“Non sappiamo perché l’universo contenga atomi”: David Helfand sui misteri della scienza atomica

Tutto è nato da un protone su un miliardo

Apogeonline: Studiare gli atomi ci aiuta a comprendere storia, nutrizione, evoluzione, salute e molti altri campi di ricerca. Da quando la tecnologia lo ha reso possibile?

David J. Helfand: La prima stima quantitativa di dimensioni e massa degli atomi risale al 1905 con i calcoli di Einstein a spiegare il movimento casuale dei granelli di polline, causato dalle loro collisioni con gli atomi. Nel 1919, Francis Aston inventò a Cambridge lo spettrometro di massa, che gli permise di contare i singoli atomi e ordinarli appunto in base alla loro massa, e così differenziarne gli isotopi. Nel 1946, Willard Libby ha determinato come il Carbonio-14 avesse una emivita (il periodo in cui decade metà della sua quantità) utile per datare artefatti umani anche molto antichi.

Potremmo avere ingerito un quark esistente dalla nascita dell’universo, 13 miliardi di anni fa. Queste particelle quantistiche sono di fatto immortali? Quando vengono distrutte? E quante ne vengono distrutte, sul totale?

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Nelle condizioni attuali dell’universo sono ampiamente immortali. Einstein ci ha insegnato che la massa è solo un’altra forma di energia. Se un quark e un anti-quark (o qualsiasi altra particella assieme alla propria anti-particella) si incontrano, si annichilano a vicenda in un fiotto di energia, così che la loro massa (e la loro identità) scompare. Analogamente, se un fotone (una particella di luce prima di massa) possiede energia a sufficienza, può creare spontaneamente una coppia di quark e anti-quark. Oggi questo può accadere in ambienti molto estremi dell’universo, nonché molto rari. Nel primo trilionesimo di secondo di esistenza dell’universo, questo accadeva ovunque.

Gli atomi mostrano chiaramente come si sono estinti i dinosauri (e anche in quale momento dell’anno!). Lo studio degli atomi può aiutarci a capire meglio le dinamiche dell’attuale cambiamento di clima e portare a soluzioni?

Sicuramente. Le variazioni dei rapporti tra isotopi di Carbonio nell’aria dimostrano che il forte aumento di gas serra nell’atmosfera è dovuto alla nostra attività di combustione di carburante fossile. Tenere traccia dei rapporti tra isotopi ci aiuta a comprendere le complesse correnti oceaniche, fondamentali nel clima. E lo studio di atomi e molecole ipotizzati nel clima del passato Può darci una mano a calibrare i nostri modelli per la previsione del clima futuro.

Quando hai deciso che era venuto il momento di scrivere il tuo libro?

Dopo 40 anni passati a leggere, e rimanerne affascinato, dell’uso di atomi e isotopi per ricostruire la storia, mi è sembrato il momento di condividere il mio interesse.

Che cosa possono dirci gli atomi in fatto di coscienza, pensiero, intelligenza?

Ciascuno dei nostri neuroni contiene circa 100 miliardi di atomi e il nostro cervello contiene circa 100 miliardi di neuroni. Siamo molto, molto lontani dal saper spiegare a livello atomico una materia complessa come la coscienza!

Lo studio degli atomi ha ribaltato le nostre convinzioni in qualche campo di ricerca? Quanta scienza è stata validata o confutata grazie all’analisi del comportamento degli atomi?

Proprio la settimana scorsa leggevo una relazione nella quale, sulla base dello studio degli isotopi di Carbonio e altri elementi, si concludeva che la maggior parte della dieta dei primi uomini fosse vegetariana, a dispetto dello stereotipo del Neanderthal o del primo homo sapiens che cacciavano grandi animali. Nel mio libro riposto numerose situazioni nelle quali lo studio degli atomi ha portato a revisioni di ipotesi sul nostro passato.

Gli atomi, grazie alle loro firme inimitabili e ai loro imperturbabili orologi interni, sono piccoli archivi che custodiscono i segreti del passato.

Leggo sul tuo libro la storia del mammut vissuto 17.100 anni fa, di cui possiamo ripercorrere la dieta settimana per settimana con l’analisi atomica delle sue zanne. Possiamo cose come queste oggi, per esempio nell’analisi forense?

Potremmo fare la stessa cosa con un animale selvatico, poiché la sua dieta è vincolata ai territori in cui si procura il cibo. È interessante che non potremmo farlo per gli umani, dato che il nostro cibo proviene da tutto il mondo e quindi i rapporti tra gli isotopi presenti nel nostro corpo sono un incredibile mescolanza di di cibi cresciuti in una enorme varietà di ambienti, con climi e terreni differenti.

Chiunque oggi parla di intelligenza artificiale. La AI ci aiuta nello studio degli atomi?

Non che io sappia. Possediamo già una grande e precisa elencazione degli elementi, dei loro isotopi, delle loro emivite, delle loro inclinazioni chimiche; le nostre misure consistono nel semplice conteggio dei differenti atomi e non ci serve la AI per fare questo. La AI ha attualmente un enorme impatto sulla predizione delle strutture chimiche complesse (proteine, enzimi, acidi nucleici eccetera) che formano i sistemi viventi. Potrebbe forse tornare utile nel riordinare la produzione di isotopi rari nelle collisioni stellari, fenomeno che riteniamo fonte di produzione di molti elementi pesanti; però prima dobbiamo osservare ancora qualcuna di queste collisioni.

Qual è il risultato scientifico più curioso che hai ottenuto attraverso lo studio degli atomi?

Vado molto fiero della storia del mammut di cui conosciamo la dieta settimanale anche se è vissuto 17 mila anni fa. Risultati simili si sono peraltro ottenuti anche nel presente con numerosi animali.

Gli atomi ci hanno insegnato molto e hanno fatto progredire la scienza in numerosi campi. C’è qualche settore dove siamo ancora in attesa di risultati definitivi, o almeno di miglioramenti, rispetto a quello che già sappiamo o riteniamo di sapere?

Penso che sugli atomi sappiamo ogni cosa. Possiamo calcolare la loro struttura con una precisione di 10 decimali e confermare che gli atomi di Carbonio sulla Terra sono fatti come quelli che si trovano a 13 miliardi di anni luce da noi.

Abbiamo molto da imparare su come si ripiegano in forme tridimensionali quando si aggregano a migliaia in molecole biologiche.

Perché i neutrini, particelle centrali nel decadimento radioattivo, abbiano una massa (e quanto valga) rimane un mistero.

Il fatto stesso che l’universo contenga atomi è inspiegato. Per motivi ignoti, l’universo è iniziato e conteneva un miliardo più uno protoni ed elettroni per ogni miliardo di anti-protoni e anti-elettroni. I protoni si sono annichilati con gli anti-protoni e gli elettroni con gli anti-elettroni, per lasciare un miliardo di fotoni per ogni singolo protone ed elettrone sopravvissuto.

Se tutto fosse stato perfettamente simmetrico, oggi nell’universo non ci sarebbero atomi, né persone a chiedersene il perché. Quella parte asimmetrica su un miliardo ci ha dato centinaia di miliardi di stelle e pianeti in ciascuna di centinaia di miliardi di galassie oggi visibili. Siamo stati fortunati.

Immagine di apertura originale della redazione di Apogeonline.