Visibile e Invisibile

Pasquale Di Nezza

Nebulosa NGC 6188

La nascita della fisica coincide con la nascita, nell’uomo, del desiderio di conoscere e interpretare i fenomeni naturale e che, nella sua accezione più generale, risiede nel vedere ed osservare il mondo. La definizione del concetto di "vedere" è però vasta e dipende dal contesto della nostra osservazione. Possiamo vedere un oggetto con i nostri occhi, i ciechi percepiscono forme tridimensionali e tessiture delle superfici tramite il tatto, molti animali riescono a ricostruire, anche spazialmente, una realtà complessa intorno a loro semplicemente dall’odore che i corpi emettono, così come i pipistrelli, nel loro volo notturno, “vedono” l’ambiente che li circonda in funzione del ritorno degli ultrasuoni che loro stessi emettono. Capiamo che la distinzione tra "visibile" e "invisibile" e tutto tranne che oggettiva. Quello che pero possiamo affermare con certezza è che alla base di tutto c'è necessariamente un’interazione: la luce proveniente da un oggetto interagisce con il nostro occhio, l'atomo del dito del cieco interagisce con l'atomo del tavolo che sta toccando, l'onda del pipistrello interagisce con la parete della caverna. Ma quante e quali interazioni esistono in natura?

Nella costruzione della nostra conoscenza che impegna l'intelletto umano da migliaia di anni, siamo arrivati a costruire un modello dell'Universo, chiamato Modello Standard , in grado di descrivere, in massima parte, i suoi mattoni, le forze che lo regolano e la sua evoluzione dal momento zero sino ad oggi. Le forze fondamentali sono le responsabili delle interazioni con le quali possiamo "vedere" e, nel nostro mondo, la forza elettromagnetica la fa da padrona. I nostri occhi sono sensibili alla luce o, in altre parole, alla radiazione elettromagnetica . Allo stesso modo, quando tocchiamo un oggetto, quello che sentiamo è la repulsione elettromagnetica degli atomi della mano da parte di quelli dell'oggetto che stiamo toccando.

La radiazione elettromagnetica ha una sua lunghezza d'onda che ne definisce la capacità di risoluzione [86] . In pratica, se la luce di cui dispongo ha una lunghezza d'onda di 1 cm, tale sarà, grossomodo, la grandezza minima dell'oggetto che riuscirò a vedere. Nel mondo macroscopico in cui viviamo non badiamo a tale concetto perchè le dimensioni degli oggetti che vogliamo vedere sono sempre sensibilmente più grandi della luce visibile che ha una lunghezza d'onda media di 500 nm, cioè un decimillesimo di millimetro. Come fare allora per vedere un atomo o le particelle subatomiche? Dobbiamo evidentemente creare una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda molto più piccola. Solo alla fine dell'800, con l'invenzione dei raggi-X [160] e, molto successivamente con gli acceleratori di particelle, si è riusciti a "vedere" il mondo atomico e subatomico. Fotoni , cioè quanti di radiazione elettromagnetica, di altissima energia, riescono ad avere lunghezze d'onda inferiori ai 10^-18 m e quindi a vedere e studiare il mondo microscopico inferiore ad un miliardesimo di miliardesimo di metro. Così sono stati scoperti i mattoni dell'Universo, particelle senza struttura identificate come quark da un lato, i mattoni che formano le particelle più complesse come i protoni o i neutroni , e i leptoni dall'altro quali per esempio gli elettroni e i neutrini .

A questo punto è chiaro che si può definire invisibile tutto quello che non interagisce con la nostra “sonda” elettromagnetica. Nell’Universo esistono quattro interazioni fondamentali: oltre all’interazione elettromagnetica che abbiamo trattato finora, esiste la gravitazione, responsabile della caduta dei gravi o delle traiettorie dei corpi celesti , l’interazione debole, responsabile dei decadimenti di particelle e l’interazione forte responsabile nel tenere uniti i nuclei atomici. Possiamo quindi vedere il mondo attraverso tutte e quattro le forze fondamentali. Ad esempio un neutrino che viene rivelato dagli enormi esperimenti sotterranei si vede perchè ha interagito tramite l’interazione debole.

Negli anni ’30 ci si accorse che un ammasso di galassie della costellazione della Chioma di Berenice aveva una velocità troppo alta per la quantità di materia osservata: l’attrazione gravitazionale di tutte le stelle, pianeti e gas presente nelle galassie dell’ammasso non era sufficiente per contrastare la loro velocità e queste sarebbero dovute volar via allontanandosi tra loro. “Vedendo” la galassia tramite l’interazione gravitazionale si ipotizzò quindi che ci dovesse essere dell’ulteriore materia, almeno qualche centinaio di volte più abbondante di quella visibile dal telescopio, che teneva insieme l’immensa struttura.

Fu necessario attendere sino agli anni ’60 quando misure di precisione della velocità di rotazione delle stelle delle galassie chiarì che doveva esserci della materia invisibile ai nostri telescopi, presente in tutta la galassia. Ci si trova di fronte ad un particolare tipo di materia che, tutt’oggi, non è stata direttamente rivelata e definita e che, proprio per la sua impossibilità di essere vista, prende il nome di Materia Oscura .

La spiegazione maggiormente coerente con questi dati è che la materia oscura sia costituita da una particella che interagisce solo gravitazionalmente e secondo la forza nucleare debole. Il motivo per il quale è invisibile ai nostri telescopi è dovuto al fatto che non interagisce con la luce, cioè con la forza elettromagnetica. Il problema maggiore per la comunità scientifica è che non si conoscono particelle con tali caratteristiche e non sono previste dal Modello Standard. Di che cosa quindi è fatta la materia oscura? Ci sono molte ipotesi ma nessuna certezza: la teoria più accreditata è che possa essere l’elemento più leggero di una famiglia di particelle a noi ancora sconosciuta e che rientra nella teoria Supersimmetrica dell’Universo.

Nel concetto ordinario del termine visibile si esprime tutta la nostra conoscenza, ma tutto quello che non percepiamo non è invisibile. Nella fisica occorre dotarsi di metodi e mezzi per conoscere i segreti dell’Universo e della materia che ci circonda in modo da allargare ancora di più l’orizzonte del visibile e quindi del nostro sapere.

Mappa della Materia Oscura