Il film "Oppenheimer", diretto da Christopher Nolan, narra la storia di Julius Robert Oppenheimer, il fisico responsabile del Progetto Manhattan che sviluppò le armi usate dagli Stati Uniti per devastare le città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki nel 1945, durante la Seconda Guerra Mondiale.
Ma Robert Oppenheimer è ricordato anche per aver dato un grande contributo all'astronomia per i suoi studi relativi al fenomeno del collasso gravitazionale.
Il "funzionamento" dell'ordigno atomico e il collasso delle stelle hanno in comune la grande quantità di energia emanata a seguito della trasformazione della materia. Il tutto nasce da una delle equazioni più iconiche nella fisica moderna, ovvero E = mc^2.
E=mc^2
La famosa formula di Albert Einstein è parte della sua teoria della relatività ristretta, pubblicata per la prima volta nel 1905. Questa equazione esprime la relazione tra l'energia (E) di un oggetto, la sua massa (m) e la velocità della luce (c), che è una costante universale.
La formula implica che l'energia e la massa sono interconnesse e possono essere convertite l'una nell'altra.
La presenza del termine "c" è dovuta alla velocità della luce che è una costante universale fondamentale: nel vuoto ha un valore di circa 299.792.458 metri al secondo.
Il termine "c^2" è un moltiplicatore che indica quanta energia è equivalente a una certa quantità di massa.
La massa e l'energia sono interconvertibili. Se si ha una certa quantità di massa (m) e si vuole calcolare quanta energia (E) è equivalente a quella massa, si deve moltiplicare la massa per il quadrato della velocità della luce "c^2".
Questo significa che una piccola quantità di massa può rilasciare un enorme quantità di energia.
FUSIONE E FISSIONE NUCLEARE
Sono due processi nucleari fondamentali che coinvolgono il rilascio di energia dagli atomi, ma si verificano in modo opposto:
- La fissione nucleare è il processo in cui il nucleo di un atomo pesante si spezza in due o più nuclei più leggeri, insieme a neutroni e una notevole quantità di energia. I neutroni rilasciati possono poi interagire con altri nuclei pesanti nelle vicinanze. Se uno di questi neutroni colpisce un altro nucleo pesante, può innescare una nuova fissione nucleare. Questo rilascia ulteriori neutroni che possono a loro volta interagire con altri nuclei, innescando nuove fissioni e così via. Questa sequenza di reazioni si ripete in modo molto rapido e produce una rapida crescita esponenziale del numero di fissioni nucleari.
- La fusione nucleare è il processo in cui due nuclei leggeri si combinano per formare un nucleo più pesante, rilasciando una grande quantità di energia.
Le bombe atomiche utilizzate durante la Seconda Guerra Mondiale erano basate sulla fissione nucleare. Queste bombe atomiche sono comunemente chiamate "bombe atomiche a fissione", e il principio alla base del loro funzionamento coinvolge la divisione di nuclei atomici pesanti, come l'uranio-235 o il plutonio-239, in nuclei più piccoli, rilasciando una quantità enorme di energia.
Il ciclo di vita di una stella che culmina con il collasso della stessa, invece, è un susseguirsi di processi di fusione nucleare.
La maggior parte delle stelle, inclusa il nostro Sole, inizia il proprio ciclo di vita convertendo l'idrogeno in elio attraverso una serie di reazioni di fusione nucleare. Questo processo è noto come nucleosintesi stellare. Nel nucleo stellare, l'enorme pressione e temperatura permettono la fusione dell'idrogeno in elio tramite la reazione di fusione nucleare. Questa fase dura per la maggior parte della vita di una stella.
Quando una stella esaurisce l'idrogeno nel suo nucleo, il suo destino dipende dalla sua massa. Le stelle di massa simile al Sole (stelle di piccola e media massa) espellono gradualmente gli strati esterni formando una nebulosa planetaria e lasciano un nucleo inerte noto come nana bianca al centro. Le stelle di massa molto elevata (stelle massive) continuano a fondere elementi più pesanti, come elio, carbonio, ossigeno e così via, fino a formare ferro nel loro nucleo.
Per le stelle molto massicce, il processo di fusione termina con la formazione di un nucleo di ferro estremamente denso. Tuttavia, il ferro non può essere fuso in elementi più pesanti senza assorbire energia anziché rilasciarla. Quindi, quando il nucleo raggiunge una massa critica, crolla improvvisamente sotto la gravità, provocando una violenta esplosione nota come supernova. Durante la supernova, avvengono reazioni di fusione nucleare estremamente rapide, creando elementi più pesanti.
Dopo una supernova, ciò che resta del nucleo può collassare ulteriormente. Se la massa residua è sufficiente, si formerà una stella di neutroni, una densa sfera composta principalmente da neutroni. Se la massa residua è ancora maggiore, può formarsi un buco nero, una regione dello spazio in cui la gravità è così intensa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire.
IL COLLASSO GRAVITAZIONALE
"Oppenheimer" condusse studi sul collasso gravitazionale insieme a George M. Volkoff negli anni '30 del XX secolo. Questi studi sono stati fondamentali per comprendere meglio il destino delle stelle massicce e le condizioni che portano alla formazione dei buchi neri.
Oppenheimer e Volkoff hanno esaminato in dettaglio il comportamento della materia altamente compressa all'interno delle stelle massicce che avevano esaurito il loro combustibile nucleare. Hanno dimostrato che quando una stella massiccia collassa sotto la forza gravitazionale, la pressione causata dalla degenerazione degli elettroni previene il collasso totale.
Calcolarono che esiste un limite massimo alla massa di una stella di neutroni al di sopra del quale la forza gravitazionale supererebbe la pressione degenerativa degli elettroni e la stella collasserebbe ulteriormente in un buco nero. Questo limite è noto come il "limite di Tolman-Oppenheimer-Volkoff". La massa limite di una stella di neutroni è stimata essere circa 2-3 volte la massa del Sole.
Il lavoro di Oppenheimer e Volkoff ha fornito le basi teoriche per comprendere come le stelle massicce possono collassare sotto la propria gravità, superando il limite di massa delle stelle di neutroni, e diventare buchi neri.
CONCLUSIONE
La scienza è uno strumento potente e versatile che può portare a progressi straordinari per l'umanità. Dalle scoperte fondamentali alla comprensione del nostro universo, alle applicazioni pratiche che migliorano la qualità della vita, essa rappresenta una delle più grandi conquiste dell'umanità.
Tuttavia, come qualsiasi strumento potentissimo, la scienza può essere usata sia per il bene che per il male. L'esempio di Julius Robert Oppenheimer, che ha contribuito in modo significativo al progresso scientifico attraverso i suoi studi astronomici ma ha anche giocato un ruolo chiave nello sviluppo delle armi atomiche utilizzate per distruggere Hiroshima e Nagasaki, ci ricorda che la responsabilità dell'uso delle conoscenze scientifiche è nelle mani dell'umanità.
La scelta di come applicare tali conoscenze è fondamentale. Dovremmo riflettere su come sfruttare la scienza per promuovere la pace, la prosperità e la sostenibilità, anziché il conflitto e la distruzione.
La scienza può costituire un faro di speranza per il futuro, ma solo se guidata dalla compassione, dall'etica e dal desiderio di migliorare la vita di tutti gli esseri umani.
In un mondo in cui le scoperte scientifiche possono avere un impatto profondo e duraturo, è nostro dovere coltivare una comprensione critica e una responsabilità etica nell'utilizzo delle conoscenze scientifiche. Solo allora possiamo sperare di sfruttare appieno il potenziale della scienza per il bene dell'umanità e del nostro pianeta.
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