Forze, forme e simmetria

the_reader__s_path_by_jerry8448.d5pq1yxUn viaggio può cominciare in vari modi. Come tutti i viaggi, vi è un punto di partenza, e almeno secondo la logica comune, un punto di arrivo. Un punto di partenza ci può essere, forse come “causa prima” che tutto lega. Forse come quel “punto all’infinito” da cui tutto emana.
Ma, similmente, la fine del viaggio può non esserci. Nel senso che il cammino di conoscenza non termina, ma offre a tutti noi sempre maggior espansione possibile. Man mano che una porta si apre, mille se ne prospettano davanti. È come essere in un percorso, dove la fine si allontana sempre di più. Tuttavia, il bello è proprio che, ad ogni metro che percorriamo, ci sentiamo arricchiti, ed il fatto che quello che dobbiamo conoscere cresce in maniera esponenziale è solo uno stimolo ulteriore alla conoscenza e ad apprendere.
Questo è dunque l’inizio di un viaggio che ci porterà alle frontiere della conoscenza. Un viaggio che, quando avrete letto l’ultima parola di quanto sto per scrivere, forse sarà solo iniziato, ma che dovrebbe far sorgere in voi il desiderio di cambiare prospettive, di entrare in un’altra ottica di conoscenza e di pensiero. Comprendendo davvero che siamo molto di più di quello che pensiamo di essere.
Per cominciare, è bello pensare di farlo in “Musica”, in una maniera che possa, metaforicamente, unire il suono con le parole. Il-compositore-Bruno_BettinelliVale a dire, da una lirica, poi musicata, del noto compositore contemporaneo Bruno Bettinelli (foto a sinistra). Con note ardite, spesso fluttuanti, sempre con intensità espressiva, il compositore faceva risuonare queste parole: “Dalla forza nasce la forma, dalla potenza vibra la vita, dalla verità scaturisce la luce. Uomo, torna alla tua forza!”. Queste parole fanno comprendere come la musica permetta di cogliere l’essenza delle cose in maniera immediata ed intuitiva. Bettinelli, qui, ha colto, in pochi versi, la natura intrinseca delle cose e la loro struttura, ribaltando quello che la logica comune può pensare, affermando, di fatto, che “dall’energia nasce la materia”. Einstein aveva espresso l’equivalenza tra queste due strutture, tra questi elementi. Qui viene indicato come l’energia generi materia. Un rimando alla Legge d’Attrazione, dove il pensiero è generatore di mondi, di universi. Cosa che, entrando in profondità nella fisica moderna, ci sarà sempre più chiaro.

La vita, potenza generata dal movimento
Ma qui viene anche affermata un’altra cosa, che appare davvero topica, vale a dire che la vita deriva, addirittura “vibra”, dalla potenza. In termini fisici, la potenza è un lavoro in un’unità di tempo, vale a dire l’effetto di una forza in un tempo stabilito. Una forza è quella quantità che genera movimento, o, meglio, altera lo stato di quiete o moto relativi di un corpo. Dire che dalla potenza vibra la vita significa affermare che la vita stessa è generata dal movimento. 1de4d99Quindi, non solo si afferma che vita è movimento, ma anche che la vita è possibile solo attraverso il movimento. Ancora una volta, l’energia è generatrice. Il pensiero è energia, quindi il pensiero genera universi. La potenza, che è l’impulso del movimento, il movimento in un momento, in un istante o, in altri termini, la velocità che una forza riesce ad imprimere ad un corpo, è generatore di vita. La vita stessa è potenza, movimento. Parlare di “vibrazione”, poi, significa tornare forse a quella che è la vibrazione originaria, il suono da cui tutto nasce, il suono generatore di universi, forse all’Om.
Infine, affermare che “occorre tornare alla nostra forza” equivale a dire che questa forza è già in noi, che dobbiamo solo riscoprirla. Che, in fondo, il cammino di conoscenza è, soprattutto, un cammino interiore, un viaggio dentro di noi, alla riscoperta di quello che siamo e che abbiamo dimenticato. In fondo, nella lingua inglese, la parola “ignoranza” viene spesso resa con forgetfulness, vale a dire dimenticanza. Ignorare significa quindi avere dimenticato chi siamo.
Il viaggio che ci accompagnerà sarà quindi tra pensieri, forme, forze, manifestazioni, per comprendere che, tra queste strutture, apparentemente così differenti, non vi è separazione, ma tutto converge ad uno.
Il viaggio può cominciare (ma non è già cominciato? Siamo sempre in viaggio, in ogni istante della nostra vita!) dalla materia. In fondo, infinitamente grande ed infinitamente piccolo si toccano, e l’infinitamente piccolo contiene, in nuce, l’infinitamente grande. La cosa si può dimostrare matematicamente: in un granello di sabbia si può “realmente” mettere tutto l’universo. Vi risparmio la dimostrazione, ma vi posso dire che non è difficile! Se qualcuno sarà interessato, sarò felice di indicargliela in maniera più dettagliata.

Dalla materia alla spirito
Iniziamo, quindi, per comprendere come siamo fatti, dalla materia stessa, dalla sua struttura. Sarà il primo passo per comprendere lo spirito, la vera essenza di tutte le cose, la manifestazione primaria da cui tutto può avere origine.
La parola atomo, in greco, significa indivisibile. Infatti, sino alla fine dell’800 si credeva che questa fosse il più piccolo elemento costitutivo della materia. Di questo era convinto anche il chimico e fisico John Dalton, iniziatore di quella che fu definita “teoria atomica”. Su questo assunto si basò poi, nel 1870, il chimico russo Dimitri Ivanovic Mendeleev, elaborando la nota tabella periodica degli elementi, che fornisce una spiegazione a tutti i fenomeni chimici allora conosciuti.
Alla fine dell’800, Pierre e Marie Curie fecero una scoperta che aveva, all’epoca, dell’incredibile: alcuni atomi si trasformano spontaneamente in altri. Tra questi, il radio. Questo dimostrò inequivocabilmente che, all’interno dell’atomo, dovevano esistere altre particelle.
John-Joseph-ThompsonPochi decenni ancora e il fisico inglese Joseph John Thompson (foto a sinistra) definì il primo modello atomico, detto “a panettone”, l’atomo era visto come una struttura composta da una sostanza con carica positiva, al cui interno si trovano cariche negative, paragonate in questo caso alle “uvette” del panettone. Nel 1911, il fisico neozelandese Ernest Rutherford comprese, facendo incidere delle particelle alfa contro sottilissime lamine d’oro, che l’atomo doveva essere, in buona parte, “vuoto”. Infatti, alcune di queste particelle oltrepassavano la lamina, mentre alcune rimbalzavano. Rutherford, quindi, elaborò un modello in base al quale l’atomo è composto da un nucleo in cui si trovano particelle positive, mentre gli elettroni orbitano attorno al nucleo, ad una distanza diecimila volte maggiore rispetto a quella del nucleo stesso.
Il problema di questo modello, però, è il fatto che, essendo il moto degli elettroni accelerato (almeno come accelerazione angolare), essi, ruotando attorno al nucleo, dovrebbero perdere energia. Nel 1913, il fisico danese Niels Bohr, sicuramente tra i padri della meccanica quantistica, dimostrò che vi sono particolari orbite in cui gli elettroni possono ruotare attorno al nucleo senza perdere energia. I livelli di energia degli elettroni, poi, sono quantizzati, nel senso che l’elettrone può assumere soltanto determinati livelli di energia e quindi ruotare in determinate orbite. Siamo vicini al modello di atomo che noi conosciamo. Mancano solo i neutroni, particelle aventi carica neutra, presenti, come è noto, nel nucleo. Per questi occorrerà attendere sino al 1930, anno in cui due fisici dell’Università di Berlino, Walther Bothe ed Herbert Becker, intuirono la loro presenza, facendo incidere particelle alfa del polo su nuclei leggeri, ed osservando, forse inaspettatamente, una radiazione piuttosto penetrante. La data di nascita ufficiale del neutrone, tuttavia, fu data dalla lettera inviata dal fisico inglese James Chadwick, dell’università di Cambridge, alla rivista Nature, il 17 febbraio 1932.

Ma dove sono le particelle?
Oggi, con l’avvento delle teorie quantistiche, al concetto di orbita si è sostituito quello di orbitale, che indica semplicemente la regione dello spazio in cui si ha la massima probabilità di trovare un elettrone. Infatti nella meccanica quantistica non esiste la traiettoria di una particella, ma soltanto una probabilità di trovarla in una determinata regione dello spazio. Questo afferma l’equazione di Schrödinger, elaborata dal fisico austriaco Erwin Schrödinger nel 1926. Werner Heisenberg, l’anno successivo, con il suo “principio di indeterminazione”, enfatizzò la cosa, affermando che non è possibile determinare con esattezza la posizione di una particella, ma solo la regione dello spazio dove è maggiormente probabile trovarla.
particelle-01Tuttavia, considerare protoni, neutroni ed elettroni come i costituenti base della materia lascia aperti alcuni interrogativi. Il maggiore di questi è facilmente formulabile: quale forza tiene tra di loro aggregati i protoni (ed in neutroni) in un nucleo? Infatti, secondo l’elettrostatica, la forza che si esercita tra cariche elettriche dello stesso segno è repulsiva. Quindi, tra i protoni di un nucleo, la cui carica è positiva, dovrebbe esercitarsi una forza repulsiva, che dovrebbe allontanarli tra di loro, facendoli letteralmente “schizzare via”! Cosa, quindi, li tiene assieme? Quale forza attrattiva permette di far sì che essi non schizzino via? La risposta, secondo la fisica dei primi decenni del ventesimo secolo, poteva essere: “la forza gravitazionale”. Tuttavia, questa risposta non appare possibile. Infatti, essendo allora note la massa dei protoni di un nucleo e la loro carica elettrica era facile dimostrare che la forza elettrica repulsiva tra i protoni è circa due miliardi volte maggiore di quella gravitazionale. Da questo è facile dedurre che la forza gravitazionale attrattiva non sarebbe assolutamente stata in grado di tenere assieme i protoni del nucleo. Da qui è facile desumere che il modello sino ad allora proposto, relativamente alla struttura della materia, non spiegava uno degli elementi fondamentali, vale a dire l’esistenza della materia stessa e come questa materia poteva letteralmente “stare assieme”. Da qui a dedurre che protoni e neutroni non sono gli elementi base della materia il passo è breve: e fu effettivamente breve. E, magari, fu proprio questa osservazione che portò ad identificare nuove particelle che, in qualche modo, avessero il compito di “mediare” le forze che conosciamo in natura.

ianderc001p1Forse, l’iniziatore di questo percorso nei meandri della materia fu il fisico inglese Paul Dirac. In una sua nota equazione d’onda, elaborata nel 1930, si presentavano due soluzioni: una positiva ed una negativa. Solo due anni dopo, Carl David Anderson (foto a sinistra) dimostrò sperimentalmente questo con la scoperta, osservando i raggi cosmici, del positrone, elettrone con carica positiva, uno dei costituenti dell’antimateria. Nel 1934, Pauli e Fermi, studiando il decadimento del neutrone al di fuori del nucleo, scopersero una particella di energia, il neutrino.
In qualche modo, però, possiamo tornare ulteriormente indietro per ritrovare la scoperta della prima particella elementare. Questa può essere fatta risalire al 1905, quando Einstein, studiando per la prima volta l’effetto fotoelettrico, ipotizzò che la luce fosse veicolata da fotoni, detti anche “quanti di luce”. Anche questi, come i neutrini, non hanno massa.
Combinando queste scoperte con quella del positrone, si potevano quindi ipotizzare anche particelle quali gli antineutroni, gli antiprotoni, gli antineutrini. I primi due andranno a costituire, assieme al positrone, gli elementi del nucleo di antimateria.
Da questo punto in poi altre scoperte si susseguirono nel campo delle particelle elementari. Nel 1935, il fisico giapponese Hideki Yukawa ipotizzò l’esistenza del mesone, che fu poi scoperto sperimentalmente nel 1947, dall’osservazione dei raggi cosmici. Nel 1936, il citato Carl David Anderson scoperse i muoni.

Il modello attuale
La struttura attuale della materia (almeno a grandi linee: vedremo che si può andare ancora oltre!) vede, quindi, la materia composta da particelle elementari. La cosa particolare, comunque, è che queste particelle, oltre ad essere gli elementi costituitivi della materia stessa, sono anche le principali mediatrici delle forze che possiamo osservare in natura, e anche di quelle che si generano all’interno della materia stessa.
Il modello attuale, che identifica particelle e forze, ponendole sullo stesso piano, si definisce “modello standard”. In questo abbiamo la piena realizzazione della lirica di Bettinelli di cui parlavo all’inizio. Qui, infatti, come vedremo tra breve, viene mostrato che le differenze tra forme e forze sono davvero molto poche, e che, veramente, forze e forme sono del tutto intercambiabili.Spettrometro-Magnetico-ed-Energia-Oscura-01
Nel modello standard le particelle sono composte da due classi: quella dei fermioni e quella dei bosoni. I primi sono i costituenti della materia, mentre i secondi sono responsabili della generazione delle forze che conosciamo in natura, e per questo fatto si definiscono “mediatori di forze”. L’unica cosa che li contraddistingue è il cosiddetto “numero di spin”. Si tratta, in parole povere, di un numero che identifica lo stato quantico di una particella e che, almeno dimensionalmente, richiama la rotazione di una particella attorno al proprio asse. Senza scendere nei dettagli, possiamo dire che nei fermioni lo spin è un numero frazionario, mentre nei bosoni è un numero intero. La differenza è, di fatto, solo questa. Quello che, quindi, va a separare forze da forme è solo la rotazione.
I fermioni si dividono, a loro volta, in leptoni e quark. I primi non si legano tra di loro, mentre i secondi, legandosi, costituiscono gli elementi del nucleo atomico. Tra i leptoni possiamo trovare, ad esempio, gli elettroni e i neutrini. Ma anche i muoni.
I quark, nome con il quale alcuni, erroneamente, definiscono l’intero insieme delle particelle elementari, sono invece, come dicevo, i costituenti della materia. Protoni e neutroni sono formati da tre quark. Nel modello standard, protoni e neutroni sono particelle composte dette barioni.
Per quanto riguarda i bosoni, questi, come dicevo, sono i responsabili di tutte le forze che conosciamo in natura. Ciò che li contraddistingue dai fermioni è solo il numero di spin, che in questo caso, come detto poco fa, è intero. Si possono dividere, sostanzialmente, in bosoni mediatori e mesoni.

Bosoni, fermioni, mesoni…
E’ però interessante notare come, in questo modello, vi sia forte intercambiabilità tra bosoni e fermioni. Un mesone, ad esempio, è composto da un quark e da un antiquark. Due particelle di materia, quindi, possono dare origine ad un mediatore di forze. Parlando, più avanti, di simmetrie, vedremo come questa possibilità sarà ulteriormente enfatizzata. Ancora, tutto ciò ci riporta alla lirica iniziale, dove forze e forme si toccano e si intercambiano, senza separazione, ma con assoluta continuità.
Le-Particelle-Elementari.semplici-01Prima di proseguire, è interessante far notare che le particelle elementari cosiddette ”semplici” sono in tutto dodici. Le altre sono dette “composte”. Le dodici particelle semplici costituiscono gli elementi su cui tutto il nostro mondo si basa. Di queste, sei sono quark, e rispettivamente si definiscono Up (U), Down (D), Charm ( C ), Strange (S), Top (T) e Bottom (B). Protoni e neutroni sono costituiti da quark “up” e “down”.
Per quanto riguarda le forze, il modello standard le classifica in quattro tipologie: elettromagnetica, gravitazionale, nucleare forte e nucleare debole. Come dicevo in precedenza, queste sono mediate da particelle. Oggi la forza elettromagnetica e quella nucleare debole vengono identificate, e considerate un’unica forza, con il nome di forza elettrodebole.
Studiare queste forze ci fornirà molti altri elementi di comprensione della materia. Questa panoramica sulle particelle ci fornisce già diversi elementi che ci permettono di porre forze e forme sullo stesso piano. Ma si può dire che siamo solo all’inizio del viaggio, e che la parte più interessante deve ancora arrivare. Nella prossima puntata, proseguiremo l’analisi delle forze legate alle particelle, aprendo nuovi interrogativi. Poi passeremo a mostrare che le particelle non sono il costituente base della materia, ma esiste qualcosa d’altro. E questo qualcosa d’altro lega ancora di più materia ed energia, forze e manifestazioni fisiche.
(1a puntata – continua)

Per saperne di più:
Sulla storia dello studio dell’atomo, vedi: http://www.scienzaoggi.it/chim/chim1/3StruttAt/storia-atomo/1-Storia_atomo_Dalton_Thomson.php
O anche la dispensa in formato Pdf: http://online.scuola.zanichelli.it/facciamo-scienze/files/2008/05/sch09.pdf
Sulla storia delle particelle elementari: http://www.fisicamente.net/DIDATTICA/index-167.htm
o lo studio di Oriana Pagliarone: http://www.orianapagliarone.it/ParticelleSA/costituenti.htm
Bella anche la dispensa all’indirizzo: http://www.pd.infn.it/masterclasses/2006/Gaz.pdf
Sul modello standard vedi Wikipedia: http://it.wikipedia.org/wiki/Interazioni_fondamentali
Sul tema, semplice, sintetica ed esauriente appare la dispensa: http://www.fmboschetto.it/didattica/pdf/quattro_forze_fondamentali.pdf

Sergio Ragaini
Nato a Milano. Laureato in Matematica, ha sempre visto la matematica e la fisica come una sorta di “sesto senso”, che ci fa intuire nuovi mondi, anche dentro di noi. Cercando una visione unitaria dell'uomo e della cultura, si è occupato di diverse cose, spaziando dall'insegnamento al giornalismo. Ha collaborato con diverse riviste, occupandosi dei più disparati argomenti, dal cinema al turismo, alla spiritualità. Parte importante, per lui, è anche la musica, che pratica attivamente, e che per lui è anche un modo per andare al cuore dell'uomo.