I quattro elementi fondamentali dell’Universo.

Claudio Della Volpe

Afferma Empedocle:

«Conosci innanzitutto la quadruplice radice
di tutte le cose: Zeus è il fuoco luminoso,
Era madre della vita, e poi Idoneo,
Nesti infine, alle cui sorgenti i mortali bevono»

Secondo una interpretazione Empedocle indicherebbe Zeus, il dio della luce celeste come il Fuoco, Era, la sposa di Zeus è l’Aria, Edoneo (Ade), il dio degli inferi, la Terra e infine Nesti (Persefone), l’Acqua.

Secondo altri interpreti i quattro elementi designerebbero divinità diverse: il fuoco (Ade), l’aria (Zeus), la terra (Era) e l’acqua (Nesti-Persefone).Tiziano, Concerto campestre, 1509, Parigi, Museo del Louvre. La donna alla fonte è una personificazione dell’Acqua. Il suonatore di liuto rappresenta il Fuoco. L’uomo con i capelli scompigliati dal vento simboleggia l’Aria. La donna di spalle raffigura la Terra.

 Col tempo a questi quattro elementi se ne aggiunse un quinto, la “quintessenza” o etere.
L’idea che la Natura potesse esser costituita con pochissimi elementi mescolati fra di loro è stata una delle idee più antiche ma anche di maggior successo nella storia umana.

Di fatti potremmo dire che tutto sommato la chimica moderna dice lo stesso.

Voi mi direte: ma non è vero la tavola periodica di cui celebriamo quest’anno il valore riporta ben 118 elementi possibili e sappiamo ce ne sono anche altri non ancora scoperti o sintetizzati.

Già ma di cosa sono fatti questi 118 atomi? Di cosa è fatto tutto ciò che ci circonda sulla Terra almeno? Cosa c’è dietro e per così dire “sotto” la Tavola Periodica?

Bastano solo quattro particelle: fotoni, protoni, neutroni ed elettroni; con queste quattro entità le leggi della chimica e della meccanica quantistica ricostruiscono tutto ciò che ci circonda; beh quasi, nel senso che ogni tanto arrivano raggi cosmici dal fondo cielo che si trasformano in mesoni e quelli non sono parte dei quattro oggetti nominati.

L’idea che a partire da pochi elementi si possa ricostruire tutto è stata accettata da grandi menti antiche e moderne; ovviamente per spiegare questo si sono ipotizzate e poi misurate esattamente le forze fra le particelle.

Newton che fu prima di tutto un grande alchimista (e solo dopo un fisico, era un chimico-fisico ante litteram, ma ce lo siamo fatto scippare dai fisici puri) ma è anche uno dei fondatori della fisica moderna scriveva:

There are therefore agents in nature able to make the particles of bodies stick together by very strong attractions. And it is the business of experimental philosophy to find them out. Now the smallest particles of matter may cohere by the strongest attractions and compose bigger particles of weaker virtue; and many of these may cohere and compose bigger particles whose virtue is still weaker, and so on for diverse successions, until the progression ends in the biggest particles on which the operations in chemistry, and the colors of natural bodies depend.” (I. Newton, Opticks).

(notate come parla di chimica e fisica INSIEME!!!)

Dunque per spiegare queste associazioni ci vogliono le forze che le manovrano.

Ma voglio essere più preciso; ne ho già parlato tempo fa su questo blog, discutendo la chimica ipotetica della materia oscura; i fisici hanno la loro “tavola” che si chiama “modello standard”; purtroppo i chimici non studiano queste cose, ma secondo me dovrebbero.

oppure questa è un’altra rappresentazione:

Ci sono nella materia ordinaria 18 componenti essenziali divisi fra 6 leptoni, 6 quark e 6 vettori delle forze.

Di questi 18 componenti per fare tutto ciò che si vede sulla Terra occorrono solo:

3 mediatori delle forze: fotoni, gluoni e bosone di Higgs, 2 quark, up (u) e down (d) che nelle combinazioni uud e udd producono protone e neutrone ed 1 solo leptone, ossia l’elettrone; sei entità (appartenenti rispettivamente tre ad una classe di componenti, due ad un’altra e il terzo ad un’altra ancora). E tutto viene fuori da questi 6.

Alla fine non siamo cascati così lontani. Credo che Empedocle si meraviglierebbe se tornasse a vivere di come la sua idea fosse dopo tutto vicina alla verità considerata tale anche dopo vari millenni.

Certo noi abbiamo una solida serie di esperimenti e di relazioni matematiche che supportano il nostro punto di vista, anche se non è ben chiaro perchè poi la matematica abbia così tanto successo (E. Wigner, The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences); c’è stato un ampio dibattito su questo tema, che inizia da Galileo (il mondo è scritto in linguaggio matematico; e passando per Wigner approda a conclusioni anche opposte: siamo noi che vediamo tutto attraverso la lente della matematica (Richard Hamming); dove è la verità? Non lo so. Esiste una terza via?

Pitagora aveva notato questo strano matematizzarsi dell’Universo già oltre 2000 anni fa.

Per Pitagora (575 a.C. circa – 495 a.C. circa) la successione aritmetica dei primi quattro numeri naturali, geometricamente disposti secondo un triangolo equilatero di lato quattro, ossia in modo da formare una piramide, aveva anche un significato simbolico: a ogni livello della tetraktys corrisponde uno dei quattro elementi.

1º livello. Il punto superiore: l’Unità fondamentale, la compiutezza, la totalità, il Fuoco

2º livello. I due punti: la dualità, gli opposti complementari, il femminile e il maschile, l’Aria

3º livello. I tre punti: la misura dello spazio e del tempo, la dinamica della vita, la creazione, l’Acqua

4º livello. I quattro punti: la materialità, gli elementi strutturali, la Terra

Non vi ricorda qualcosa? 1 punto di un tipo, due del secondo, tre del terzo!! Divisi per classi ed in quantità crescente, 1, 2, 3, come i 6 componenti del modello standard che abbiamo citato prima (1 leptone, 2 quark e 3 mediatori delle forze). Stupefacente combinazione?!

OK, può essere, comunque, siamo arrivati a 6 per descrivere quello che c’è sulla Terra dopo oltre 2000 anni di travaglio e lavoro, ma in fondo ci erano arrivati anche Pitagora ed Empedocle e Democrito e con caratteristiche per certi aspetti simili.

Ne è valsa la pena? E’ una teoria che torna periodicamente, un’applicazione dei cicli storici di Giambattista Vico? Eterni ritorni nella spirale dialettica hegeliana? Non so, credo che la scienza moderna post-galileiana sia un grande metodo di scoperta, ma anche l’intuizione e la osservazione degli uomini che ci hanno preceduto non era poi così male, e come insegna Lucio Russo gli scienziati alessandrini ci hanno preceduto nell’uso del metodo moderno. Abbiamo ancora da rifletterci a lungo su questa relazione fra scienza, matematica e osservazione, capacità di meravigliarsi.

Qualche collega potrebbe lamentarsi dell’eccessivo spazio che do alla fisica ed alla matematica in questo post; ma non è così. A mio parere la visione del mondo naturale dovrebbe essere unitaria per quanto possibile, la materia è una; e la Chimica costituisce evvero un linguaggio euristico ed indipendente rispetto alla Meccanica Quantistica, è esistita senza di essa, ma ha contribuito a svilupparla. Ci sono alternative alla meccanica quantistica? Non so ma ne riparleremo in un prossimo post.

Sarà vero casomai che dopo tutto la fisica teorica attuale e Pitagora sono simili perché guardano al mondo prima di tutto tramite la sua simmetria e bellezza:

La bellezza è verità, la verità è bellezza: questo è tutto ciò che voi sapete in terra e tutto ciò che vi occorre sapere.

(John Keats, poeta)

Ma non lo fa anche il chimico quando sintetizza le sue molecole, strutture la cui simmmetria e bellezza, che ci ricorda Vincenzo Balzani, viene prima del loro uso?

Non so, riflessioni catalizzate dall’anno della tavola.

Cosa ne dite chimici?

16 pensieri su “I quattro elementi fondamentali dell’Universo.

  1. Bello Claudio, e grazie per la citazione finale. Potremmo anche sperare che

    ”La bellezza salverà il mondo” Dostoevski Vincenzo

    ________________________________

  2. Una differenza importante tra l’idea dei 4 elementi e l’idea chimica dei 4 elementi e’ che nei composti i 4 elementi portavano nei composti le loro proprieta’ (es. il fuoco per il caldo, l’acqua per il liquido). Invece per noi chimici le proprieta’ dei composti non riflettono quelle degli elementi, ma sono dovute soprattutto ai tipi di legame.

  3. In linea di principio, tendo a pensare che non siamo esterni alla natura, ma ne siamo, soprattutto mentalmente, parte. Il nostro modo di osservarla e di descriverla riflette, pertanto, i suoi “codici” (forse diremmo meglio “meccanismi”), che sono connaturati con noi (in altri tempi avrei usato il termine “innati”, ma l’esistenza del codice genetico impone una revisione del termine). Le leggi, le teorie, i modelli non sono altro che l’espressione “umanizzata” di questi codici, dal pensiero filosofico al pensiero scientifico, e non possono che rifletterne la sostanza.

    • Quello che volevo dire è questo: se le matrici hermitiane sono basilari in meccanica quantistica ma sono state scoperte prima, ciò significa che noi scopriamo la matematica già presente in natura oppure vuol dire che quel pezzo di natura si può interpretare così ma casomai anche in altri modi che non abbiamo scoperto ancora o casomai non scopriremo mai? in fondo l’interpetazione matriciale non è l’unica possibile; è pur vero che le piante contano, gli animali contano e i popoli “primitivi” contano ma questo vuol dire che la matematica è un costrutto universale oppure è un costrutto della nostra evoluzione terrestre? la matematica della Drosera che conta i contatti prima di chiudersi implica che la natura è scritta in linguaggio matematico come diceva Galileo oppure siamo noi ad interpretare il fenomeno usando il costrutto che l’evoluzione per puro caso ci ha messo a disposizione? la matematica è un costrutto che risponde ad una evoluzione convergente e dunque anche altre specie la riscopriranno? oppure è un caso che si sia sviluppata qui da noi e su altri pianeti altre specie viventi non la scopriranno mai? dopotutto la logica di Galileo, che la Natura sia scritta in linguaggio matematico implica anche che essa risponda ad altre “intuizioni” che l’evoluzione ci ha dato: siamo esseri che concepiscono il mondo linearmente, su brevi periodi, ma per esempio l’interpretazione di Copenhagen rinuncia al principio di realtà, il mondo esiste solo quando lo misuro (“zitto e calcola” di Feynman); questo è “matematico”, ok, ma è anche vero? Personalmente ritengo di no. Sono Bohmiano, il mondo è reale e non locale secondo me; la magia ci ha raccontato questa storia della non località in modo perfetto, basta che pensi alle favole comuni a molti continenti del mondo; ma allora anche la magia è un modo di interpretare il mondo? ci avevo scritto anche un altro post: https://ilblogdellasci.wordpress.com/2014/06/20/il-buonsenso-e-morto-affatto/

  4. Provo a ribaltare il concetto. Quale delle due proposizioni riteniamo sia accettabile? Che la Natura sia scritta in un linguaggio matematico o che la matematica sia scritta in un linguaggio naturale? Nel secondo caso, la natura non sarebbe altro che un’espressione (della) matematica, il che mi pare un po’ duro da digerire. Nel primo caso, dobbiamo forse estendere il concetto di Galileo: il linguaggio matematico è il “nostro” linguaggio (evoluto) e, in maniera meno sofisticata, perché non sufficientemente sorretta dal pensiero cosciente, di tutte le entità naturali “numerabili”, ma pur sempre il fondamento del “nostro” approccio alla conoscenza della Natura. Due braccia, due gambe, due occhi… Non è un caso che la logica dei computer sia basata sul codice binario… mi spingo oltre… forse per la stessa ragione abbiamo a che fare con il dualismo onda-corpuscolo… Noi vediamo la Natura attraverso gli strumenti che ci consentono di vederla. Questo intendevo dire quando ho usato il termine “umanizzata”. Chiediamoci se un batterio, immaginandolo dotato di intelligenza, possa fare la stessa cosa. Ritengo che gli strumenti a disposizione della ragione, pur passibili di sofisticazione e affinamento, rispondano sempre al criterio di numerabilità, dalla visione della magia alla visione della scienza. Questo non ci dice come sia il mondo in realtà, anche se, come Bohm, accettiamo l’idea che esso sia reale (e, quindi, perfettamente conoscibile?). Magari possiamo approfondirne la conoscenza con strumenti (in senso lato) sempre più sofisticati, ma dovremmo forse svincolarci dalla numerabilità. Forse Einstein diceva che dio non gioca a dadi intendendo dire che non ne conosce l’esistenza.

  5. come avevo scritto nel post citato nella risposta di prima (https://ilblogdellasci.wordpress.com/2014/06/20/il-buonsenso-e-morto-affatto/) se accettiamo il principio di realtà e di non località dobbiamo rinunciare alla prevedibilità completa, la completezza della conoscenza; le tre cose insieme sono incompatbili con la MQ; se rinunciamo alla completezza della conoscenza stiamo fondamentalmente dicendo che la Natura si comporta come nella relazione fra Meccanica statistica e Termodinamica, si comporta come noi pensiamo ma solo in media, ma POTREBBE comportarsi diversamente, essere capricciosa; anche perchè non in tutti i casi abbiamo a che fare con grandi numeri che nel caso della Meccanica statistica ci assicurano dei risultati della Termodinamica;

    • E tornando sul concetto di non località, fin dai primi approcci alla meccanica quantistica imparai a farmi una ragione del fatto che la probabilità di trovare un elettrone a una certa distanza dal nucleo va a zero all’infinito…

  6. “I chimici dovrebbero studiare la chiica ipotetica della materia oscura”. Non credo sia facile per noi assumere il punto di vista del sistema periodico per andare oltre, come tu ci suggerisci. Come chimici siamo stati “fortunati”. L’atomo non si trova troppo “in basso”. Almeno, non oggi. Da Mendeleev in poi abbiamo intuito (o saputo) che i granuli di materia degli elementi, per presentare periodicità e altre caratteristiche comprensibili, dovevano avere al loro interno pochi “elementi primordiali”. Ma della natura fisica di questi tutta la chimica poteva ed ha saputo proliferare disinteressandosi. E credo che la cosa andrà avanti per molto. Dei problemi fondamentali della conoscenza se ne occupano i fisici. Per “aiutarli” dovremo assumere un atteggiamento diverso, che mi viene in mente quando vedo la figura con i 18 leptoni, quark e vettori delle forze, con relativi anelli di correlazione. Da dove scaturiscono? Non da qualche minerale finora sconosciuto. Cosa sono, realmente? Come si misurano, come si differenziano l’uno dall’altro? cosa possiamo misurare di questi enti? Sono gli ultimi? Quali tipi di simmetria li rendono tutti “necessari”? Perchè l’energia si contorce in queste maniere complicate? e via con stringhe, dimensioni oltre le 4, ecc. Senza contare la matematica che ci è totalmente sconosciuta e che dovremmo studiare per tentare di rispondere a ciascuna di queste domande o anche solo per poter affermare che è una domanda inutile o derivata da una diversa domanda. Non c’è una “mentalità chimica” che ci aiuti in tutto ciò. La chimica è sempre stata troppo utilitaristica (salvo poche eccezioni) per occuparsi di cose del genere. Ci vorrebbe piuttosto l’equivalente di un “superchimico”, come fu Mendeleev. Il quale aveva una mentalità chimica molto diversa da quella della sua epoca riguardo la ricerca dei fondamenti, dell’unità e dell’essenziale. Una passione per la sintesi maggiore dei chimici e comparabile con quello dei fisici e termodinamici del suo tempo, che però si occupavano di altre questioni.

  7. veramente avevo ipotizzato (ma in un diverso post) che se esiste la materia oscura potrebbe avere una chimica; qua la cosa è diversa; si tratta come chimici di sapere che oltre al nostro reame ce n’é un altro più profondo da cui le nostre leggi empiriche o se vuoi euristiche dipendono; e questo dovrebbe far parte almeno della cultura del chimico medio; come i fisici conoscono la tavola noi dovremmo conoscere il modello standard e se vuoi la biochimica; se no la pretesa di essere scienza centrale non regge. Dobbiamo esser capaci di entrare nell’essenziale delle discipline con le quali confiniamo; e questo la chimica-fisica lo fa egregiamente attraverso la termodinamica e la meccanica quantistica di base.

  8. Pingback: I modelli sconfitti. 2. | La Chimica e la Società

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