Gamow (come pure Ronald W. Gurney, più o meno nello stesso periodo) propose che esistesse un tale "effetto tunnel" quantistico, e che questa fosse la causa della radioattività negli elementi pesanti. Vi fu una variante: la transizione più probabile, che richiede una energia minima, era non la fuga di un singolo protone, ma quella di un nucleo di elio -- due protoni e due neutroni legati insieme dalla forza nucleare, un legame molto forte. Questi nuclei così energetici sono noti come "particelle alfa" (particelle α), un nome introdotto nei primi tempi della ricerca sulla radioattività, dopo che i fisici trovarono che venivano emesse particelle cariche positivamente, ma non riuscivano a capire che cosa fossero.
Potrebbero occorrere milioni o anche miliardi di anni prima che una particella α riesca a sfuggire attraverso un "tunnel", e questo tipo di radioattività è la fonte di molto del calore interno della Terra (contribuisce anche il potassio radioattivo). Altri tipi di radioattività negli elementi pesanti spesso rappresentano una sorta di riaggiustamento di nuclei resi instabili dall'emissione di particelle α, talvolta causando l'emissione di ulteriori particelle α.
Prima o poi, la particella α cattura due elettroni dall'ambiente circostante e diventa un ordinario atomo di elio (e nel frattempo il nucleo, dopo l'emissione della particella α, ha ridotto la sua carica positiva e quindi deve cedere due elettroni, per mantenere l'insieme della materia elettricamente neutro). Quasi tutto l'elio trovato intrappolato nelle rocce o estratto dal gas naturale è in effetti dovuto a questo processo (possiamo dirlo poiché esso manca dell'altra forma più leggera di elio, che si osserva sul Sole e altrove). Così il gas usato per riempire le aeronavi e i palloni è quasi interamente un prodotto della radioattività!
Conclusioni
Lo studio dei raggi gamma emessi dai nuclei radioattivi suggerisce che anche i nuclei hanno dei livelli energetici. Tuttavia, usare la meccanica quantistica per calcolare tali livelli è molto più difficoltoso in questo caso, poiché le particelle nucleari sono legate molto più strettamente, e le forze nucleari sono più complicate. Comunque, almeno in prima approssimazione, la teoria quantistica può essere applicata a molti processi nucleari (come avveniva per la radioattività α, vista precedentemente), ed anche alle collisioni rapide delle particelle e alla fissione nucleare.
La fisica dello spazio ha a che fare con oggetti di grandi dimensioni -- stelle, plasmi, pianeti, ecc. -- ben al di là della scala submicroscopica della maggior parte dei processi quantistici. Tuttavia, anch'essa ha bisogno della meccanica quantistica, per tener conto dei processi su scala atomica connessi con il comportamento di tali grandi oggetti. L'energia delle stelle come il Sole è dovuta principalmente a reazioni tra nuclei atomici, e la maggior parte degli elementi che conosciamo (esclusi solo i più leggeri) sembrano che vengano rapidamente "cucinati" nel collasso catastrofico delle grandi stelle, generando quella che è nota come una "supernova". In effetti la materia del "Big Bang" originale sembra che mancasse di tutti gli elementi a noi familiari dal carbonio in su, dai quali dipende (tra le altre cose) la vita.
Altri processi quantistici determinano
- la fisica dell'atmosfera solare
- la perdita del plasma intrappolato, generato in una tempesta magnetica (mediante le collisioni "per scambio di carica" con la nuvola di atomi di idrogeno che circonda la Terra)
- la chimica dell'alta atmosfera e della ionosfera
- i colori prodotti dalle aurore polari
e molti altri fenomeni. L'universo non può essere capito senza la teoria quantistica.
Quasi tutto quello che è stato esposto precedentemente descrive il lavoro svolto tra il 1900 e il 1960. Da allora si sono compiuti molti progressi, in particolare sul modo in cui le particelle elementari interagiscono nelle collisioni ad alta energia (con applicazioni relative all'universo primitivo, dopo il "Big Bang"). Per "particelle elementari" si intendono qui protoni, neutroni ed elettroni, oltre a prodotti instabili generati nelle collisioni nucleari ad alta energia. Tutto questo però esula dal livello di questa panoramica, ed è anche al di là delle competenze di chi scrive, due buone ragioni per fermarci qui.
