E’ possibile osservare in Natura la trasformazione di energia in materia? Se no, sarebbe possibile, in teoria, a temperature molto basse prossime allo 0 assoluto osservare la trasformazione di energia in particelle elementari di materia? Grazie

La risposta alla prima domanda cambia a seconda di cosa si intenda per trasformazione energia-materia.

Se ci riferiamo alla semplice scomparsa di energia in una qualsiasi forma (calore, energia cinetica, energia di campo) in una data regione di spazio con conseguente aumento di massa dei corpi presenti in quella stessa regione di spazio, allora questo avviene in tutte le reazioni chimiche endotermiche, cioè quelle che possono avvenire solo assorbendo energia dall’ambiente esterno. In tutti questi casi si può osservare (naturalmente con misure molto precise) che la massa dei prodotti di reazione è maggiore della massa dei reagenti. La massa in più è data dall’energia assorbita che è stata trasformata in massa. Un altro esempio è la ionizzazione di un atomo o di una molecola, che può avvenire solo a seguito dell’assorbimento di un fotone che faccia saltare l’elettrone fuori dagli stati legati. In seguito a questo salto la massa dello ione+elettrone è maggiore di quella dell’atomo neutro (per questo l’atomo non si ionizza spontaneamente) e la massa in più è esattamente equivalente all’energia assorbita secondo la famosa equazione

E=mc²

Se invece si intende la scomparsa di energia cinetica o di campo (in tal caso è più preciso parlare di scomparsa di bosoni vettori, cioè di quelle particelle che, come i fotoni, trasportano le interazioni e che quindi rappresentano la parte energetica di un sistema) in cambio della comparsa di coppie di fermioni (le particelle come elettroni, protoni e neutroni che costituiscono ciò che normalmente chiamiamo materia) e antifermioni (la creazione di materia può avvenire solo creando contemporanemente una quantità uguale di antimateria) allora la risposta è negativa.

Per creare anche il fermione più leggero, l’elettrone (trascuro il neutrino che interagendo solo mediante la forza nucleare debole di fatto è coinvolto in fenomeni lontanissimi dall’esperienza comune) è necessaria una quantità di energia molto grande concentrata in un solo fotone (se in presenza di campi di forze esterni), in una singola coppia di fotoni o in una singola coppia di particelle che si urtano (se ci si trova nel vuoto), il che vuol dire radiazioni a frequenza molto più elevata di quelle che si osservano sulla Terra.

Naturalmente le cose cambiano se si parla di ciò che accade all’interno delle stelle, in particolare nelle supernovae. In queste stelle le grandi esplosioni  forniscono energia sufficiente a trasformazioni di ogni tipo. Tanto è vero che è proprio all’interno di queste esplosioni che avviene la creazione degli elementi più pesanti del ferro i cui nuclei in generale pesano di più dei loro singoli elementi che li compongono pesati separatamente. Tuttavia questa creazione di materia rientra comunque nel primo tipo (anche se le reazioni coinvolte sono nucleari invece che chimiche) in quanto le coppie particella-antiparticelle tendono a riannichilarsi poco dopo la loro creazione (dato che hanno carica elettrica opposta) restituendo l’energia sotto forma di radiazione.

Da ciò che ho detto risulta evidente che quello che viene ipotizzato nella seconda domanda è sbagliato. La creazione di materia dall’energia richiede alte velocità e quindi alte temperature. A basse temperature certamente non può avvenire. Quando un sistema si raffredda, ciò avviene perchè viene sottratta energia, e ci si avvicina allo zero assoluto quando la sua energia interna si avvicina al suo minimo assoluto a seguito di questa sottrazione.