbiamo detto, la relazione luce-oscurità è sinonimo di contrasto tra bene e male: basta pensare alla Divina Commedia di Dante Alighieri e abbiamo subito chiaro questo confronto:

- l'Inferno dantesco è dominato dal buio pesto, dalla cosiddetta "aere sanza stelle", in cui Dante si ritrova soffocato. Nell'Inferno troviamo collocati i peccatori in 9 cerchi, alcuni suddivisi in gironi o in bolge, che vanno via via restringendosi. Dunque i peccatori sono disposti secondo una sorta di classifica (seguendo l'etica di Aristotele), in base alla tipologia di peccato: nei cerchi in alto riscontriamo i peccati minori, che diventano sempre più gravi fino ad arrivare al culmine, ossia al luogo dove risiede Lucifero, un gigantesco mostro dalle ali di pipistrello e dotato di 3 teste. Nelle sue 3 bocche egli strazia Bruto e Cassio (i cesaricidi) più Giuda (traditore di Cristo). Inoltre, uno studio approfondito delle caratteristiche dell'Inferno dantesco è stato compiuto dal padre della scienza moderna, non altri che Galileo Galilei. Egli, nel 1588, a 24 anni, tiene 2 lezioni sulla configurazione, la collocazione e le dimensioni dell'Inferno. Galileo arriva a stabilire persino la grandezza di Lucifero: sarebbe di 2000 braccia, nell'ipotesi che l'altezza di Dante sia di 3 braccia, secondo quanto si può supporre da quello che scrivono i suoi biografi;
- il Paradiso, al contrario, risplende di luce ed è costituito principalmente dai cieli dei vari pianeti (disposti naturalmente secondo i precetti del sistema aristotelico-tolemaico, d'altronde Copernico non era ancora nato quando Dante scrisse la Divina Commedia!). Tale descrizione dell'ambiente celeste è stata poi ripresa anche dal Somnium Scipionis, ossia il finale del VI libro del De republica di Cicerone. In esso, Scipione Emiliano vi racconta un sogno in cui gli era apparso l'avo adottivo, Scipione l'Africano, il quale, dopo avergli predetto le future imprese gloriose e la morte prematura, gli aveva mostrato lo spettacolo magnifico delle sfere celesti. Ritornando a Dante, nel Paradiso sono sistemate tutte le anime delle buone persone, fino ad arrivare, spingendosi verso l'alto, all'Empireo, nel quale risiede Dio.

Pertanto riscontriamo pure questo rapporto che sussiste tra l'alto e il basso, non solo in senso prettamente fisico, ma anche di linguaggio.
Infatti Dante, nel Paradiso, adotta un linguaggio curato, raffinato, aulico, pieno di latinismi, mentre nell'Inferno, domina un linguaggio volgare: tutto questo in linea di massima, sempre con le dovute eccezioni.
Riassumendo il tutto, sussistono dunque le seguenti complesse relazioni:

• Paradiso-luce-bene-alto-linguaggio elevato;
• Inferno-oscurità-male-basso-linguaggio volgare.

Bando alle ciance, adesso cominciamo l'esplorazione del rapporto luce-oscurità nel campo scientifico!

QUANDO L'UNIVERSO DIVENTÒ VISIBILE

Prima del Big Bang non c'era nulla, nè spazio nè tempo; dopo questo evento si è formato tutto il cosmo che conosciamo: in questo contesto, però, ci interessa sapere quando l'Universo è diventato veramente visibile.
Una magnifica descrizione di questo avvenimento è presente in "Origini. Quattordici miliardi di anni di evoluzione cosmica" di Neil deGrasse Tyson e Donald Goldsmith:

"All'inizio di tutto, quando l'Universo esisteva solo da una frazione di secondo, alla temperatura mostruosa di 1000 miliardi di gradi, e risplendeva di una luce inimmaginabile, l'unica attività nel suo ordine del giorno era l'espansione. A ogni istante che passava, mano a mano che lo spazio appariva dal nulla, l'Universo diventava più grande. Espandendosi, l'Universo si raffreddava e diventava meno luminoso. Per centinaia di migliaia di anni la materia e l'energia coabitarono in una specie di densa zuppa piena di elettroni veloci che collidevano continuamente con i fotoni, diffondendoli in ogni direzione. Se la vostra missione fosse stata quella di scrutare attraverso il cosmo di quell'epoca, avreste fallito. Tutti i fotoni diretti verso di voi sarebbero stati deviati da qualche elettrone proprio di fronte al vostro naso, pochi nanosecondi o picosecondi prima di entrare nei vostri occhi. Avreste visto solamente una sorta di nebbia luminosa in ogni direzione, e ogni cosa intorno a voi sarebbe stata altrettanto luminosa, traslucida, con sfumature bianche e rossastre, brillante quasi quanto la superficie del Sole. Con l'espansione ulteriore dell'Universo l'energia trasportata da ogni fotone diminuì. Quando, infine, il giovane cosmo raggiunse il suo trecentottantamillesimo compleanno, la sua temperatura era scesa al di sotto di 3000 gradi, con il risultato che i protoni e i nuclei di elio furono in grado di catturare permanentemente gli elettroni, facendo così apparire gli atomi. Se in precedenza ogni fotone aveva abbastanza energia per liberare gli elettroni dagli atomi appena formati, con l'espansione cosmica tale capacità era venuta meno. Così, essendo diminuiti gli elettroni liberi in grado di mettere i bastoni tra le ruote, i fotoni potevano finalmente sfrecciare nello spazio senza sbattere in continuazione contro qualcosa. È a questo punto che l'Universo divenne trasparente, la nebbia si sollevò e un fondo cosmico di luce visibile ottenne la libertà. Questo fondo cosmico, residuo della luce di un Universo primordiale abbacinante e sfrigolante, esiste tuttora, onnipresente".

MATERIA ORDINARIA-MATERIA OSCURA-ENERGIA OSCURA

Dopo il magnifico sviluppo della scienza e, dunque, dell'astronomia nel corso degli ultimi 400 anni, si potrebbe pensare che ormai conosciamo quasi perfettamente il nostro Universo.
In realtà non è così: è vero che l'Universo è stato osservato da telescopi (terrestri o spaziali), anche molto potenti, come l'Hubble, che ci ha mostrato la serie "infinita" delle galassie che contiene; tuttavia tutta questa materia visibile è circondata da qualcosa di ancora oscuro, misterioso: stiamo parlando di 2 componenti, ossia materia oscura ed energia oscura.
La presenza della materia oscura è stata ipotizzata in quanto la massa della materia ordinaria (pianeti, stelle, galassie, ecc.) non poteva spiegare in maniera soddisfacente il valore della gravità.
Infatti, nel 1933 l'astronomo Fritz Zwicky, studiando gli ammassi di galassie (insiemi, gruppi costituiti da diverse galassie, legate insieme dall'attrazione gravitazionale), notò che il valore di gravità negli ammassi era decisamente superiore al valore di gravità previsto considerando la materia visibile.
Nasceva così la questione della "massa mancante", che venne poi denominata appunto materia oscura.
L'appellativo "oscura" è stato dato poiché questo singolare tipo di materia non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica, mostrando soltanto i suoi effetti gravitazionali.
Il nome materia oscura è più preciso rispetto a "massa mancante", perché non è la massa che non c'è, bensì la luce di questa specifica massa.
La materia oscura va ad occupare il 23% circa dell'Universo: il ciò significa che è oltre 4 volte più abbondante rispetto alla materia ordinaria, che ne occupa solo il 5%.
E il restante 72%?
Beh, questo 72% è ancora più oscuro della materia oscura: è una forma di misteriosa energia che causerebbe il progressivo aumentare della velocità di espansione dell'Universo (ricordiamo che era stato Edwin Hubble nel 1929 a scoprire che le galassie si allontanavano tra di loro e aveva enunciato una legge, nota come Legge di Hubble: v = H0d, dove v = velocità di allontamento, H0 = costante di Hubble, che vale 74 km/s per Megaparsec, d = distanza tra 2 galassie): trattasi di energia oscura.
A questo punto, la domanda che un tempo gli scienziati e gli astronomi si ponevano, cioè "da che cosa è costituito l'Universo?" si è trasformata essenzialmente in:

- che cos'è la materia oscura?
- che cos'è l'energia oscura?

La materia ordinaria, ormai, è conosciuta molto profondamente: comprendiamo la struttura atomica, un mondo variegato di particelle e subparticelle, pianeti, stelle, galassie, ammassi di galassie, superammassi di galassie, forse persino buchi neri, ma la risoluzione definitiva a queste 2 domande rimane, per il momento, ignota.
Esistono solamente ipotesi su cosa siano materia oscura ed energia oscura, non certezze.
Ma d'altronde, difficilmente si arriverà a una spiegazione onnicomprensiva e completa di tutti i fenomeni dell'Universo.
Ricordiamoci che un certo Kurt Gödel, uno dei più grandi logici di sempre, se non il più grande, nel 1931, aveva enunciato 2 teoremi, i cosiddetti teoremi di incompletezza o indecidibilità, che pongono dei limiti alla matematica, e dunque, a tutta la scienza che si basa su di essa.
Possiamo affermare che si può tendere soltanto asintoticamente alla verità assoluta, magari avvicinandosi moltissimo a essa, ma non toccandola in nessun modo, allo stesso modo della velocità della luce.
Un po' di oscurità rimane, ed è proprio questa oscurità che spinge gli scienziati a ricercare e scavare sempre più nel profondo per comprendere al meglio il nostro Universo.
Questa è la scienza: continua ricerca e meraviglia!

CHE COS'È LA LUCE E COME È COMPOSTA?

La base del rapporto luce-oscurità non è altro che la luce (il termine deriva dal latino lux-lucis, ossia "luce", "brillantezza").
Ma cos'è la luce?
Sembra una domanda banale, ma non lo è.
I filosofi greci del V-VI secolo si posero il problema della visione e non della natura della luce.
Essi cercavano di rispondere alla domanda: come si fa a vedere?
Ebbene, alcuni pensavano che i nostri occhi emettessero raggi in grado di farci vedere o che gli oggetti rilasciassero questi raggi verso i nostri occhi, o entrambe le soluzioni contemporaneamente.
La natura della luce fu ricercata per la prima volta, solo nel XVII secolo da Newton, mediante il famoso esperimento in cui ha sottoposto un prisma trasparente a un raggio di Sole.
Egli osservò che la luce del Sole si scomponeva nei colori dell'arcobaleno, scoprendo in questo modo lo spettro elettromagnetico.
Infatti la luce visibile rappresenta la porzione di spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano.
Stiamo parlando di una lunghezza d'onda compresa tra circa 400 e 700 nanometri, che corrisponde a una frequenza tra 750 e 430 THz (terahertz).
L'occhio umano può percepire soltanto la radiazione che ha parametri di frequenza e lunghezza d'onda di questo ordine: le restanti porzioni dello spettro non sono visibili a occhio umano:

- onde radio;
- microonde;
- infrarosso;
- ultravioletto;
- raggi X;
- raggi gamma.

I nostri occhi, quindi, ci fanno rimanere all'oscuro su gran parte della radiazione elettromagnetica.



Dettò ciò, c'è un'ulteriore domanda a cui è necessario rispondere: la natura della luce è ondulatoria o corpuscolare?
Alcuni scienziati, tra cui lo stesso Newton, pensavano che la luce fosse composta da particelle o corpuscoli, mentre altri, come Christian Huygens, sostenevano che la luce, in realtà, è un'onda che si propoga in un mezzo, che veniva detto etere.
Chi aveva ragione? Newton o Huygens?
La risposta: tutti e 2.
Sembra assurdo ma è così: la luce è un dualismo onda-corpuscolo, così come lo sono tutte le particelle, come stabilito da Louis de Broglie nel 1924.
Pertanto, in alcuni esperimenti la luce si comporta come se fosse composta da particelle, altre volte, assume la conformazione ondulatoria.
La fusione di questi 2 elementi (onda e particella), che a prima vista sembrano antitetici, è opera della stramba e pazza Meccanica Quantistica.

BUCHI NERI

Forse nessun altro fenomeno può riassumere meglio il concetto di "oscurità" dei buchi neri: essi sono denominati "neri" proprio perchè risucchiano tutta la luce, lasciando intorno ad essi soltanto oscurità.
Perchè i buchi neri risucchiano la luce? essa non dovrebbe essere così veloce da sfuggire all'attrazione gravitazionale di un buco nero, visto che la massima velocità raggiungibile è proprio quella della luce nel vuoto (circa 300.000 km/s)?
La risposta, ovviamente, è no: i buchi neri possiedono una velocità di fuga pari a quella della luce!
La velocità di fuga è infatti quella velocità che è necessario raggiungere affinché si voglia sfuggire all'attrazione gravitazionale di un dato corpo.
Se un buco nero ha velocità di fuga pari a quella della luce, e la luce è la cosa più veloce che esista, ne consegue che nulla può sfuggire ad un buco nero!
Possiamo concludere che dunque la luce è un elemento fondamentale per la scienza, in quanto ci permette di osservare i fenomeni e gli oggetti, ed è indissolubilmente legata all'oscurità, in quanto quest'ultima è assenza di luce, in senso fisico, ma, a volte, anche metaforico.
I concetti di luce e oscurità sono allo stesso tempo quotidiani, come il giorno e la notte, e complessi, come abbiamo avuto modo di capire.
Se abbiamo approfondito le nostre conoscenze sull'Universo, su cui gli antichi erano quasi totalmente all'oscuro, è merito degli scienziati che, con i loro studi, il loro impegno e la loro passione, ci hanno fatto vedere il mondo sotto una prospettiva più completa e stupefacente.

P.S: adesso una carrellata di brani musicali inerenti luce, oscurità, notte, giorno:

- Artie Shaw: Dancing in the Dark



- Ella Fitzgerald with Duke Ellington & his orchestra: I'm beginning to see the light



- Glenn Miller: Moonlight Serenade



- Randy Brooks: Harlem Nocturne:



- Frank Sinatra & Tommy Dorsey: Night and Day:



- Beegie Adair: The way you look tonight



- Chopin (Janusz Olejniczak): Notturno No.20



- Frank Sinatra: Strangers in the Night



- Celine Dion: A new day has come