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Cosmologia – 12 – Le stranezze del mondo subatomico

di Mario Giardini

Einstein_Dio-non-gioca-a-dadi-con-luniversoNils Bohr diceva che chi non è sconvolto dalla teoria quantistica, non l’ha capita. In effetti, il mondo subatomico è strano. Abbiamo detto dei quark, che sono di sei tipi diversi. Ma solo due tipi, l’up e il down, formano composti stabili. Gli altri possono essere creati, e combinati in laboratorio, ma vivono una vita effimera: miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di secondo. A tutti i fini pratici, sembrano superflui. Vanno e vengono. Se non ci fossero, le leggi naturali sarebbero sempre le medesime.

Il neutrone esiste ed è stabile solo se inserito nel nucleo di un atomo. Da solo, decade dopo una decina di minuti. Il protone, invece, sembra eterno: vive assai più a lungo dell’età attuale dell’universo (14 miliardi di anni circa). Sono solo esempi. Che senso ha tutto ciò? E perché è così? Nessuno lo sa. Finora.

Più in generale, i principi che regolano tale mondo sono ancora più strani.

Il primo principio quantico dice che tutti i parametri che usiamo nella vita normale per descrivere il mondo macroscopico che ci circonda (velocità, energia, posizione, tempo) sono, a livello subatomico, indeterminati. E presentano variazioni casuali.

Per esempio, anche una cosa semplice, cioè definire dove si trovi esattamente l’elettrone di un atomo di idrogeno in un dato istante, mentre percorre la sua orbita intorno al nucleo, è impossibile. Tutto ciò che possiamo fare è costruire una funzione di probabilità. Principio di indeterminazione, Heisenberg, 1927.

Il secondo principio afferma che tutte le particelle materiali ed i campi di forza sono quanti , cioè pacchetti, di energia indivisibile ulteriormente. E che tutte le particelle si possono comportare come corpi, in taluni casi; come se fossero onde, in altri.

Detto grossolanamente: una volta come palle di biliardo indeformabili; un’altra come un’onda luminosa (cioè qualcosa priva di massa e che si propaga alla velocità della luce). Tanto è vero che esiste un’equazione, l’equazione di Schrödinger, che definisce esattamente il comportamento ondulatorio (non relativistico) della materia.

Altro che strano, piuttosto incredibile, nevvero? Infatti, ci vollero una ventina d’anni per mutare l’atteggiamento mentale dei fisici in modo da fargli accettare la realtà di questo mondo. Direte ancora: come è possibile? Possibilissimo. Si può provare sperimentalmente questo comportamento. Non solo: si possono anche costruire apparati che lo sfruttano. I pannelli solari fotovoltaici sono un esempio: infatti sfruttano il comportamento corpuscolare della luce quando incide su una superficie di un determinato materiale. Fu per la spiegazione di questo fenomeno (detto in generale effetto fotoelettrico, 1905) che ad Einstein venne assegnato il Nobel nel 1921 (non per la teoria della relatività).

Einstein non aveva simpatia per la teoria quantistica. Anzi. Nei suoi confronti si dimostrò sempre, lui che aveva avuto il coraggio di mettere in discussione dogmi newtoniani oggetto di fede per la scienza durante tre secoli, un conservatore ai limiti del bigottismo. Aborriva l’elemento aleatorio insito nella teoria stessa. “Dio non gioca a dadi”, affermò e scrisse. Bohr gli rispose: “Einstein, non dire a Dio cosa può o non può fare”.

Altra stranezza del mondo subatomico è la straordinaria differenza di massa tra le varie particelle. Se prendiamo come unità di massa l’elettrone, si è trovato che il neutrino ha una massa piccolissima, inferiore a dieci miliardesimi ( minore di 10-8); mentre il quark up ha una massa 8 volte maggiore, e quello down 16. Il quark più pesante, quello tipo t (top), pesa 344 000 volte l’elettrone. Il bosone Z, 178 000 volte.

Le leggi che sono state trovate e che definiscono le regolarità osservate in natura includono delle costanti (che sono dette costanti fondamentali). I valori di tali costanti sono incredibilmente diversi fra di loro. Per esempio, la costante di Planck ha un valore pari a 6,624 x 10-34 chilogrammi per metri quadri al secondo. La velocità della luce ha un valore pari a circa 2,99 x 108 m/s. E la costante di gravitazione universale di Newton è pari a 6,7 x 10-11 metri cubi al chilogrammo al secondo quadro.

L’estrema diversità del valore numerico delle costanti fondamentali dipende dalle unità di misura utilizzate. Ci sono tre unità di base. Lunghezza, massa, e tempo. Solitamente, usiamo il chilogrammo massa, il metro e il secondo. Che accade se io cambio queste unità?

Beh, usando le ore al posto dei secondi, la costante velocità della luce diventa circa 1,08×1012 m/h. Usando i centimetri, il numero cambia ancora: 1,08 x 1014 cm/h. Passando ai piedi ( 1 piede = 30,48 cm) ottengo 3,5315 x 1012 piedi all’ora. Una discreta babele, se bisogna far di conto.

Ragioniamo in maniera diversa. Per esempio, se per il tempo prendo in considerazione l’anno e per la lunghezza l’anno-luce, cioè la distanza che la luce percorre in un anno, ho sostituito a 9,461 1012 chilometri (novemilaquattrocentosessantun miliardi di km) l’unità. Questa potrebbe essere definita unità naturale della lunghezza, in tutti i fenomeni dove intervengono grandissime distanze: l’anno luce. Di fatto, la si utilizza in cosmologia al posto dei km.

Fu Planck a fare questo ragionamento. Cosa trovò? Bene, le unità naturali per lunghezza, il tempo e la massa sono le seguenti.

Lunghezza: circa 10-33 centimetri (0,000000000000000000000000000000001 cm). Per rendersi conto: la nuova unità di misura della lunghezza è tanto più piccola del diametro di un atomo quanto un atomo è più piccolo di una galassia.

Tempo: circa 10-42 secondi (0,00000000000000000000000000000000000000001 secondi). Questo è un numero mostruosamente piccolo, impossibile da visualizzare mentalmente. Con questa unità di misura, anche le radiazioni a più alta frequenza hanno periodi di oscillazione lunghissimi. Un’onda elettromagnetica della frequenza di 100 miliardi di Hertz (f = 1011) avrebbe un periodo di oscillazione di durata pari a 1031 unità naturali di tempo.

Massa: circa 10-5 grammi (0,00001 grammi). Questo è il peso di un granello di polvere.

Queste unità sono dette unità di Planck. Il tempo, la lunghezza e la massa di Planck, hanno un enorme significato fisico. Ce ne occupiamo nel prossimo articolo.

Cosmologia – 12 – Le stranezze del mondo subatomicoultima modifica: 2016-04-02T20:16:18+00:00da portoreale
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