Lo schema vi mostra come la massa di Curiosity, il rover che sta gironzolando su Marte, sia la stessa sulla Terra e sul pianeta rosso (900 kg). Il peso invece del rover su Marte è un terzo di quello sulla Terra. (http://www.asimmetrie.it/index.php/insostanza)

Dove è andata a finire, allora, la massa? Preparatevi ad una di quelle risposte che solo i grandi fisici possono capire! Esiste una teoria, chiamata cromodinamica quantistica (QCD) che ci dice come si comportano i neutroni e i protoni dentro il nucleo. Ebbene, secondo questa teoria, neutroni e protoni interagiscono tra di loro scambiandosi particelle di massa nulla che si chiamano gluoni (guardate questa animazione per saperne di più). Durante queste interazioni c'è scambio di energia e la massa dei nuclei atomici deriverebbe non solo dalla massa dei quark ma anche dall'energia delle interazioni tra queste particelle con i gluoni. Ma che confusione? Cosa c'entra la massa con l'energia? Andiamo per gradi.
Il concetto moderno di massa nasce con Newton, il quale definì la massa inerziale come la costante di proporzionalità tra forza e accelerazione nel secondo principio della dinamica, F = ma. Possiamo pensare alla massa inerziale di un corpo come alla sua resistenza ad una forza. Ma Newton introdusse anche il concetto di massa gravitazionale, cioè quella massa che compare nell'espressione della forza di attrazione gravitazionale tra due corpi (leggete anche La legge di gravitazione universale). Galileo dimostrò che queste due masse sono equivalenti e nella teoria della relatività generale, Einstein diede una spiegazione dell'uguaglianza di massa inerziale e massa gravitazionale.
Ma Einstein, nella teoria della relatività ristretta, aveva già rivoluzionato il concetto di massa inerziale. Infatti secondo Einstein, la misura dell'inerzia di un corpo non è la sua massa, bensì la sua energia. A basse velocità la relatività diventa uguale alla fisica di Newton, cioè in questi casi si parla di massa inerziale come la intendeva Newton. Ma nel piccolo dei nuclei atomici e alle velocità alle quali gli effetti relativistici si fanno sentire, la massa è una forma di energia, secondo la famosissima formula E = mc², dove E è l'energia, m la massa e c, la velocità della luce (300000 km/s). L'equivalenza di massa e energia è evidente nelle reazioni di fissione e fusione nucleare o negli urti all'interno degli acceleratori di particelle, dove la massa è convertita in energia e, viceversa, l'energia cinetica in massa.

La famosa equazione di Einstein E = mc2 afferma che la massa e l'energia sono due grandezze fisiche "equivalenti" a meno di una costante, che è la velocità della luce al quadrato. Paragonando l'Universo conosciuto ad un iceberg, la sua parte emersa, è ciò che corrisponde al tipo di materia che chiamiamo ordinaria e che conosciamo. Il resto è "oscuro"! (http://www.asimmetrie.it/index.php/insostanza)

Il grande fisico italiano Enrico Fermi così scriveva sull'equazione di Einstein: "La relazione tra massa ed energia invece ci porta senz'altro a delle cifre grandiose. Ad esempio, se si riuscisse a mettere in libertà l'energia contenuta in un grammo di materia, si otterrebbe un'energia maggiore di quella sviluppata in tre anni di lavoro ininterrotto da un motore di mille cavalli (inutili i commenti!). Si dirà con ragione che non appare possibile che, almeno in un prossimo avvenire, si trovi il modo di mettere in libertà queste spaventose quantità di energia, cosa del resto che non si può che augurarsi, perché l'esplosione di una così spaventosa quantità di energia avrebbe come primo effetto di ridurre in pezzi il fisico che avesse la disgrazia di trovar il modo di produrla". Non solo Enrico Fermi ci riuscì, ma rimase tutto intero!
Ritorniamo al nostro problema iniziale, cioè facendo la somma delle masse di tutti i quark che compongono un dato corpo, otteniamo la sua massa totale? Evidentemente no, perché la massa di un corpo è, in realtà, la somma delle masse, ma anche delle energie dei suoi costituenti. Se consideriamo però la famosa equazione di Einstein, i conti tornano. Abbiamo quindi imparato che la massa dei nuclei atomici è determinata anche dalle energie interne di legame. E' per questo motivo che la fissione di un grammo di uranio sprigiona decine di migliaia di chilowattora di energia!
La questione della massa finisce con la spiegazione di Einstein? Niente affatto. Come si origina, infatti, la massa dei quark o di altre particelle elementari come gli elettroni, che si muovono intorno ai nuclei atomici? Nella scienza il 2012 sarà ricordato come l'anno della scoperta del bosone di Higgs (leggete anche Boson for dummies). E' proprio questa particella ad essere responsabile dell'origine della massa delle particelle elementari! Nonostante questo risultato così eccitante per la comunità scientifica dei fisici, che è valso il premio Nobel 2013 a Peter Higgs e François Englert, i teorici che hanno previsto il bosone e descritto il meccanismo dell'origine della massa, le nostre conoscenze sono ancora molto, molto limitate.
Vi ricordo infatti che questa famosa massa, il cui studio ha impegnato le più grandi menti della storia, costituisce la materia ordinaria ed è il 5 % appena dell'Universo conosciuto! E tutto il resto? Materia oscura e energia oscura, e se i fisici le hanno chiamate oscure un motivo ci sarà... (leggete anche Quando la materia oscura ci spiega altri misteri...)

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)