La Fisica delle particelle elementari

La natura crea un'enorme complessità di struttura e di dinamica dai sei leptoni e dai sei quark oggi considerati i costituenti fondamentali della materia. Sono quattro le forze che governano le loro relazioni: elettromagnetismo, gravità, forza forte e forza debole. Nel mondo macroscopico del quale abbiamo diretta esperienza, una forza si può definire come un agente che modifica la velocità di un corpo cambiandone modulo, verso o direzione. Nel campo delle particelle elementari, dove la meccanica quantistica e la relatività prendono il posto della meccanica newtoniana del mondo macroscopico, è in vigore una definizione di forza più generale, e con essa un termine più generale: interazione. Un'interazione può causare variazioni di energia, di quantità di moto e così via quando si instaura tra numerose particelle in collisione; essa può anche agire su una particella isolata in un processo di decadimento spontaneo.

Solo la gravità non è stata studiata nella scala di esistenza delle particelle elementari; i suoi effetti su masse tanto esigue sono così modesti da poter essere tranquillamente ignorati. I fisici hanno cercato con successo di prevedere il comportamento delle altre tre interazioni con descrizioni matematiche note come <teorie di gauge>.

Punto centrale delle teorie di gauge è la nozione di simmetria. Nasce una simmetria in senso matematico quando le soluzioni di un insieme di equazioni restano inalterate anche se è stata modificata una proprietà del sistema che esse descrivono. Se una teoria matematica resta valida quando una proprietà del sistema viene modificata di una stessa entità in tutti i punti dello spazio, si può dire che le sue equazioni presentano una simmetria globale rispetto a quella proprietà. Se invece si può modificare la proprietà indipendentemente in ogni punto dello spazio e la teoria è ancora valida, le equazioni presentano una simmetria locale rispetto alla proprietà.

Oggi si ritiene che ciascuna delle quattro forze fondamentali derivi dall'invarianza di una legge di natura (per esempio, conservazione della carica o dell'energia) rispetto a un'operazione di simmetria locale in cui venga alterato un certo parametro indipendentemente in ogni punto dello spazio. Un'analogia con un disco ideale di gomma può aiutare a visualizzare l'effetto matematico. Se la forma del disco di gomma viene paragonata a un principio naturale e si considera lo spostamento di un punto entro il disco come un'operazione di simmetria locale, il disco deve conservare la sua forma anche se ogni punto al suo interno viene spostato indipendentemente. Gli spostamenti stirano il disco e introducono forze tra i punti. Analogamente, nelle teorie di gauge le forze fondamentali sono le inevitabili conseguenze di operazioni di simmetria locali e sono indispensabili per mantenere la simmetria.

Delle tre interazioni studiate nel regno delle particelle elementari, soltanto l'elettromagnetismo è oggetto di esperienza quotidiana comune, per esempio in forma di luce solare, in forma di scintilla di una scarica statica e di lievi oscillazioni dell'ago di una bussola. A livello subatomico esso acquista un aspetto non comune. Secondo la teoria quantistica relativistica, che lega la materia e l'energia, le interazioni elettromagnetiche sono mediate dai fotoni <portatori di forza> privi di massa che incorporano quantità di energia ben determinate. La teoria quantistica dell'elettromagnetismo che descrive le interazioni di particelle elettricamente cariche mediate dai fotoni è chiamata elettrodinamica quantistica (QED).

In comune con altre teorie delle interazioni fondamentali, la QED è una teoria di gauge. Nella QED la forza elettromagnetica si può ricavare imponendo che le equazioni che descrivono il moto di una particella carica rimangano invariate nel corso di operazioni di simmetria locale. In particolare, se si modifica indipendentemente in ogni punto dello spazio la fase della funzione d'onda mediante la quale, nella teoria quantistica, viene descritta una particella carica, la QED impone, per poter mantenere la simmetria, l'esistenza dell'interazione elettromagnetica e della sua particella mediatrice, il fotone.

La QED è tra le teorie fisiche quella che ha avuto maggior successo. Impiegando metodi di calcolo messi a punto negli anni quaranta da Richard P. Feynman e altri, essa ha fornito previsioni di estrema precisione, quale l'effetto infinitesimale dei fotoni irradiati e assorbiti da un elettrone sul momento magnetico generato dallo spin intrinseco dell'elettrone. Le descrizioni dell'interazione elettromagnetica, fatte dalla QED, sono state inoltre verificate in un intervallo di distanze straordinariamente grande, da meno di 10^-18 metri a più di 10⁸ metri.

Breve storia dell'elettrodinamica quantistica di Elio Fabri 

 
  Meccanica quantistica   di Roberto Battiston