Secondo round di spiegone su come sappiamo le risposte a certe domande considerate “banali”; dopo ” da dove vengono i bambini “; Questa volta, c’è per voi  una breve storia di come siamo arrivati a capire perché, come, e da quando il sole ci illumina e riscalda.

Cominciamo dall’inizio. Gli antichi egizi pensavano che il sole fosse una palla di fuoco.  Il sole per loro era anche l’incarnazione di una divinità, e per questo motivo non si ponevano il problema di cosa lo alimentasse: una palla di fuoco si adattava alla loro esperienza quotidiana, la divinità pensava alla parte celeste, e bon, eran tranquilli così.

Nel quinto secolo d.C. , Anassagora, il filosofo greco, fece un’interessante osservazione. Trovò una roccia, una stella cadente, che si era appena schiantata. Era un grumo di metallo, ancora così caldo e bollente che arrivò alla conclusione che poteva soltanto venire dal sole. Di conseguenza, elaborò un ipotesi sempre traendo spunto dalla sua esperienza quotidiana: il sole deve essere un ferro arroventato.

Il ferro incandescente emette un sacco di luce. L’idea di Anassagora non era così folle, dopotutto.

Quest’idea restò la più diffusa nel mondo occidentale per quasi duemila anni, nonostante Anassagora fosse stato accusato di empietà e, conseguentemente, osteggiato. Aveva proposto, insieme alla sopracitata ipotesi del ferro arroventato, che il sole non fosse diverso dalle altre stelle, ma soltanto più vicino, il che non si sposava bene con le idee religiose del tempo.

Nel sistema tolemaico, con la terra al centro, il sole non era trattato come le altre stelle, ma più come un pianeta. Infatti, come gli altri pianeti, sembrava muoversi rispetto allo sfondo di stelle fisse.  Non c’era particolare riferimento al suo carburante o alla sua sostanza, dal momento che continuava a esistere la mentalità secondo la quale le cose del cielo e della terra fossero ben distinte. Per via del fatto che l’Almagesto, l’opera principale di Tolomeo, resterà il testo astronomico standard per un millennio e mezzo, la questione di cosa alimentava il sole non sarà ulteriormente eviscerata per un bel po’ di tempo.

Poi, nel 1700, arrivò uno dei miei naturalisti preferiti di sempre: Georges Louis Latrec, Compte di Buffon, meglio noto con il semplice titolo Buffon. Buffon aveva una conoscenza enciclopedica dell’anatomia comparata, e sapeva che tanti dei fossili che cominciavano ad essere notati sempre più frequentemente non potevano essere di specie attuali: nonostante quello che sosteneva la chiesa, le specie si estinguevano,e i fossili non potevano essere soltanto il risultato del diluvio universale.  Nel 1717 Buffon pubblica  le “ Les Epoques De La Nature “: stabilisce che il mondo ha circa 75000 anni, e distingue 7 età della terra, ciascuna distinguibile per la sua particolare fauna.

Buffon viene attaccato da ogni parte da teologi e letterati, per cui il mondo non ha più di 6000 anni: solo la sua amicizia con il Re lo protegge da gravi ripercussioni.  Sfortunatamente per i suoi avversari, Buffon era uno scrittore brillante e avvincente, accessibile a chiunque, e la divulgazione della scienza era il suo pallino: il suo libro successivo, l’Historie Naturelle, diventa rapidamente il libro più letto in Francia, un mega-best seller. Ah, l’Illuminismo. Bei tempi.

Improvvisamente Buffon, rifacendosi alla geologia, aveva decuplicato l’età della terra. Ma decuplicare l’età della terra, significava decuplicare l’età del sole:  e per mantenere un ferro rovente rovente, una fornace deve continuamente essere alimentata col carburante.  Che cosa poteva farlo funzionare così a lungo ? La domanda si faceva sempre più pressante.

Mezzo secolo dopo, con Lyell e Darwin, improvvisamente non si parla più di centinaia di migliaia di anni, ma di milioni: eppure niente nelle leggi della fisica conosciute al tempo poteva spiegare come il sole avesse bruciato così a lungo.

Nel 1850, John James Waterston, un giovane fisico scozzese che faceva rilievi geologici per le ferrovie, realizza, mentre sta sviluppando una teoria cinetica dei gas, che, in base alle equazioni sulle radiazioni termiche di Macedonio Melloni, nessun carburante chimico poteva alimentare il sole da più di diecimila anni.

Macedonio Melloni: fisico, rivoluzionario, patriota, persona con delle iniziali elegantissime.

Macedonio Melloni (nome EPICO) era un fisico italiano, che, quando non veniva cacciato in esilio perché membro di movimenti rivoluzionari e indipendentisti, lavorava sulle sorprendenti somiglianze tra la propagazione della luce e la propagazione del calore radiante.  Questo si propaga come la luce, con tanto di rifrazione e riflessione,  perché è luce infrarossa; MM, pur senza aver nessun background teorico che gli permettesse di arrivare alla conclusione moderna (la natura della luce era ancora largamente dibattuta) aveva sviluppato delle equazioni, che empiricamente, funzionavano piuttosto bene.

Waterston, però, confidava nelle prove dei naturalisti e della geologia: ci deve essere un’altra sorgente di energia per il sole. E l’unico candidato possibile ai tempi doveva essere la forza di gravità: forse, grazie alla sua grande massa, il sole poteva attirare e assorbire rocce come carburante.  L’idea sembrava brillante, ma una volta sottoposta al vaglio di calcoli più precisi basati su osservazioni astronomiche, si rese conto che non c’erano abbastanza meteore note nel sistema solare perché la differenza fosse rilevante. Se anche il sole avesse assorbito Mercurio e Venere, ciascuno dei pianeti avrebbe prolungato la sua vita di poco più di un secolo.

Ma, come ho accennato, Waterstone stava sviluppando una teoria cinetica dei gas.  Così tirò fuori un’altra idea brillante: sapeva per certo che un gas, compresso, aumenta di temperatura. Quindi, immaginò che il sole stesse collassando su se stesso, producendo calore di conseguenza. Convinto che la sua ipotesi potesse salvare la geologia, presentò la sua idea al convegno annuale della British Association for The Advancement Of Science nel 1853. Sfortunatamente per lui, non molti lo presero sul serio, e la sua teoria cinetica dei gas passò inosservata per almeno altri vent’anni. Ma nel pubblico c’era un certo William Thomson, meglio noto come Lord Kelvin, e Waterstone riuscì a far breccia nella sua mente.

William Thomson, altrimenti noto come Lord Kelvin, uno dei più grandi fisici della storia. Questo non gli impedirà di essere in torto marcio nella sua opposizione a Darwin.

Kelvin elaborò una teoria di come il sole potesse collassare su se stesso producendo il massimo calore possibile per il periodo più lungo possibile. Inizialmente, tirò fuori una stima di 100 milioni di anni,  che poi andò riducendo progressivamente col passare degli anni, un po’ per convinzione, un po’ per girare il coltello nella piaga dei naturalisti.

Darwin restò terrorizzato dalla stima di Thompson. Tolse ogni riferimento a possibili scale temporali nelle edizioni “ On The Origin Of The Species “, successive alla prima analisi di Thompson; e restò così inquietato da scrivere a Wallace, l’altro scopritore della selezione naturale, che la questione dell’età della terra era “ uno dei miei guai più gravi “.

Anni dopo, Lord Kelvin ridusse nuovamente l’età del sole: l’astro non poteva avere più di 25 milioni di anni, il che rendeva il conflitto tra l’evoluzione e la geologia da un lato, e la fisica dall’altro, ancora più marcato. Qualcuno doveva sbagliarsi, o quantomeno doveva aver  tralasciato qualcosa.

Una delle (tante) profezie sbagliate di Kelvin era che i raggi X si sarebbero rivelati una truffa, una frode. Cambiò idea successivamente, quando Roentgen, lo scopritore, gli fece una radiografia alla mano, ma in ogni caso non si rese conto che nelle radiazioni c’era la soluzione del paradosso dell’età del sole.

Lo capì Rutherford, l’uomo che per primo riuscì a identificare la struttura dell’atomo. Rutherford aveva identificato diversi tipi di radiazione atomica. La radiazione alfa era fatta di particelle, che si scoprì in seguito essere i nuclei di atomi di elio. L’osservazione fu fondamentale, perché spiegava come nei minerali che contenevano uranio spesso si trovavano tracce di questo gas nobile: era l’uranio stesso che li generava. E più venivano generate particelle alfa, più energia (e calore) venivano emesse. Con la scoperta del radio, che emette a tal punto da essere caldo al tatto, sembrava ormai ovvio che i calcoli di Lord Kelvin avevano ignorato qualcosa di importante.

Una volta realizzato che gli elementi radioattivi possono emettere energia continuamente, senza bisogno di ricevere carburante dall’esterno, gli astronomi si misero immediatamente cercare di capire se era possibile che il sole fosse radioattivo. William Wilson, nel 1903, calcolò che bastassero pochi grammi di radio per metro cubo di sole perché questi irradiasse tanta energia quanto ne arrivava sulla  terra.

Purtroppo, parafrasando T.H. Huxley , questa bellissima ipotesi verrà  annientata da un brutto dato di fatto.  Le prime spettroscopie del sole mostravano che non c’era traccia di radio nella sua composizione, ma la sua composizione era quasi esclusivamente costituita da elio, che, non a caso, prendeva il nome di Helios, il dio del sole.

Ernest Rutherford. ” Tutta la scienza è fisica o collezione di francobolli “, amava dire; e conseguentemente vinse il Nobel per la chimica nel 1908.

Niente radio, ma molto elio. Rutherford e gli altri sapevano che il decadimento radioattivo di certi elementi produceva particelle alfa, cioè nuclei di elio, ma di essi non vi era traccia nello spettro solare. Se l’elio era la “cenere” di una “combustione”, o il carburante era completamente nuovo, o il tipo di combustione era completamente nuovo.

Sir Arthur Eddington, professore di astronomia a Cambridge, fu uno dei primi a comprendere la teoria della relatività di Einstein, e la sua famosa “E=mc^2”, tanto da organizzare una spedizione sull’isola di Principe, in Africa, per osservare l’eclissi solare del 29 maggio 1919, dando una prima conferma empirica diretta della validità delle equazioni einsteiniane.

Nel 1920, Eddington riceve notizie dal suo collega Francis Aston, che lavorava nel Cavendish Laboratory, sempre a  Cambridge. Quest’ultimo aveva appena scoperto che l’atomo di elio pesa 1/120 meno di quanto dovrebbe pesare se fosse la semplice somma di quattro atomi di idrogeno.

Eddington ebbe immediatamente un’illuminazione su come funzionava la luce solare. Tutto quell’elio era la cenere di una nuova forma di combustione dell’idrogeno, il più semplice degli elementi! Ogni volta che quattro protoni si fondevano nel nucleo del sole, quel centoventesimo di massa extra diventava luce e calore solare, e dal momento che E=mc^2, e c^2 è un numero mooooooolto grande, il sole poteva avere centinaia di milioni, o addirittura miliardi di anni.

Eddington aveva avuto l’intuizione giusta, ma i dettagli non erano ancora ben chiari, e sebbene in apparenza il conflitto Darwin-Kelvin fosse rimosso, ancora non c’era una chiara idea dell’età del sole, e di come il combustibile venisse bruciato.

La soluzione, almeno teorica, arriverà solo vent’anni dopo, con Hans Bethe. A temperature di milioni di gradi, come nel centro del sole, gli atomi di idrogeno vengono sbriciolati nelle loro componenti più basilari: elettroni e protoni. Quando questi protoni si schiantano tra di loro, è possibile che avvenga una fusione nucleare. Ma due protoni che si scontrano non formano un atomo di elio: serve una reazione a catena, la così detta “catena pp” (dove pp sta per protone-protone).

Un diagramma della catena pp. La descrizione è nel testo; qui ci sono indicati anche i tempi medi di reazione. Beta+ sono i positroni espulsi, gamma i fotoni e nu (quella roba che sembra una v) i neutrini. Credits: http://csep10.phys.utk.edu/

Inizialmente, due protoni collidono e fondono insieme, creando un deuterone: un insieme instabile di un protone e un neutrone. La carica del protone che è diventato un neutrone viene conservata espellendo un positrone (che è l’antiparticella dell’elettrone, e, come tale, ha la stessa carica, ma positiva invece che negativa) e un neutrino. Il deuterone si trova affogato in una folla di protoni, e ne assorbe immediatamente uno, formando un nucleo di elio-3 (2 protoni e un neutrone). Infine, finalmente, due nuclei di elio 3 si fondono tra di loro, formando la forma stabile di elio, l’elio 4, con due protoni e due neutroni, e espellendo 2 protoni extra. Il risultato finale è che i quattro protoni iniziali sono arrivati ad essere un singolo atomo di elio quattro, emettendo energia sottoforma di positroni, fotoni e neutrini.

Con un colpo di genio, Bethe aveva finalmente trovato un processo nucleare teoricamente comprensibile al suo tempo, che potesse produrre la giusta quantità di calore, che potesse alimentare il sole per la giusta quantità di tempo, e che facesse tornare i conti sia ai fisici che ai geologi.

Tutto molto bello, ma anche niente di empirico: dov’era la prova che la catena pp era quello che realmente avveniva nel sole, e non semplicemente un’altra bella ipotesi in attesa di un brutale dato di fatto che l’annientasse ? C’era solo un modo per dimostrare empiricamente che questo era il processo giusto: trovare i neutrini che venivano emessi durante la catena di fusione.

Peccato che, nel 1939, il neutrino fosse una particella del tutto teorica, inventata da Pauli e Fermi circa 10 anni prima semplicemente per far quadrare i conti, e che, per via delle sue proprietà sfuggenti, era quasi impossibile da rilevare.

Quasi impossibile, nel dizionario dei fisici, significa molto interessante. Così, ebbe inizio una caccia alla particella inafferrabile, in un epopea che ricorda, almeno per certi versi, la moderna caccia ad un’altra particella teorizzata per decenni prima di essere (forse) rilevata sperimentalmente, il  dannato bosone di Higgs. La storia della caccia ai neutrini è avvincente e interessante di per sé, e la conservo per un futuro post; vi basti sapere che per quarant’anni le rilevazioni sono sempre state sempre più o meno inconcludenti, finché non è entrata in gioco la Big Science.

Alla fine degli anni ‘80, in Europa, con l’esperimento internazionale GALLEX (Gallium Experiment), un rilevatore contenente metà produzione annuale mondiale di Gallio, viene installato nelle profondità del Gran Sasso.  L’altra metà finisce in un altro rilevatore nelle profondità del caucaso, sponsorizzato da USA e Unione Sovietica, il SAGE (Soviet-American Gallium Experiment).

Nel 1997 vengono pubblicati i risultati degli esperimenti, che per la prima volta riescono a rilevare neutrini solari a bassa energia (nel mentre, dei neutrini erano già stati osservati negli anni 60, ma prodotti da reattori nucleari, non dal sole). Le rilevazioni dei due esperimenti si sposano perfettamente con i modelli previsti dalla catena pp. Per la prima volta nella storia dell’uomo,  avevamo una linea diretta con il nucleo del sole.

Voglio ripetervelo, perché non so se vi è chiaro: guardando degli scintillii su dei rilevatori nelle profondità della terra, possiamo vedere quello che succede nel nucleo del sole, e sapere con certezza perché e come che Darwin aveva ragione e Kelvin torto.

Queste sono le storie di fisica che preferisco: quelle che danno ragione ai biologi.

Taylor, K. (2001). Buffon, Desmarest and the ordering of geological events in epoques Geological Society, London, Special Publications, 190 (1), 39-49 DOI: 10.1144/GSL.SP.2001.190.01.04

Brush, S. (1957). The development of the kinetic theory of gases Annals of Science, 13 (4), 273-282 DOI: 10.1080/00033795700200151

Bethe, H. (1939). Energy Production in Stars Physical Review, 55 (1), 103-103 DOI: 10.1103/PhysRev.55.103