Perché la materia solida è al 99% spazio vuoto

Quando ci appoggiamo a un tavolo di legno, quando premiamo i piedi contro il pavimento o quando sbattiamo il mignolo contro lo spigolo del letto, la nostra percezione ci restituisce un’unica certezza: la materia è solida, compatta e piena.

Eppure, la fisica moderna ci dimostra che questa certezza è un’illusione della nostra mente. A livello atomico, tutto ciò che tocchiamo, compreso il nostro corpo, è composto quasi interamente dal nulla.

Se le cose stanno così, per quale motivo non possiamo semplicemente camminare attraverso una parete o far passare la mano attraverso un tavolo? La risposta risiede nelle forze invisibili che governano il mondo quantistico. Scopriamo dunque insieme la composizione della materia.

Composizione della materia: quanto è grande un atomo?

Per capire quanto sia “vuota” la materia, dobbiamo fare un salto di scala ed esaminare la struttura dell’atomo. Nel modello semplificato che impariamo a scuola, l’atomo è composto da un nucleo centrale (protoni e neutroni) circondato da una nube di elettroni che gli orbita attorno.

Per visualizzare le proporzioni reali, usiamo un esperimento mentale. Immaginiamo che un atomo sia uno stadio di calcio da 80.000 posti. Il nucleo sarebbe una mosca posata al centro del campo e gli elettroni dei piccoli granelli di polvere che sfrecciano sugli spalti. E tutto il resto dello spazio? Completamente vuoto.

Questo significa che la materia che ci circonda è vuota per oltre il 99.9999999% del suo volume. Se potessimo eliminare tutto lo spazio vuoto presente negli atomi che compongono l’intero genere umano, tutti gli 8 miliardi di persone sulla Terra starebbero comodamente dentro il volume di una zolletta di zucchero.

Se è tutto vuoto, perché la materia ci sembra solida?

Se gli atomi sono gusci vuoti, cosa impedisce agli atomi della nostra mano di scivolare tra gli atomi vuoti di un muro di mattoni?

La prima ragione è di natura elettromagnetica. Gli elettroni possiedono una carica elettrica negativa. Quando avvicini la mano a una parete, la nube elettronica dei tuoi atomi entra in prossimità della nube elettronica degli atomi del muro. Poiché cariche dello stesso segno si respingono con una forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza, si genera una repulsione elettrostatica gigantesca.

In realtà, non hai mai toccato nulla in vita tua. Quando credi di “toccare” un oggetto, stai semplicemente percependo la forza di repulsione tra i tuoi elettroni e quelli dell’oggetto. Stai letteralmente galleggiando su un cuscinetto di forza elettromagnetica a una distanza infinitesimale.

Il “Principio di esclusione” di Pauli

Ma la repulsione elettrica è solo metà della storia. Il vero motivo per cui non puoi attraversare i muri è un principio fondamentale della fisica quantistica scoperto dal fisico Wolfgang Pauli: il “Principio di esclusione”.

I mattoni fondamentali della materia (come gli elettroni) appartengono a una famiglia di particelle chiamate fermioni. Una delle leggi inviolabili dell’universo stabilisce che due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato quantistico contemporaneamente nello stesso posto. Quando spingi la mano contro il muro, stai cercando di costringere gli elettroni del tuo corpo a occupare gli stessi spazi energetici già occupati dagli elettroni della parete.

La meccanica quantistica oppone a questo tentativo una resistenza insuperabile. La “solidità” che percepiamo non è il contatto tra due superfici rigide, ma la conseguenza di una legge matematica dell’universo che vieta la sovrapposizione delle particelle. Senza il Principio di esclusione, la gravità farebbe collassare tutti gli atomi del tuo corpo in un punto infinitamente denso e tu sprofonderesti al centro della Terra.