Il Sole attrae la curiosità degli umani fin dai tempi più remoti: tutte le antiche civiltà attribuirono al Sole una natura divina, riconoscendo in esso l’origine della luce, del calore e, in qualche modo, della vita. Questa “estraneità” del Sole dal mondo umano e questa sua appartenenza al mondo divino ha fatto sì che, fino a tempi relativamente recenti, nessuno si interrogasse sul suo funzionamento. Un’enorme palla di fuoco che brucia incessantemente per un tempo eccezionalmente lungo era al di là delle capacità di comprensione per il più fine scienziato, almeno fino al XIX secolo. Fino ad allora, la conoscenza della natura della materia era molto poco approfondita, si erano fatti pochi passi avanti rispetto alle quattro materie, acqua, terra, aria e fuoco, di aristotelica memoria, quindi gli scienziati erano un po’ rassegnati a non capire tutto quello che stava al di fuori del nostro mondo terreno.
(Immagine della NASA, http://sdo.gsfc.nasa.gov/)
All’inizio del XIX secolo, però, si costruiva la teoria atomica, nasceva la chimica come scienza, la meccanica celeste faceva passi da gigante e si era nel pieno della prima rivoluzione industriale. L’uomo del XIX secolo iniziava a farsi delle domande e, in un mondo (o, quantomeno, in una Inghilterra) dominato dalle macchine a carbone e a vapore iniziò a chiedersi se il Sole potesse essere una palla di carbone che brucia. Si sapeva, più o meno, quanto il Sole fosse lontano dalla Terra e quindi, in base alle sue dimensioni apparenti, quanto fosse grande. Facendo un po’ di conti, risultava però che, un sole fatto di carbone si sarebbe esaurito in meno di mille anni. Le teorie si susseguivano, tutte più o meno improbabili, finché Helmohltz non ebbe un’idea davvero interessante. Se consideriamo una nuvola di gas, questa tenderà a contrarsi sotto l’azione della gravità. La pressione del gas aumenterà, via via che sarà costretto in un volume sempre più piccolo, e gli urti tra molecole aumenteranno. In questi urti si produrrà energia, tanta più energia quanti più urti si verificheranno. Helmohltz calcolò che il Sole, se fosse stato una palla di gas in contrazione, in cui l’energia fosse liberata attraverso gli urti tra molecole, avrebbe potuto bruciare per decine di milioni di anni.
Nei primi anni del XX secolo, però, era chiaro che il Sole era lì da ben oltre un miliardo di anni. L’idea di Helmohltz, per quanto elegante, fu accantonata (in realtà quasi accantonata, oggi pensiamo che questo sia esattamente il processo con cui una nube di gas interstellare si scalda a sufficienza per diventare una stella, quindi l’idea era molto buona, ma era la risposta corretta ad un’altra domanda). Nel frattempo, era stata scoperta la radioattività, una serie di fenomeni in cui veniva rilasciata un’energia enorme da quantità di materia relativamente piccole. Per fare un confronto, l’energia emessa nel decadimento di un grammo di carbonio-14 è circa quarantamila volte più grande dell’energia emessa nella combustione di un grammo di carbonio. Si pensarono quindi diversi fenomeni in grado di produrre energia con processi nucleari, nessuno dei quali del tutto convincente. Conoscendo la composizione del Sole, grazie allo spettro della luce che viene emessa, si sapeva che queste reazioni dovevano essere di fusione di nuclei leggeri, di idrogeno o di elio, in nuclei più pesanti. Ciò che non era chiaro era dove si potessero trovare i neutroni, per fare questi nuclei più pesanti.
L’idea vincente venne dalla meccanica quantistica, che, come in molti casi, spiega fenomeni apparentemente impossibili. La reazione fondamentale per la produzione di energia nel Sole (e in tutte le altre stelle) è la fusione nucleare, in cui due nuclei leggeri si fondono in uno più pesante emettendo energia. Due protoni, alla temperatura del centro del Sole, non possono avvicinarsi tanto da “toccarsi”: avendo entrambi carica elettrica positiva, si respingono con una forza che aumenta tanto più si avvicinano. La meccanica quantistica ci dice però che questo non è del tutto vero, quando parliamo di singole particelle. Un protone non potrebbe avvicinarsi ad un altro abbastanza da poter interagire, ma, per un tempo molto breve, può attraversare la barriera di potenziale, come se potesse scavarci un tunnel sotto, e andare vicinissimo al suo simile. A quel punto, le forze nucleari sono molto più intense della forza elettrica di repulsione, per cui i due protoni possono pensare di interagire. Purtroppo, però, non si può formare un nucleo con due protoni. Serve almeno un neutrone, per tenerli legati insieme. Il problema, per produrre neutroni, è che un neutrone pesa più di un protone e anche più di un protone e un elettrone messi insieme. Per questo, serve un’energia abbastanza grande da compensare questa differenza di massa e, disgraziatamente, quest’energia non c’è. Se ci fermassimo qui, concluderemmo che il Sole non può stare acceso.
La meccanica quantistica ci viene incontro anche questa volta, in modo ancora più sorprendente. Consideriamo per un attimo il caso in cui un neutrone e un protone si incontrassero: potrebbero legarsi e formare un nucleo di deuterio (il fratello “pesante” dell’idrogeno) emettendo un’energia pari a circa 2 MeV, pari a circa lo 0,2% della massa di un protone, o a quattro volte la massa di un elettrone, o al doppio della differenza di massa tra protone e neutrone. Questa energia di legame sarebbe sufficiente quindi a trasformare un protone in neutrone, anzi, ne avanzerebbe pure! Quello che succede, quindi è questo. Nel mare gigantesco di protoni che formano il centro del Sole, due si avvicinano molto, poi, per un attimo, grazie all’effetto tunnel “si toccano” e lì succede un piccolo mistero. Uno dei due protoni prende in prestito, dal nulla, l’energia che gli serve per diventare un neutrone (ed emettere anche un neutrino e un positrone, l’antiparticella dell’elettrone), a quel punto, essendo un neutrone può legarsi facilmente all’altro protone e restituire l’energia che aveva preso in prestito prima.
Una volta formato il nucleo di deuterio, possono essere assorbiti altri protoni e formare nuclei di elio-3 e fondersi nuclei di deuterio in nuclei di trizio o di elio-4, ma tutti questi fenomeni sono “semplicissimi” rispetto al primo, che invece sembra un po’ un trucchetto degli scienziati per trovare una spiegazione ad ogni costo. In realtà non è un trucco, ma una caratteristica della natura delle particelle che rende quel mondo molto diverso dal nostro. Per noi, due eventi devono verificarsi uno prima dell’altro, prima il protone si deve trasformare in neutrone e poi il neutrone può legarsi ad un secondo protone. Per il protone questo non è del tutto vero. Per lui, il tempo e lo spazio sono concetti un po’ diversi: può essere in posti diversi allo stesso tempo, passare per due strade diverse per andare da un posto ad un altro, usare, purché sia per un tempo sufficientemente breve, dell’energia che non esiste per fare qualcosa che altrimenti sarebbe impossibile. In questo tempo molto breve, non ha senso dire cosa succeda prima o dopo, il prima e il dopo si mescolano e si confondono in un unico blob. Grazie a questo blob, però, il Sole rimane acceso!