I poteri di Clark Kent non sono così sovrumani, ce lo insegnano la radiologia e la fisica delle particelle applicata a muoni e laser
Superman è sicuramente il supereroe più emblematico della categoria, complice il fatto che le sue gesta affascinino le menti dei lettori fin dagli anni ’30, e nel tempo ha acquisito una lista quasi illimitata di poteri al limite dell’invincibilità. Indimenticabile è certamente la capacità di vedere attraverso corpi solidi e di emettere fasci di calore puro dagli occhi e la scienza ha qualcosa da dirci al riguardo.
Da giornalista a medico: la vista a raggi X
Clark Kent, identità segreta del nostro beniamino, è un giornalista mansueto e discreto, l’insospettabile facciata che gli consente di nascondere le proprie origini extraterrestri e di vivere una vita comune nei momenti in cui non è chiamato al dovere. Tuttavia avrebbe potuto benissimo lavorare come medico, grazie alla propria impeccabile vista a raggi X. Ma cosa sono davvero i raggi X e perché sono sinonimo di ‘vedere oltre un oggetto fisico’? Innanzitutto, con raggi X si intende la porzione della radiazione elettromagnetica compresa tra i raggi γ (gamma) e i raggi UV (ultravioletti), ovvero caratterizzata da una lunghezza d’onda tra i 10 nanometri e 1/1000 di nanometro e una frequenza tra i 30 PHz (10^15 Hertz) e 300 EHz (10^18 Hertz). La radiazione elettromagnetica è un fenomeno ondulatorio e corpuscolare. Lo associamo, infatti, in primo luogo alla variazione simultanea di campo elettrico e campo magnetico come una duplice onda (soluzione dell’equazione delle onde ricavata dalle equazioni di Maxwell), da cui discendono i parametri della lunghezza d’onda (distanza spaziale tra due massimi o due minimi successivi) e della frequenza (numero di massimi o minimi che attraversano un certo punto nello spazio in un’unità di tempo). In secondo luogo, tramite il modello standard riconosciamo oggi che sia mediato dai fotoni, particelle subatomiche dette anche quanti di luce. Lo studio sistematico dei raggi X ha le sue origini alla fine del XIX secolo, intrapreso da grandi menti come Nikola Tesla (1856-1953), Hermann von Helmholtz (1821-1894) e Wilhelm Röntgen (1845-1923). Quest’ultimo fu l’effettivo scopritore di tale porzione di radiazione, detta X perché ancora sconosciuta all’epoca, e ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1901 per il proprio lavoro. Il risultato deriva da una serie di esperimenti sui raggi anodici e catodici, culminati con l’osservazione che l’apparecchiatura da lui realizzata emetteva raggi in grado di attraversare un gran numero di materiali e di impressionare lastre fotografiche: egli provò in più modi a schermarli, ma ci riuscì solo con una lastra di piombo. L’utilizzo principale che ancora oggi trovano i raggi X è legato a doppio filo a questa loro caratteristica. La radiologia in ambito medico sfrutta il fatto che quando il raggio, ovvero un fascio di fotoni, attraversa un corpo, è ostacolato dagli atomi della materia condensata e solo una certa percentuale, dipendente dal numero atomico, di quelli arrivati riescono poi a raggiungere effettivamente il recettore. Per fissare le immagini, come scoprì Röntgen dirigendo il raggio sulla mano della moglie, è sufficiente usare una lastra fotografica: i raggi X, come detto, sono fotoni e come tali si comportano come un fascio di luce visibile (che è sempre una porzione dello spettro elettromagnetico) quando incontrano un materiale impressionabile. Un appunto, però, va fatto al nostro supereroe: i raggi X sono radiazioni ionizzanti e in quanto tali comportano un effetto biologico dannoso sui corpi che attraversano. Sebbene la dose equivalente a una singola radiografia non sia letale è doveroso prendere le giuste precauzioni e forse guardare il mondo emettendone costantemente è più un’azione da cattivi come Lex Luthor che da Superman.
Un’ipotesi alternativa: i muoni
Se assumiamo di poter ignorare la dicitura ‘vista a raggi X’ in quanto letterale, sicuramente è possibile trovare una lunga serie di ipotesi su come Superman veda attraverso i corpi. Lo sviluppo della fisica delle particelle ha contribuito in gran parte e la notizia ha avuto risonanza mondiale grazie agli studi compiuti nel 1970 sulla piramide di Chefren e nel 2017 su quella di Cheope, nella piana di Giza. Questi studi si sono concentrati sui muoni, una particella di carica negativa come gli elettroni, ma più massiccia di questi ultimi (pur restando la seconda particella carica più leggera). Sulla Terra arrivano grazie ai raggi cosmici emessi da stelle, novae, supernovae e quasar, che decadono in pioni quando incontrano l’atmosfera terrestre, i quali a loro volta decadono in muoni e neutrini. Per le leggi di conservazione dell’energia i muoni si ritrovano ad avere velocità elevatissime e ciò comporta che, sebbene in stato di quiete abbiano una vita breve, osservati dall’esterno abbiano una vita media apprezzabile, in accordo con le leggi di dilatazione temporale derivanti dalla teoria della relatività ristretta. I muoni in genere interagiscono poco con la materia circostante, potendo attraversare centinaia di metri di materia solida prima di essere assorbiti. Se si aggiunge il fatto che arrivino da ogni direzione dello spazio in quantità incalcolabile (un flusso di circa 10.000 particelle per metro quadro) ecco ricavato un perfetto strumento per sondare corpi densi senza romperli fisicamente. Gli studiosi possono, infatti, confrontare i dati forniti dai rilevatori attorno all’oggetto studiato con quelli previsti da un modello in cui esso non sia presente: il flusso calcolato è minore di quello ideale laddove la materia è più densa, in maniera proporzionale, e ciò significa che se un corpo ha fessure, cavità, crepe interne o zone di densità diversa, queste possono essere localizzate incrociando i dati in un modello 3D. Ed è questo ciò che hanno fatto gli archeologi per stabilire che nella piramide di Chefren non ci sono camere nascoste, al contrario di quella di Cheope, dove appunto nel 2017 è stata individuata una grande cavità di circa 30m al di sopra della Grande Galleria.
Raggi di calore dagli occhi: microonde o laser?
Il secondo potere che Superman possiede legato alla vista è quello di poter dirigere contro nemici o oggetti fisici raggi concentrati di calore. Due spiegazioni possono far luce sulla faccenda. La prima ritorna sulla questione delle onde elettromagnetiche: le microonde sono, infatti, la porzione compresa tra una lunghezza d’onda di circa 10 cm e 1 mm (ovvero frequenze tra 3 e 300 GHz) e sono tipicamente associate alla capacità di scaldare i corpi (si pensi agli omonimi forni che si trovano ormai in ogni casa). E’ proprio per il fatto di avere tali dimensioni che sono in grado di scaldare la materia organica, che contiene quasi sempre acqua, la cui molecola è un dipolo elettrico (l’insieme totalmente neutro di cariche positive a un estremo e negative all’altro) che interagisce facilmente con le variazioni del campo indotte dall’onda: in pratica l’energia rotazionale delle molecole di H20 aumenta e ciò, per definizione, significa che la temperatura aumenta. Non è strano allora pensare che l’idea sia stata sfruttata dalle forze armate statunitensi che, intorno al 2010, hanno sviluppato un uovo tipo di arma, detta ADS (Active Denial System) o Heat ray (raggio di calore). Si tratta in sostanza di un dispositivo che emette un potente raggio di onde millimetriche ad alta frequenza che interagendo con l’acqua e i grassi del corpo crea dolori intensi nel bersaglio investito dal fascio. L’azione delle microonde è però limitata. Ben più efficace è un raggio laser. Per laser (acronimo di Light amplification by stimulated emission of radiation) si intendono un certo dispositivo elettronico e il raggio di luce da esso prodotto. Come riassunto dall’acronimo inglese, il laser sfrutta il fenomeno dell’emissione stimolata. Normalmente i fotoni sono assorbiti dalla materia, ma se questa è eccitata le cose vanno diversamente. Quando un atomo è eccitato si trova ad un livello energetico più alto di quello che ha normalmente, ma è instabile. Se viene colpito da un fotone avente sufficiente energia torna al livello energetico precedente e nel farlo emette due fotoni. In un laser un mezzo attivo (gas come miscele di elio e neon, liquidi come solventi a cui si aggiungono coloranti chimici, o cristalli come il rubino) riceve energia da un sistema di pompaggio e i fotoni, moltiplicati dall’interazione con la materia, sono concentrati e riportati su di essa tramite superfici specchiate. La grande quantità di luce ottenuta è quindi convogliata ed emessa in un singolo fascio unidirezionale e coerente. I vantaggi stanno nel fatto che il raggio non si modifica nel suo percorso, divenendo così perfetto per effettuare misure precise o trasportare informazioni, e nell’alta irradianza: viene concentrata un’altissima potenza in uno spazio piccolissimo e quando i fotoni incontrano altra materia cedono energia provocando un rapido aumento di temperatura. Calibrando l’emettitore in funzione del materiale bersaglio è possibile fonderlo o portarlo a ebollizione, esattamente come vediamo fare a Superman. Nel video linkato qui sotto è illustrato efficacemente come funziona un laser.
