Il Vuoto - tra scienza e pensiero

Liceo Scientifico V. Vecchi, Trani

Anno scolastico 2008-2009

Il Vuoto

Tra scienza e pensiero

di Sabri Alamri

Classe VD

Sommario

Mappa concettuale 4

.........................................................................................

Introduzione al concetto di vuoto scientifico 5

.................................................

1. L’Universo: dove si “nasconde” il vuoto ................................................ 8

Alla ricerca del vuoto nello spazio ........................................................................................ 8

Come nascono le stelle ...................................................................................................... 10

La vita di una stella dipende dalla sua massa iniziale ......................................................... 11

Supernove, stelle di neutroni e buchi neri ......................................................................... 13

2. L’atomo: essenza di materia e vuoto .................................................. 18

Dalton: prima ipotesi di teoria atomica ............................................................................ 19

Le prove sperimentali delle particelle subatomiche ......................................................... 20

L’esperienza di Rutherford: la scoperta del vuoto ............................................................ 22

Il modello atomico di Bohr ................................................................................................ 23

La teoria quantistico-ondulatoria ...................................................................................... 25

Meccanica quantistica: l’inesistenza del vuoto ................................................................ 26

Le conseguenze del vuoto a livello socio-emotivo 29

......................................

3. Sartre: esistenzialismo e vuoto come dramma esistenziale 32

..................

L’essere e il nulla ............................................................................................................... 32

La nausea .......................................................................................................................... 34

Il Vuoto 2

4. “Waiting for Godot”: a tragicomedy in two acts 36

....................................

Introduction ...................................................................................................................... 36

Historical and social background ...................................................................................... 36

Literature of the absurde .................................................................................................. 37

Summary of act I ............................................................................................................... 38

Summary of act II .............................................................................................................. 40

Characters ......................................................................................................................... 42

Plot structure analysis ....................................................................................................... 43

Themes ............................................................................................................................. 44

Conclusion ........................................................................................................................ 49

5. Resistenza partigiana in Italia: reazione al vuoto istituzionale 50

..............

Quadro storico .................................................................................................................. 50

Claudio Pavone: “una guerra civile - saggio storico sulla moralità della resistenza” ......... 52

Piero Calamandrei: “Uomini e città della resistenza” ....................................................... 58

Paolo Pezzino: “Memorie divise, morte della patria, identità collettive”. ........................ 59

6. Giovanni Pascoli: “La vertigine” 60

..............................................................

7. Arte contemporanea: il “vuoto” concettuale in Manzoni e Ryman 63

......

Premessa: l’arte contemporanea ..................................................................................... 63

Piero Manzoni: “Achromes”.............................................................................................. 65

Robert Ryman: il vuoto che precede la creazione ............................................................. 67

8. Seneca: Nerone ed il sogno politico 69

........................................................

Conclusioni 72

....................................................................................................

Bibliografia e sitografia 74

................................................................................

Il Vuoto 3

Mappa concettuale

Filosofia:

Esistenzialismo

Geografia astronomica: Sartre

il vuoto interstellare

i buchi neri

Letteratura inglese:

Waiting for Godot

Fisica: il vuoto

L’atomo

Storia:

La Resistenza

Letteratura latina: Arte concettuale:

Seneca

Achromes di Manzoni

principato illuminato

Tele bianche di Ryman

Il Vuoto 4

Introduzione al concetto di vuoto scientifico

La caratteristica primaria della materia è il vuoto

Diamoci un’occhiata intorno. Vedremo un mondo pieno di cose. Tavoli, sedie, il pavimento, una tazza di caffè, scarpe, biciclette, oggetti. La maggioranza di noi pensa distrattamente al mondo come uno spazio pieno di cose di questo genere, che si possano leggere o urtare con il piede, o sulle quali ci si può sedere. Ma quanta parte del nostro mondo è davvero fatta di oggetti che possiamo vedere? Si pensi all’aria che respiriamo. È invisibile, eppure è lì, anche se lo sperimentiamo solo in una maniera in un certo senso indiretta, quando il nostro petto si espande e si contrae e il nostro respiro sibila passando per il setto nasale.

I limiti della nostra vista non permettono di osservare piccole molecole di azoto e ossigeno presenti nell’aria, mentre la stessa limitatezza ci permette di guardare i corpi più densi che ci circondano.

Il mondo visibile non rappresenta tutto quello che c’è nell’Universo. Se ci affidiamo solamente agli occhi per sapere cosa c’è là fuori, finirà per sfuggirci una parte importante. Anche se questo concetto potrebbe sembrare ovvio, vale la pena tenere bene a mente che, proprio come non possiamo vedere l’aria, non possiamo vedere neanche gran parte dell’Universo. In effetti, negli ultimi decenni diverse prove ci hanno fatto giungere alla conclusione che circa il 95% della massa ed energia del nostro Universo esiste in qualche forma invisibile, nascosta al punto da sfuggirci quasi completamente.

L’idea di vuoto è stata discussa dai migliori pensatori nell’arco di più di 2000 anni ed è tuttora materia di ricerca. Già Aristotele, infatti, discutendo il concetto di spazio, si convinse che il vuoto non poteva esistere. Nel suo modello cosmologico tutto l’universo è riempito da un materiale (“etere”) perfettamente trasparente e privo di attrito. Il moto dei pianeti avviene, secondo lui, grazie al moto delle sfere di etere su cui essi si trovano.

Il moto nel vuoto è ritenuto impossibile: “la natura aborre il vuoto”. Bisogna arrivare al 1600 perché l’esistenza del vuoto venga presa in considerazione, sia dal punto di vista filosofico che scientifico-tecnologico. Il primo spazio vuoto venne realizzato da un allievo

Il Vuoto 5

di Galilei, Evangelista Torricelli: costruendo il barometro a mercurio che oggi porta il suo nome, osservò la formazione di uno spazio che poteva essere considerato quasi completamente privo di materia. Si svilupparono poi pompe da vuoto, utilizzate sia per la ricerca che per spettacolarizzare gli effetti del “vuoto”: celeberrima rimane l’esibizione di Magdemburgo, alla fine del 1600, quando, dopo avere tolto gran parte dell’aria dall’interno di due semisfere poste a contatto, si mostrò alla cittadinanza come non fosse possibile staccarle nemmeno facendole tirare da due quadriglie di cavalli.

Ma cosa sappiamo oggi del vuoto? Manteniamo per ora il concetto più intuitivo di vuoto, ovvero l’assenza di materia e vediamo cosa può accadere nello spazio vuoto e cosa no:

• Due masse si attraggono (grazie alla forza di gravità) anche quando sono poste nel vuoto. Anche due cariche elettriche poste nel vuoto si attraggono o si respingono: la forza di Coulomb non necessita di materia per potersi verificare.
• Al contrario di quanto pensava Aristotele, può esserci moto nel vuoto. Un corpo abbandonato a se stesso con una certa velocità nello spazio privo di materia proseguirà il suo viaggio mantenendo sempre la stessa velocità.
• Anche la luce può propagarsi nel vuoto: è grazie a questa proprietà che possiamo vedere le Stelle, essere illuminati e riscaldati dal Sole e quindi vivere sulla Terra.

Dove troviamo il vuoto? Se vogliamo guardare lontano, diremo nello spazio interstellare (probabilmente), ma se vogliamo rimanere vicino, possiamo pensare che l’acqua che beviamo è composta più di vuoto che di materia. Ogni molecola d’acqua è fatta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, ciascuno formato da un nucleo attorno al quale sono distribuiti secondo un preciso criterio gli elettroni. Questa è la visione più o meno corretta della realtà microscopica che ci circonda: quasi sempre ci dimentichiamo però che in rapporto alle dimensioni del nucleo stesso, la distanza che separa questo dagli elettroni è immensa. Questo accade anche se consideriamo le distanze tra gli atomi che compongono un corpo: non troveremo mai uno spazio completamente pieno, proprio perché gli atomi sono incredibilmente vuoti.

Il Vuoto 6

Era il 1912 quando Rutherford, bombardando con particelle α un sottile foglio di oro, ottenne un risultato sorprendente che evidenzia l’enorme spazio vuoto dell’atomo. La teoria che descrive la struttura atomica si chiama anche planetaria perché lo si paragona alla distribuzione dei pianeti intorno al Sole e delle stelle nelle galassie. Anche la caratteristica del vuoto atomico può essere estesa a quello dello spazio. L’Universo è quasi ovunque vuoto ed è semmai la materia che ora costituisce l’eccezione: sarebbe meglio dire che l’Universo è apparentemente vuoto e a questo proposito molti scienziati da circa settant’anni stanno cercando di spiegare il mistero di materia ed energia “oscura”.

Uno dei risultati più straordinari della fisica del microcosmo è l’avere scoperto che lo spazio vuoto non è affatto vuoto: appare tale solo perché la creazione e la distruzione incessante di particelle ed altre strane entità si verifica in esso su intervalli temporali brevissimi e tali comunque da non lasciare allo sperimentatore il tempo materiale per la loro rilevazione. Questo è il campo di lavoro della Meccanica Quantistica, scienza contemporanea in continua evoluzione, che ha portato alla luce un numero notevole di piccole entità apparentemente insignificanti, ma che giustificano l’esistenza della materia stessa.

Infatti anche il nucleo a sua volta è formato da piccole particelle subnucleari di dimensioni più piccole dello stesso nucleo; ciò rende la caratteristica del vuoto una regolarità nel creato permeando la materia dal livello nucleare a quello cosmico.

Tutto ciò non fa altro che giustificare la teoria dell’immane esplosione (Big Bang) che ha dato origine al nostro Universo in continua espansione, da un “uovo” cosmico che racchiudeva in sé tutta la materia e l’energia della sfera celeste.

Il Vuoto 7

L’Universo: dove si “nasconde” il vuoto

Alla ricerca del vuoto nello spazio

• L’unità base in cui sono raggruppate le stelle e la materia interstellare è la galassia. La galassia è l’“atomo base” dell’Universo su grande scala. La nostra galassia è la Via Lattea, è una galassia spirale: è composta da oltre 100 miliardi di stelle; ha dimensioni dell’ordine di 100.000 anni luce e dista circa 2 milioni di anni luce dalla galassia più vicina, quella di Andromeda. Si tratta di dimensioni enormi che sfuggono alla nostra intuizione. Le due galassie non sono isolate, ma fanno parte di un gruppo locale di galassie e di un ammasso di galassie ancora più grande. Osservando più attentamente ci si accorge che le galassie si raggruppano in strutture quasi filiformi e distribuite su superfici lasciando al centro enormi spazi vuoti. Forse nei grandi vuoti cosmici, troviamo il miglior vuoto esistente nell’Universo macroscopico. Il numero di particelle materiali, quali elettroni, protoni e neutroni, dovrebbe essere estremamente basso, praticamente trascurabile, così come dovrebbe essere trascurabile il numero di particelle dei raggi cosmici.

Vista da lontano la nostra Via Lattea dovrebbe apparire luminosa in maniera quasi continua. Ma in realtà, le distanze fra le stelle sono enormi; la stella a noi più vicina dista poco più di 4 anni luce. Quindi la maggior parte della galassia è vuota: per analogia la maggior parte dell’Universo è vuoto.

Secondo le moderne teorie corpuscolari, ampiamente verificate sperimentalmente, la materia è costituita di molecole, atomi, particelle, quindi il vuoto è uno spazio in cui non vi sono particelle materiali, come quelle che costituiscono molecole e atomi. E cosa si può dire dei campi elettromagnetici? A prima vista potremmo dire che nel vuoto siano ammissibili campi ed onde elettromagnetiche, ma secondo la fisica moderna un’onda è anche un corpuscolo con una certa energia secondo la nota relazione di Planck E=hν. Quindi, dobbiamo estendere il nostro concetto di assenza di particelle anche ai fotoni: il nostro vuoto deve essere anche “un buio” e va schermato da tutti i fenomeni elettromagnetici.

Il Vuoto 8

Sorge così subito un altro problema: ogni corpo a temperatura maggiore dello zero assoluto emette radiazioni elettromagnetiche, con frequenza via via inferiori al diminuire della temperatura. Per avere un vero vuoto macroscopico dobbiamo, perciò, circondarlo da “un freddo”. Tutto lo spazio, però, è attraversato da una radiazione elettromagnetica, la radiazione cosmica di fondo, che corrisponde a quella che emetterebbe un corpo alla temperatura di 2,7°K. Possiamo quindi ritenere che la temperatura media dell’Universo sia bassissima, vicina alla zero assoluto. In definitiva il vuoto non dovrebbe contenere nessun tipo di particelle. Nello spazio cosmico “viaggiano” moltissimi neutrini, particelle molto leggere e veloci che, poiché non sentono l’effetto dell’interazione nucleare forte e della forza elettromagnetica, interagiscono appena con la materia ordinaria. Oggi sappiamo che esistono con certezza e dovrebbero essere circa 300 per cm3. E per questi non esiste alcuno schermo. Si comprende, quindi, come sia difficilissimo ottenere il vuoto completo.

In verità il dibattito sull’entità dello spazio vuoto interstellare è aperto da circa 50 anni. Era infatti il 1950 quando Vera Rubin presentò i suoi risultati all’American Astronomical Society nella sua tesi di laurea; la Rubin scoprì che la quantità di massa necessaria per spiegare il moto delle galassie era maggiore della massa totale di stelle all’interno di queste galassie. Semplicemente, le stelle non erano abbastanza numerose da spiegare le sue osservazioni e l’astronoma concluse che dovesse essere presente un qualche tipo di materia invisibile. Le sue conclusioni non furono prese seriamente, nonostante le prove sperimentali che aveva raccolto. Il concetto di “materia oscura” fu già avanzato nel 1933 dall’astronomo Fritz Zwicky, anche lui sostenendo che la velocità di rotazione degli ammassi di galassie richiedeva molta più massa di quella presente sotto forma di stelle. Da allora si discute di materia oscura per esprimere quanto non si conosca dello spazio apparentemente vuoto.

Trovare oggi il vuoto assoluto nello spazio sarebbe un’impresa ardua, proprio perché tale scoperta andrebbe a contraddire tutti gli studi fatti nel campo della Meccanica Quantistica, che fa del vuoto il luogo di creazione e distruzione della materia. Eppure paradossalmente proprio la conoscenza del vuoto microscopico portò allo studio dei corpi più massivi che si conoscono, esattamente il contrario del vuoto: i buchi neri, possibile fine del ciclo vitale di una stella.

Il Vuoto 9

Come nascono le stelle

• Le stelle si originano in gigantesche nubi di gas. Se è sufficientemente densa, una nube di gas collasserà sotto la spinta della gravità, formando un embrione di stella, la protostella. Il nostro Sole si è formato in questo modo circa cinque miliardi di anni fa. Se una protostella è piccola, con una massa inferiore a circa un decimo di quella del nostro Sole, il materiale in essa contenuto non riesce a raggiungere temperature sufficienti da innescare la combustione nucleare e si forma un oggetto debole e poco spettacolare, chiamato nana bruna, che è essenzialmente solo un pianeta molto grande, con una massa tra cinque e novanta volte quella di Giove, costituito principalmente di idrogeno ed elio.

Una nube di gas più grande o più densa può collassare in una protostella più massiva: il suo nucleo diventa così sufficientemente caldo da cominciare a bruciare attraverso la fusione nucleare, un processo con il quale elementi più leggeri si combinano per formare elementi più pesanti.