Atomo

Non ricordo la prima volta che ho visto un atomo, ma ricordo bene la prima volta che li abbiamo studiati a scienze, e mi affascinarono. La loro complessità nei disegni che ci mostravano, e come potessero unirsi tra loro per formare sostanze, mi fecero venire voglia di saperne di più: lessi molto su di loro, sul loro posto nella tavola periodica, sulle loro particelle, e persino su come venivano usati per generare l'energia delle nostre case.

Molto tempo dopo imparai a programmare, e volli riflettere ciò che avevo imparato tra lezioni e libri. Volevo creare un atomo, vederlo muoversi, far sembrare reale ognuna delle sue parti; combinarli e, forse, costruire qualcosa di più grande in un simulatore. Ma successe qualcosa di inaspettato: non ero più un giovane curioso, ma un adulto con un modo di pensare diverso. Così iniziai a indagare da zero. E il risultato fu sorprendente: dopo anni passati a leggere libri sull'argomento, bastarono poche ore di pensiero critico per rivelare dettagli che prima non avevo notato.

Sebbene i racconti varino molto, quasi tutti risalgono all'antichità e assomigliano parecchio a questo:

«Si dice che i primi studi sugli atomi risalgano all'antichità, quando i più studiosi si chiedevano in quante parti si potesse dividere ogni cosa. Dopo lunghi studi conclusero che le cose potevano essere divise solo fino a un limite, lasciando alla fine frammenti così piccoli e impercettibili da chiamarli atomi.»

Per capire l'idea, immagina di essere incredibilmente annoiato e di afferrare qualcosa di divisibile —uno stuzzicadenti, una foglia, un pezzo di frutta— e di dividerlo a metà. E di nuovo. E ancora… finché proprio non puoi più. Ed ecco fatto: hai un atomo! …o almeno, così si pensava.

Se potessimo fermare il tempo e accontentarci di questa storia, potrei costruire il mio simulatore senza problemi: basterebbe far dividere una mela in due, in tre…, fissare un limite e il gioco è fatto. Ma questo era solo l'inizio della storia.

Quanto segue è il sottoprodotto di uno studio approfondito di fatti storici e scoperte che, poco a poco, hanno plasmato ciò che oggi chiamiamo atomi.

All'inizio del XIX secolo, un chimico britannico di nome John Dalton, in assenza della tavola periodica e di simboli per rappresentare gli elementi chimici, creò un proprio sistema di rappresentazione grafica. In pratica, stilò un elenco degli elementi conosciuti —oro, argento, carbonio, ossigeno...— e disegnò accanto a ciascuno un cerchio con un motivo diverso al suo interno, per poterli distinguere tra loro.

Dalton concepiva gli atomi come minuscole sfere solide e indivisibili, che chiamava comunemente "particelle ultime", una sorta di limite della materia, oltre il quale non si poteva più dividere. Il suo lavoro riuscì a unire, una volta per tutte, il concetto astratto di atomo con la sperimentazione chimica, motivo per cui è storicamente riconosciuto come il padre della teoria atomica.

Quasi un secolo dopo, un altro scienziato britannico di nome Joseph John Thomson, cercando di spiegare la natura dei raggi catodici, sostenne che questi erano composti da minuscoli corpuscoli portatori di elettricità. Per spiegare da dove provenissero tali particelle, sostenne che vivessero all'interno degli atomi, un po' come l'uvetta in un budino, e costruì persino una teoria atomica basata su quel budino all'uvetta.

Va notato che Thomson non mostrò mai al mondo neppure uno di quei corpuscoli: li dedusse dai suoi esperimenti, non li vide. Ciò nonostante, l'idea fu premiata con il Nobel nel 1906 e si impresse come un fatto. Da allora, l'atomo smise di essere una modesta ipotesi per diventare qualcosa che nessuno osava mettere in dubbio. Questi eventi cambiarono completamente le regole del gioco per gli scienziati dell'epoca, trasformando l'atomo e le sue teorie in un trampolino sicuro verso il successo.

Anni dopo, uno scienziato neozelandese di nome Ernest Rutherford collegò a sua volta le proprie ricerche sulla radioattività agli atomi, e sostenne che questi non erano statici come il budino di Thomson, ma qualcosa di molto simile a un sistema solare in miniatura. Aggiunse inoltre un pezzo nuovo —un minuscolo nucleo in cui si concentrava quasi tutta la massa— e vi costruì sopra una nuova teoria atomica.

Il nuovo modello atomico-planetario era qualcosa come un nucleo molto piccolo e di carica positiva, intorno al quale orbitavano particelle di carica negativa (gli elettroni), formando una sorta di sistema orbitale. Il terzo pezzo, il neutrone, non compariva ancora: non sarebbe apparso fino al 1932. Per le sue ricerche sulle sostanze radioattive, Rutherford ottenne un Nobel nel 1908.

Quasi in contemporanea con il successo di Rutherford, un giovane danese di nome Niels Bohr, cercando di correggere gli errori del modello atomico-planetario, vi aggiunse livelli orbitali, livelli energetici, salti tra le orbite, e persino l'emissione e l'assorbimento della luce, che egli considerava onde elettromagnetiche. Con il suo lavoro, Bohr trasformò quella che era stata una mappa teorica per spiegare certi fenomeni in qualcosa che richiedeva di riempire lavagne intere per essere compreso. Come frutto del suo contributo alla struttura degli atomi, Niels Bohr vinse un Nobel nel 1922.

A Bohr seguì un elenco quasi infinito di menti brillanti. Tutte aggiunsero teorie sugli atomi sempre più bizzarre —mai viste prima—, facendo crescere il loro apparato matematico fino a livelli astronomici. Ad essere sincero, dopo ore di lettura sull'argomento, osservare ogni modello atomico era come guardare la slitta di Babbo Natale: qualcosa di clamorosamente pubblicizzato che nessuno è mai riuscito a vedere.

Dato che i modelli atomici sono una mappa immaginaria, sorge una domanda più onesta: si è mai visto qualcosa che assomigli a un atomo? La risposta breve è scomoda: dipende da cosa intendiamo per vedere.

Per spiegarlo meglio, immaginiamo di guardare una mela: la luce rimbalza sulla sua superficie, arriva fino a noi e forma la sua immagine nei nostri occhi. Ma al di sotto di circa 200 nanometri quel trucco smette di funzionare: la luce ordinaria non restituisce più un ritratto di ciò che esiste; sembra passarle intorno senza disegnarla e prosegue per la sua strada, come se la cosa fosse traslucida. Solo una luce molto speciale —estremamente intensa, come quella prodotta nei grandi acceleratori di particelle— è riuscita ad avvicinarsi a quella scala, e anche così ciò che restituisce non sono fotografie, ma pattern: sagome e ombre.

La scienza, usando ogni tecnologia a sua disposizione, è arrivata sorprendentemente lontano: riesce a localizzare sagome sfocate, contarle, disporle una a una, misurare il campo elettrico a scale incredibilmente piccole. Ma ciascuna di queste imprese è una misurazione travestita da immagine, non uno sguardo diretto. Quella che oggi chiamiamo "una foto di atomi" resta comunque una mappa —molto migliore di quella di Thomson o di Bohr, ma pur sempre una mappa—. E va detto con calma, senza drammi: abbiamo misurato la loro traccia con una precisione straordinaria; vederli, nel senso semplice in cui vediamo una mela, non ancora. E lo stesso vale per quasi tutto ciò che è molto piccolo o molto lontano.

Un'ipotesi quasi assurda, ma cruciale: cosa succederebbe se, di fronte alla sua inverosimiglianza, decidessimo di eliminare l'atomo con un colpo di spugna, cancellando ciascuno dei suoi modelli dalle aule e da ogni singolo ramo del sapere?

La prima cosa che accadrebbe sarebbe un caos totale nelle aule e nell'istruzione. I libri di testo dovrebbero essere riscritti, cancellando più di 200 anni di storia. Milioni di pagine resterebbero piene di "buchi" concettuali, parole cancellate o termini vietati che renderebbero i testi del tutto illeggibili. Le equazioni di Schrödinger, le strutture di Lewis e i diagrammi dei legami molecolari mancherebbero di una premessa fondamentale, trasformandosi in scarabocchi privi di senso. Intere tesi dedicate alla nanotecnologia, alla fisica nucleare o alla biochimica verrebbero invalidate di colpo.

La scienza, dal canto suo, non si fermerebbe: cercherebbe altre strade —matematiche, filosofiche— per spiegare ciò che prima spiegava l'atomo. Perché il mondo continuerebbe a essere fatto della stessa cosa. Avremmo solo cancellato la mappa, non il territorio.

Per quanto possa sembrare improbabile, dietro a tutto questo impegno —e a migliaia di persone che dedicano intere vite a disegnare meglio l'atomo— c'è una scommessa: indagare di cosa sia fatta la materia a un livello più profondo promette un universo pieno di possibilità.

La trasmutazione degli elementi chimici potrebbe diventare praticabile. I reattori nucleari già oggi trasformano elementi come l'uranio in plutonio e cesio. Bombardare elementi più leggeri con particelle può allo stesso modo trasformarli in elementi più pesanti. Tuttavia ciascuna di queste trasformazioni è estremamente costosa e poco pratica, e restituisce per giunta quantità minime. Tutto questo è qualcosa che potrebbe cambiare se comprendessimo meglio il processo e potessimo controllarlo a un livello più basso.

Per dirla come una battuta, potremmo trasformare le pietre in oro o diamanti, riempire le banche, e poi ritrasformarle in rocce; e persino spingerci oltre, creando nuovi elementi chimici con nuove proprietà: materiali che sfidano la gravità, superconduttori ad alte temperature… una storia senza fine.

Il secondo premio è già acceso, e non in un laboratorio ma a casa tua: buona parte dell'elettricità mondiale proviene da uno sforzo enorme che ci permette di goderne tutti. Comprendere meglio la materia potrebbe aprire nuovi modi di generare energia che ancora non conosciamo, molto migliori e più efficienti di quelli attuali. Il tutto senza tralasciare la possibilità di un suo utilizzo per fini non pacifici, che nel corso della storia ha portato a risultati tragici.

Ma non tutto porterebbe tragedie. Dietro a queste ricerche c'è la speranza di migliorare tecnologie come la risonanza magnetica nucleare, indispensabile per diagnosticare le malattie; o di trovare nuovi modi di elaborare l'informazione, che potrebbero portare i computer del futuro verso limiti insperati. E, senza dubbio la più ambiziosa e immaginaria di tutte, si profila una vecchia meta: capire cos'è il tempo e, forse, riuscire a controllarlo.

Tutto ciò spiega perché in tanti non posano mai la matita e continuano a fare ricerca. Se una mappa così sfocata e immaginaria come l'atomo ci ha già portato così lontano, fin dove arriveremmo se riuscissimo a comprendere e controllare la materia al suo livello più basso?

Alla fine, il mio simulatore rimase un semplice tentativo. Come avrai immaginato, simulare un atomo al computer era come provare ad acchiappare farfalle bendati. Ciò nonostante, tutto questo mi portò non solo a interessarmi agli atomi e ai loro modelli immaginari, ma anche ad affrontare un intero universo di conoscenze che un tempo ci affascinavano e che, in fondo, in pochi conoscono davvero.