Un tunnel quantistico accende il Sole
Le manifestazioni macroscopiche dell’effetto tunnel, al centro dell’ultimo Nobel, sostengono la fusione nucleare
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Che faccia fareste se, lanciando una pallina contro un muro, anziché vederla rimbalzare indietro verso di voi, la vedeste attraversare il muro e sbucare dall’altra parte? Nessuno di noi ha mai osservato qualcosa del genere nel mondo di tutti i giorni. Eppure, è esattamente ciò che può accadere, talvolta, nel mondo microscopico. Si tratta di uno dei tanti bizzarri fenomeni descritti dalla meccanica quantistica: l’effetto tunnel. Atomi e particelle possono attraversare barriere che, secondo la fisica classica, non avrebbero abbastanza energia per superare.
Negli anni ottanta del secolo scorso — in una serie di esperimenti effettuati su circuiti elettrici e superconduttori — i fisici John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis hanno dimostrato che l’effetto tunnel può agire anche su sistemi composti da un numero enorme di particelle. Sistemi così grandi, di norma, tendono a comportarsi secondo le regole della fisica classica. Ma gli studi di Clarke, Devoret e Martinis hanno mostrato che comportamenti quantistici sono possibili anche su scala macroscopica. Non sarà stupefacente come una pallina che attraversa un muro, ma quasi. Per queste ricerche, i tre fisici sono stati premiati quest’anno con il premio Nobel per la fisica.
Fonte di vita
Tuttavia, anche prima di queste importanti dimostrazioni sapevamo che l’effetto tunnel può avere manifestazioni molto tangibili e conseguenze concrete su scala macroscopica. A una di esse dobbiamo addirittura la possibilità della vita sulla Terra, e quindi la nostra stessa esistenza. L’effetto tunnel, infatti, gioca un ruolo cruciale nel meccanismo che tiene accese le stelle come il Sole.
Come è noto, le stelle sono alimentate dai processi di fusione nucleare che avvengono al loro interno. Stelle come il Sole bruciano nuclei di idrogeno, trasformandoli in nuclei di elio e generando enormi quantità di energia nel processo. C’è però un dettaglio meno noto e spesso trascurato: spingere i protoni che costituiscono il nucleo degli atomi di idrogeno ad avvicinarsi fra loro, superando la repulsione elettrostatica delle loro cariche positive, non è affatto facile. Anche alle altissime temperature e pressioni presenti nel nucleo di una stella, la barriera è talmente alta da risultare insuperabile. In altre parole, i protoni nel cuore del Sole non dovrebbero mai riuscire ad avvicinarsi abbastanza da fondersi. Eppure lo fanno: milioni di tonnellate di idrogeno si trasformano ogni secondo in elio, liberando l’energia che mantiene accesa la nostra stella e tutte le altre come lei.
Basta qualche milione di gradi
La spiegazione sta proprio nell’effetto tunnel, che permette ai protoni di oltrepassare la barriera elettrostatica. Di per sé il processo è estremamente improbabile, ma in una stella il numero di interazioni tra protoni è immenso, così grande che anche una probabilità piccola diventa sufficiente a sostenere la fusione su scala macroscopica.
Grazie a questo meccanismo, la fusione nucleare può avvenire già a temperature relativamente basse, di milioni di gradi, come quelle nel nucleo del Sole. Se la barriera elettrostatica dovesse essere superata solo grazie al calore, servirebbero temperature 1000 volte più alte, dell’ordine di decine di miliardi di gradi.
In sostanza, le stelle brillano perché l’universo è quantistico. Senza l’effetto tunnel, il Sole non esisterebbe come lo conosciamo. È una delle più straordinarie manifestazioni di come i principi controintuitivi della meccanica quantistica governino non solo il mondo microscopico, ma anche i fenomeni più grandiosi dell’universo.
