C'è un limite alla comprensione?

La Fisica delle particelle elementari

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C'è un limite alla comprensione?

"L'uomo sfonda la sfera celeste" - esemplare anonimo di Art nouveau (1907?)

Nel libro infinito dei segreti della Natura

Ben poco riesco a leggere.

 

William Shakespeare

 

Lo stato attuale della fisica subatomica è come un giallo di cui siamo costretti a sospendere la lettura proprio quando l'intreccio comincia a diventare eccitante. Le informazioni disponibili sono sufficienti a stuzzicare l'appetito e a suggerire la trama di un disegno coerente, ma molte domande scottanti rimangono senza risposta, aree grigie devono essere ancora colorate e tasselli del rompicapo devono essere messi al loro posto.

I due risultati veramente fondamentali finora ottenuti sono: prima di tutto, il raggruppamento delle particelle in famiglie di multipletti, e la loro interpretazione stringente in termini di quark permanentemente confinati; secondo, i passi iniziali verso un'unificazione di tutte le forze della natura. In tutto questo discorso risulta evidente il legame profondo tra struttura della materia e forze che agiscono su di essa.

D'altra parte, il più vistoso insuccesso è la mancanza di una passabile teoria quantistica della gravità, o comunque di una reale comprensione del perché questa forza risulta essere separata così profondamente dalle altre per intensità e comportamento. Non solo la gravità è assurdamente debole, ma agisce per mezzo di un bosone con spin 2 invece che 1 come le altre forze (fotone, bosone W e gluoni). In effetti, proprio questa è la ragione per cui la gravità ha un'interpretazione geometrica (una particella con spin 1 non ha una struttura geometrica sufficiente a descrivere la curvatura).

Un altro limite è nell'incapacità della matematica di fornire i valori numerici che entrano nella teoria delle forze, a cominciare da quelli delle masse delle particelle. A parte il limitato successo nella previsione delle masse di W e Z per mezzo della teoria di gauge unificata, sembra che le masse delle particelle debbano essere inserite nella teoria 'a mano'!

Una teoria completa dovrebbe essere in grado di fornire non solo le differenze di massa all'interno di un multipletto, come quella tra neutrone e protone, ma i valori medesimi delle masse di tutte le particelle subatomiche. Questo vale soprattutto per i leptoni, che non sono invischiati con le interazioni forti. In particolare, sarebbe interessante sapere se ha un qualche significato il fatto che le masse del muone, del pione e del kaone sono quasi esattamente (3/2) x 137, 2 x 137 e 7 x 137 volte più grandi della massa dell'elettrone, rispettivamente. C'è forse un qualche legame con la costante di struttura fine 1/137? E comunque, da dove vien fuori questo numero universale?

produzione di pioni da interazioni forti

 

 

 

Una teoria completa deve spiegare non solo l'intensità  Ke2 / h c  dell'accoppiamento elettromagnetico, ma anche perché le intensità della altre forze sono così differenti. Ci piacerebbe anche sapere perché i possibili valori della carica delle particelle elementari sono così pochi. Perché, per esempio, non ci sono particelle con carica 9e o 52e? E analogamente, riguardo alle altre etichette quantiche come la stranezza e l'incanto, ci si può domandare perché abbiano limiti di variazione così stretti.

Un altro grande mistero è quello delle leggi di conservazione. Perché alcune, come quelle dell'energia e del momento della quantità di moto, sono rispettate da tutte le forze mentre altre, come quella della stranezza, sono violate dall'interazione debole? Quante etichette 'invisibili', come il colore, sono necessarie per avere un sistema completo di leggi? Qual è il significato delle leggi di conservazione non dinamiche, che non possono cioè essere messe in relazione con simmetrie spazio-temporali?

Indipendentemente dai problemi teorici e sperimentali, ci sono profonde questioni filosofiche che riguardano la struttura della materia subatomica. Ripensando alle particelle descritte non si può fare a meno di chiedersi: ma a che cosa servono? Questa incredibile sovrabbondanza di specie fa pensare a una commedia con un gran numero di attori, nella quale però le parti veramente importanti si contino sulle dita di una mano. Sono necessarie le particelle in più?

Per quanto ne sappiamo, il mondo sarebbe praticamente lo stesso se esistessero solo i due quark (u, d) e i due leptoni (e,  νe) più leggeri. Apparentemente, queste particelle formano tutta la materia ordinaria. Se i costituenti elementari fossero solo questi, il numero totale di particelle subatomiche sarebbe davvero esiguo; protoni, neutroni, elettroni e pochi altri. Non sembra esserci nessuna ragione ovvia per cui la natura debba aver bisogno delle altre due generazioni di quark e leptoni. Fino a che punto arriva questa profusione? Quanti altri quark e leptoni salteranno fuori? Forse un limite non esiste, e facendo esperimenti ad energie sempre più alte si troveranno coppie di quark e leptoni con masse sempre più grandi, presumibilmente caratterizzati da nuove etichette analoghe alla stranezza e all'incanto. O forse ne mancano ancora poche: quanto bastano per rendere l'universo supersimmetrico.

Un motivo di questa sovrabbondanza potrebbe essere che la natura produce non solo quello che serve, ma tutto quello che può produrre. Sappiamo di già, dalle reazioni e trasmutazioni discusse, che ogni processo che può aver luogo ha luogo, a meno che non sia proibito da qualche legge. Forse tutto ciò vale anche per la produzione delle specie di particelle. Ma se è così, che ne è stato del monopolo magnetico, per non dire delle bizzarre, ma perfettamente possibili, particelle più veloci della luce dette "tachioni"? La loro rivelazione è impedita solo dall'inadeguatezza dell'apparato sperimentale?

produzione di pioni da interazioni forti

Se la natura ha l'abitudine di sfornare particelle in eccesso, non si può dire che faccia altrettanto con le forze. Senza gravità non esisterebbero né galassie né stelle né pianeti. Senza elettromagnetismo non ci sarebbero calore, luce, atomi o chimica. Senza l'interazione forte non ci sarebbero nuclei atomici, il mondo sarebbe tutto costituito di idrogeno, e il Sole e le stelle non potrebbero bruciare. Insomma, se mancasse una sola di queste tre forze la vita sarebbe impossibile. La stessa interazione debole, anche se forse può essere vista semplicemente come una componente di un'interazione elettrodebole unificata, è probabilmente essenziale alla vita come la conosciamo noi, perché controlla le reazioni nucleari nel Sole ed è alla base del meccanismo per cui certe stelle, le cosiddette supernove, esplodono. Elementi come il carbonio, che sono fondamentali per la biologia, vengono sintetizzati all'interno delle stelle, e quindi dispersi nello spazio interstellare grazie a queste esplosioni; possono essere dunque incorporati nella materia che costituisce i pianeti, come la Terra, e infine negli organismi biologici.

Naturalmente, potrebbero sempre esistere altre forze che finora sono sfuggite alla nostra attenzione, come per esempio una forza che si accoppiasse molto debolmente alla materia ordinaria, oppure una che si accoppiasse solo a particelle sconosciute e inafferrabili.

L'idea di fondo di tutte le indagini sulle forze è che rompendo la materia in pezzi sempre più piccoli alla fine dovrà emergere la vera struttura elementare. Fino a un certo punto i risultati hanno corrisposto alle aspettative. In primo luogo, lo studio delle molecole ha consentito una buona comprensione delle proprietà dei gas e dei solidi; quindi rompendo le molecole in atomi si sono chiarite le proprietà del legame chimico. Allontanando gli elettroni dagli atomi si è visto da dove proviene l'elettricità e come la luce può essere emessa ed assorbita, e spezzando il nucleo medesimo si sono scoperte forze totalmente nuove. Infine, l'interno dei nucleoni ha rivelato un livello di struttura ancora più elementare e l'esistenza di ulteriori forze.

Questo tipo di approccio alla fisica potrebbe essere chiamato 'analitico'. Tuttavia, nello studio della natura c'è un altro aspetto: quello  sintetico. Non penseremmo certo di studiare come funziona un orologio facendolo a pezzi con un martello ed esaminando poi le singole rotelle separatamente! L'aspetto che distingue un orologio da un semplice mucchio di molle e ingranaggi è la sua organizzazione collettiva: un orologio è un meccanismo cooperativo. Allo stesso modo, non possiamo pensare di capire il funzionamento degli organismi viventi isolando il DNA. Sarebbe inutile cercare le leggi della biologia negli atomi di carbonio e di ossigeno. Sembra quasi che ci sia una specie di principio di indeterminazione che dice che non si può determinare simultaneamente come la materia funziona e di che cosa è fatta. Il semplice fatto di esaminarne la struttura distrugge inevitabilmente la sua organizzazione. L'approccio analitico ci può quindi portare al massimo a metà strada.

 

 

 

Fino a che punto si può seguire questa strada? Non ci siamo forse già impantanati al livello dei quark, i quali non possono essere studiati separatamente nemmeno in linea di principio, e le cui proprietà si manifestano solo nel comportamento collettivo? E non potrebbe allora il nostro attuale livello di comprensione essere solo un'isola di semplicità, a metà strada tra la complessità macroscopica e quella submicroscopica? Se è così, dovremmo porci domande completamente diverse da quelle abituali riguardo all'organizzazione del mondo microscopico, e invece di interrogarci sui costituenti della materia, studiare forze e campi come un tutto integrato. Preoccupati come siamo della forma dei tasselli e di come possono adattarsi l'uno all'altro, potremmo infatti non vedere la figura d'insieme.

Nel secolo XVII l'uomo si trovò di fronte a un radicale mutamento di prospettive, nel momento in cui si rese conto di quanto la Terra fosse piccola e insignificante rispetto alla vastità dell'universo. In questo secolo abbiamo guardato in direzione opposta, nelle segrete profondità della materia, e abbiamo provato nuova meraviglia per quest'altra rivoluzione. La materia apparentemente solida dei nostri sensi ha ceduto la strada a un mondo immateriale di particelle effimere e alla mutevole complessità delle loro interazioni senza fine; un mondo nel quale strane leggi di conservazione combattono la casualità quantistica e riescono a impedire la discesa senza freni verso il caos e la distruzione.

Dei vari aspetti che emergono dal nostro studio del mondo microscopico, quello che senza dubbio incute maggiore riverenza è la straordinaria ingegnosità che la natura ci rivela. Molte delle scoperte descritte sono il risultato di un'intensa attività intellettuale, portata avanti collettivamente da alcune delle menti più acute che il mondo abbia mai conosciuto. Alcune teorie hanno richiesto argomentazioni matematiche sottili e difficili, che avrebbero potuto essere facilmente trascurate anche da matematici di grande competenza. Eppure la natura è stata così intelligente da scoprirle; così intelligente da costruire multipletti dal gruppo di simmetria SU(3), da usare la simmetria di gauge più semplice e bella per costruire l'elettromagnetismo, e da trovare la scappatoia da un teorema matematico che avrebbe potuto impedire al bosone W di avere una massa. La matematica e la bellezza sono le fondamenta dell'universo. Nessuno che abbia studiato le forze fondamentali può mettere in dubbio che il mondo che ci circonda sia una manifestazione di qualcosa di molto, ma molto ben congegnato.

  

L'universo è costruito su una pianta la cui profonda simmetria è in

qualche modo presente nella struttura interiore del nostro intelletto.

Paul Valéry

 

Voglio sapere come Dio ha creato questo mondo. Non mi interessano
questo o quel fenomeno, lo spettro di questo o di quell'elemento.
Voglio conoscere i suoi pensieri, il resto e' dettaglio.