E qui cade l'asino

E QUI CADE L'ASINO

Abbiamo visto che le due massime teorie del novecento, la meccanica quantistica e la relatività, soprattutto quella generale, hanno applicazioni a due livelli diversi di grandezza: la prima a livello subatomico; la seconda a livello di spazio, cosmo, cioè a grande scala. Questo ha fino a qualche anno fa permesso di andare avanti senza troppe difficoltà utilizzando l'una o l'altra teoria, a seconda del campo d'applicazione.

Il principio di Heisenberg ci dice che l'universo è teatro di frenetiche attività, se lo esaminiamo a scale sempre più ridotte e a intervalli sempre più piccoli. Si potrebbe pensare, come ha fatto Einstein, che l'incertezza si manifesti solo quando entriamo in gioco noi, goffi osservatori. Questo è falso. Se provassimo a rinchiudere l'elettrone in scatole sempre più piccole, la frenesia dell'elettrone aumenterebbe. Heisenberg ci dice anche che a livelli subatomici esiste una specie di "contabilità quantistica"[1]: un elettrone può prendere in prestito una quantità di energia per superare una barriera a patto che la restituisca in un breve lasso di tempo. A livello microscopico si presenta una specie di "mania di debito", per cui le particelle prendono in prestito costantemente energia e quantità di moto, per poi ripagarle subito dopo. L'energia è una moneta facilmente scambiabile secondo la formula E=mc². Quindi un'oscillazione energetica particolarmente ampia può provocare l'apparizione nello spazio di un elettrone e del suo compagno nell'antimateria, il positrone. Siccome il debito deve essere velocemente saldato, materia e antimateria si annichileranno subito, restituendo l'energia. "Creazione e annichilazione, creazione e annichilazione: che spreco di tempo" , scherzò Feynman.

Negli anni Trenta e Quaranta i fisici teorici si accorsero di una cosa: l'equazione d'onda di Schrödinger ignorava la relatività ristretta, sorvolando sulla malleabilità di materia, energia e moto. Il primo tentativo di conciliazione fu fatto in direzione della forza elettromagnetica: nacque così l'elettrodinamica quantistica (1940), primo esempio di teoria quantistica dei campi. "Dei campi" perché inserisce le idee della meccanica quantistica all'interno della nozione classica di campo, "quantistica" perché gli aspetti probabilistici e il principio di indeterminazione fanno parte delle assunzioni di partenza; questa inoltre è "relativistica" perché tiene conto anche degli effetti della relatività. La teoria quantistica del campo magnetico è probabilmente la teoria più apprezzata e precisa mai formulata. Grazie all'utilizzo dei primi calcolatori sono state svolte le sue migliaia di equazioni, arrivando a risultati sperimentali sorprendenti, quali per esempio la verifica del fotone come "particella minima di luce" e le sue interazioni con le particelle cariche, come l'elettrone.

I risultati raggiunti dall'elettrodinamica quantistica hanno spinto molti ricercatori a cercare nuove teorie di campo per le altre 3 forze fondamentali (le forze fondamentali sono: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale). Si arrivò a formulare la cromodinamica quantistica (forza forte) e la teoria elettrodebole quantistica (forza debole). La seconda teoria portò con sé soprattutto la scoperta che a temperature molto elevate la forza debole e quella elettromagnetica si dissolvono e danno origine al campo elettrodebole. Quando le temperature calano, come dopo il Big Bang, le due forze si cristallizzano nella forma attuale, cioè separate, attraverso un processo chiamato rottura di simmetria. I risultati raggiunti dalle teorie di campo quantistiche sono straordinariamente in accordo con i dati sperimentali e hanno permesso di calcolare 19 parametri fondamentali delle particelle, validi perlomeno fino al limite attuale della nostra tecnologia. Queste tre teorie sono state raggruppate nel cosiddetto Modello Standard della fisica delle particelle.

Allo stesso modo dei fotoni per la forza elettromagnetica, anche le due forze forte e debole hanno le proprie particelle "elementari": i gluoni e i bosoni di gauge deboli (W e Z), che si comportano proprio come il fotone. Il fotone è detto particella mediatrice (o messaggera) della forza elettromagnetica, perchè rappresenta l'interazione tra due cariche, come se per esempio sparassero dei fotoni. Il fotone però porta con se un messaggio che regola l'interazione, attrazione per cariche opposte e repulsione per cariche dello stesso segno. Come per il fotone anche per le altre 2 forze lo scambio di particelle "elementari" regola l'interazione: per la forza forte dei gluoni, che tengono attaccati i quark dentro a protoni e neutroni, per la forza debole dei bosoni di gauge, che sono responsabili del cosiddetto decadimento beta.

Fin qui non c'è traccia del quarto bosone (tutte le particelle elementari che regolano le quattro forze fondamentali vengono chiamate bosoni): il gravitone. Del gravitone non si sa niente, non è mai stato trovato; si suppone che debba avere massa nulla e spin 2.

Visti i risultati ottenuti dalle teorie quantistiche di campo, gli scienziati si sono adoperati per scoprire anche la quarta teoria riguardante il campo gravitazionale. Per un motivo in particolare: la simmetria. Con la gravità possiamo affermare che tutti gli osservatori sono sullo stesso piano, indipendentemente dal loro stato di moto. In questo senso la gravità impone la simmetria, perché assicura l'equivalenza di tutti i possibili piani di osservazione. Anche le altre tre forze prevedono un tipo particolare di simmetria, chiamata simmetria di gauge. Per esempio consideriamo i quark. Abbiamo detto che essi sono tenuti insieme dai gluoni, responsabili della forza forte. I quark sono divisi in tre "colori": rosso, verde e blu (non ha niente a che fare con il significato visivo che ha per noi). Questi tre colori rappresentano la risposta dei quark alla forza forte. La simmetria sta nel fatto che non solo le interazioni tra due quark dello stesso colore o di colore diverso sono identiche. Anche se fossero trasformati in modo diverso da punto a punto, le interazioni fra quark non sarebbero toccate. Possiamo quindi dire che l'universo ha una simmetria associata alla forza forte, che è un esempio di simmetria di gauge.

Questa particolare proprietà che unisce tutte le forze fondamentali non è riuscita ad aprire la strada verso l'unificazione della meccanica quantistica e della relatività generale. Come detto, le due teorie "lavorano" a scale diverse. Tutto va bene fino a che non si arriva a considerare la differenza nella concezione di spazio vuoto. Per Einstein, in assenza di massa lo spazio è piatto. Se ci addentriamo a scale sempre più piccole, per la fisica classica le cose dovrebbero rimanere le stesse; per la meccanica quantistica, invece, tutto è soggetto alle fluttuazioni imposte dal principio di indeterminazione, anche il campo gravitazionale. Il valore nullo che assume il campo gravitazionale, per la fisica classica, nello spazio vuoto, è solo un valore medio. Inoltre, sempre per il principio di indeterminazione, man mano che lo spazio considerato è più piccolo, le fluttuazioni aumentano. Proseguendo nel considerare livelli più piccoli, arriviamo a un punto in cui la normale concezione di spazialità, destra-sinistra, avanti-indietro, e anche quella del tempo, non hanno più senso. Lo spazio non è più piatto: abbiamo trovato quella che Wheeler chiamò schiuma quantistica, che per noi è una situazione totalmente caotica. Applicando a tali grandezze le equazioni delle due teorie, otteniamo un risultato assurdo: infinito, cioè la natura ci dice che stiamo sbagliando di grosso. Considerando i fondamenti delle due teorie, i fisici sono riusciti a calcolare la distanza sotto la quale appare manifesto il caos quantistico: la lunghezza di Planck, data dalla formula

 ^m

Dove l_p = lunghezza di Planck, ћ = costante di Planck ridotta, G = costante gravitazionale, c = velocità della luce

Il risultato, quindi, ci mostra che l'incompatibilità tra le due teorie si manifesta solo a un ordine di grandezza incredibilmente piccolo: 10^-35. Per questo motivo una buona parte di fisici ha scelto di utilizzare separatamente le due teorie a seconda della circostanza, ma la maggior parte è rimasta turbata da questa incompatibilità. I tentativi di conciliazione sono stati molti, ma si sono rivelati tutti vani. Fino a che non siamo giunti alla teoria delle superstringhe (o, comunemente, stringhe).

Un simbolo del potere creativo del pensiero umano

Albert Einstein (1879-1955) è stato un fisico e matematico tedesco naturalizzato svizzero e in seguito statunitense.

Oltre a essere uno dei più celebri fisici e matematici della storia della scienza, fu un grande pensatore e attivista in molti altri ambiti (dalla filosofia alla politica). Per il suo complesso apporto alle scienze e alla fisica in particolare è indicato come uno dei più importanti studiosi del XX secolo.

Conosciuto soprattutto per le sue teorie sulla relatività ristretta e sulla relatività generale, dette anche importanti contributi alla nascita della meccanica quantistica e alla critica dei suoi fondamenti, alla meccanica statistica e alla cosmologia.

Ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1921 grazie alla sua spiegazione dell'effetto fotoelettrico e 'per i suoi contributi alla fisica teorica'. Dopo la formulazione, nel novembre 1915, della teoria della Relatività generale la fama di Einstein dilagò in tutto il mondo. Era un successo insolito per uno scienziato e, durante gli ultimi anni della sua vita, la reputazione di Einstein non fece che aumentare, superando quella di qualunque altro scienziato della storia. Nella cultura popolare, il suo nome divenne ben presto sinonimo di intelligenza e di grande genio. La sua immagine rimane a tutt'oggi una delle più conosciute al mondo. Questa popolarità ha inoltre portato ad un uso molto diffuso della sua immagine nel mondo della pubblicità, giungendo persino alla registrazione di 'Albert Einstein' come marchio.