Romanzo scientifico

Il linguaggio delle scienze (di EdMax)

I modelli nelle scienze

Se potessimo osservare a grandezza d’uomo oggetti come una molecola d’acqua, un filamento di dna o una galassia, come sarebbero fatti? Quando studiamo un qualsiasi fenomeno naturale, in realtà stiamo analizzando un suo modello, cioè una sua rappresentazione ideale. Lo studio delle scienze è in effetti lo studio di modelli: si parla di modelli atomici, modello corpuscolare e ondulatorio della luce, modello geocentrico ed eliocentrico, modello del big bang, modelli matematici.

Modellizzare significa cercare di spiegare, in un quadro globale plausibile e comprensibile, un certo fenomeno. Nella costruzione dei modelli intervengono opere di composizione e di scomposizione di conoscenze. «La scienza smonta ma poi anche rimonta», scrive Claudio Longo (Didattica della biologia, La Nuova Italia 1998), ed è proprio questo continuo “montaggio e smontaggio” dei concetti che favorisce il perfezionamento dei modelli scientifici.

Un modello schematizza un fenomeno ma non è un semplice riassunto. Un modello può trattare singoli aspetti ma fornisce nel contempo una visione globale. Un modello concentra eventi, personaggi e scoperte realizzate nel corso di decenni o secoli, ma costituisce nel contempo un importante elemento di sintesi.

Ma un modello non è infallibile. Esso può essere soggetto a rivisitazioni, correzioni, ampliamenti. Può essere perfino sostituito da un altro modello adeguato alle nuove conoscenze acquisite. Il modello geocentrico tolemaico, formalizzato nel ii secolo d.C., dominò per 1300 anni il pensiero degli uomini, e solo a partire dal xvi secolo ha perso terreno nei confronti del modello eliocentrico di Copernico, successivamente confermato e rafforzato dalle scoperte di Keplero, Galileo e Newton.

La visione atomistica di Democrito di Abdera (460-370 a.C.) è stata dapprima corretta dalla teoria atomica di Dalton nel xviii secolo, a sua volta ulteriormente rivalutata dai modelli che dalla fine del xix secolo hanno spiegato la struttura dell’atomo.

In biologia si parla di modelli biochimici e biomolecolari, modelli di ereditarietà mendeliana e postmendeliana, modello a mosaico fluido della membrana cellulare. E poi, nel mondo delle Scienze della Terra, si studiano i modelli convettivi del Sole, dell’atmosfera e dell’interno della Terra; i modelli dell’evoluzione stellare, dei moti planetari e del sistema Terra–Luna; i modelli della litosfera, dell’idrosfera e delle rappresentazioni cartografiche.

Linguaggi, modelli e rappresentazioni della chimica

Provate a disegnare un atomo. Molto probabilmente il “modello” che avete disegnato ricorda le vostre esperienze scolastiche durante le lezioni di chimica. Palline, punti, lettere dell’alfabeto, nubi, palloncini, lobi, persino omini, sono alcune rappresentazioni con cui gli atomi vengono raffigurati nei libri di testo. Ciascuna di queste rappresentazioni ha il suo fascino, ma si tratta sempre di un modello.

La parola atomo deriva dal greco átomos (a- priv. e témnein, tagliare) che significa “indivisibile”, “che non può essere tagliato”. Sebbene oggi sia possibile “tagliare” gli atomi, il nome con cui essi si designano è rimasto inalterato. La radice greca si ritrova anche nel nome delle diatomee (da diátomos, «che taglia in due»): osservando al microscopio una comune diatomea possiamo capire il perché del loro nome. Anche il termine anatomia ricorda il “tagliare”, cioè sezionare un corpo per vedere com’è fatto.

Il modello atomico di Thomson è qualche volta ricordato come modello “a panettone”: l’atomo di Thomson è un oggetto denso e solido portatore di una carica positiva contenente dispersi al proprio interno gli elettroni a carica negativa, come i canditi in un panettone. Questa è l’immagine che viene di solito presentata dai libri di chimica. Quello di Rutherford è spesso ricordato come “modello planetario” per via dell’analogia con il sistema solare: l’atomo è paragonabile a un sistema solare in miniatura con gli elettroni (i pianeti) che ruotano attorno al nucleo centrale (il Sole). Meno metaforici sono i successivi modelli ondulatori introdotti nei primi decenni del xx secolo dai fisici quantistici.

Il linguaggio della chimica trabocca di punti, frecce, trattini, numeri e altri simboli grafici. «Al fine di esprimere con simboli l’idea della combi­nazione chimica – scriveva Gilbert Newton Lewis intorno al 1916 – intendo usare due punti per rappresentare due elettroni che agiscono come legame d’unione fra due atomi».

Un punto di Lewis rappresenta un elettrone; un trattino di Lewis (–) indica due elettroni legati assieme (cioè un doppietto elettronico di legame o solitario), mentre doppi e tripli legami si denotano rispettivamente con due (=) e tre trattini sovrapposti.

Una serie di punti simboleggia il “ponte chimico” (legame o ponte idrogeno) che l’atomo di idrogeno di una molecola d’acqua, per esempio, costruisce con l’atomo di ossigeno di un’altra molecola d’acqua. Senza questi ponti chimici la vita probabilmente non sarebbe possibile, almeno così come la conosciamo.

Si usa una freccia per indicare la direzione di una reazione chimica irreversibile (dai reagenti ai prodotti e non viceversa), una freccia con due punte opposte per le reazioni chimiche reversibili (dai reagenti ai prodotti e viceversa). Sempre una freccia con due punte opposte separa le forme limite di risonanza che si differenziano per la distribuzione degli elettroni, a parità di disposizione degli atomi. Ancora una freccia rappresenta la cessione completa di un doppietto elettronico da parte di un atomo impegnato in un legame dativo (legame di coordinazione).

Frecce curve rappresentano il trasferimento di elettroni da un atomo all’altro, mentre frecce opposte verticali possono essere usate per designare lo spin opposto di due elettroni che condividono lo stesso sottolivello energetico. Infine, due “frecce” (cioè due assi orientati) fra loro perpendicolari ci ricordano uno degli strumenti più potenti della chimica e di tutte le scienze: il sistema di assi cartesiani ortogonali!

EdMax