Per gli amici astro/fisici questi due post saranno inutili e può darsi che preferiscano impiegare meglio il loro tempo – farei così anche io. Quindi questi post sono per tutti gli altri.
Varie persone, negli anni, mi hanno chiesto cosa sia l'antimateria. Non lo so il motivo per cui alla gente interessi questa cosa; forse non interessa per niente; magari la parola “antimateria” è figa e si sente da un sacco di parti (dai libri ai film di fantascienza). O forse è per qualche altro motivo. Non so, però comunque stiano le cose, è sempre un piacere per me dialogare/spiegare certi argomenti.
Ho notato che nei saggi scientifici, sui siti internet non troppo osé e nei servizi di documentari televisivi, l'antimateria è quasi sempre definita come “il contrario” della materia. Tipo che l'antiparticella dell'elettrone ha la sua stessa massa ma carica positiva, eccetera. E così per le altre particelle, fino ad arrivare alla classica frase “se una particella si scontra con la sua antiparticella nello scontro si genera energia luminosa (luce, nda) e bla bla bla”. Ma in pochissimi casi ho sentito dire che cosa sia veramente l'antimateria. Da dove viene? Chi l'ha 'scoperta'? Perché dovrebbe esistere quando c'è già la materia?
La risposta a queste domande si deve ricercare nella storia della fisica, in particolare negli anni '30, quando si cercava di trattare relativisticamente la meccanica quantistica. Fino a quel momento, infatti, la descrizione del mondo microscopico era affidata alla funzione d'onda di Schrödinger ed alla sua famosa equazione. Essa descriveva particelle microscopiche, come gli elettroni, ma non rispettava le simmetrie imposte dalla relatività di Einstein.
In molti tentarono di far tornare i conti. I primi che ci provarono furono Oscar Klein e Walter Gordon, prendendo direttamente la relazione relativistica tra energia e quantità di moto e quantizzandola con le ben conosciute regole di quantizzazione. Si tratta di semplici passaggi algebrici: per il lettore che mastica un minimo di matematica ecco la pagina di Wikipedia dove c'è il calcolìno. Un occhio un po' più attento può vedere che l'equazione che trovarono Klein e Gordon, in sostituzione di quella di Schrödinger, non descrive più gli elettroni. Più in generale, essa non descrive più particelle cariche e dotate di spin. L'equazione di Klein-Gordon può essere usata solamente per particelle neutre e con spin nullo.
Chiaramente questa situazione era alquanto imbarazzante: mettere insieme la relatività e la meccanica quantistica sembrava comportare la rinuncia alla descrizione delle particelle reali. Ma, come in altri casi nella storia della fisica, la soluzione fu trovata da un uomo solo, che per questo e mille altri motivi ricevette, tra gli altri, il premio Nobel (sì, una volta lo davano per queste cose). Il suo nome è Paul Dirac e l'equazione che cavò fuori – che guarda caso porta il suo nome – descrive particelle cariche dotate di spin ed è pure valida in ambito relativistico. Niente di meglio, uno dice. Sì, vero. Però c'è un prezzo da pagare: l'equazione di Dirac ammette due tipi di soluzioni, due simmetrie per così dire. Le prime soluzioni sono quelle conosciute, cioè di energia positiva, come deve essere dal momento che esse rappresentano particelle reali che hanno energie positive. Le seconde, però, sono soluzioni ad energia negativa. Dirac si pose il problema di spiegare queste soluzioni ad energia negativa: esse non potevano venire tolte semplicemente con un colpo di spugna dalla teoria, perché senza di esse la teoria stessa sarebbe crollata. Esse dovevano esistere e dovevano avere un significato fisico.
Dirac risolse il problema di queste soluzioni ad energia negativa supponendo che esse descrivessero particelle simili a quelle conosciute ma con caratteristiche opposte. Egli aveva predetto l'esistenza dell'antimateria. Sperimentalmente, tale tipologia di materia fu scoperta solo qualche anno più tardi.
Adesso, con tutto quello che abbiamo detto, viene abbastanza naturale proseguire il discorso che facevo prima sulle proprietà delle antiparticelle. Tuttavia volevo focalizzare la vostra attenzione su un fatto a mio avviso interessante: perché nell'Universo esiste solo un tipo di materia? Quale è stato il criterio che ha stabilito che solo la materia doveva esistere e ha soppresso l'altra componente? L'asimmetria materia-antimateria è una delle cose più difficili da spiegare e tuttora non è ben chiaro a cosa sia dovuta. Essa tuttavia rappresenta un esempio mirabile di connessione tra la fisica delle particelle elementari e la cosmologia, e ve lo racconto la prossima volta.
Varie persone, negli anni, mi hanno chiesto cosa sia l'antimateria. Non lo so il motivo per cui alla gente interessi questa cosa; forse non interessa per niente; magari la parola “antimateria” è figa e si sente da un sacco di parti (dai libri ai film di fantascienza). O forse è per qualche altro motivo. Non so, però comunque stiano le cose, è sempre un piacere per me dialogare/spiegare certi argomenti.
Ho notato che nei saggi scientifici, sui siti internet non troppo osé e nei servizi di documentari televisivi, l'antimateria è quasi sempre definita come “il contrario” della materia. Tipo che l'antiparticella dell'elettrone ha la sua stessa massa ma carica positiva, eccetera. E così per le altre particelle, fino ad arrivare alla classica frase “se una particella si scontra con la sua antiparticella nello scontro si genera energia luminosa (luce, nda) e bla bla bla”. Ma in pochissimi casi ho sentito dire che cosa sia veramente l'antimateria. Da dove viene? Chi l'ha 'scoperta'? Perché dovrebbe esistere quando c'è già la materia?
La risposta a queste domande si deve ricercare nella storia della fisica, in particolare negli anni '30, quando si cercava di trattare relativisticamente la meccanica quantistica. Fino a quel momento, infatti, la descrizione del mondo microscopico era affidata alla funzione d'onda di Schrödinger ed alla sua famosa equazione. Essa descriveva particelle microscopiche, come gli elettroni, ma non rispettava le simmetrie imposte dalla relatività di Einstein.
In molti tentarono di far tornare i conti. I primi che ci provarono furono Oscar Klein e Walter Gordon, prendendo direttamente la relazione relativistica tra energia e quantità di moto e quantizzandola con le ben conosciute regole di quantizzazione. Si tratta di semplici passaggi algebrici: per il lettore che mastica un minimo di matematica ecco la pagina di Wikipedia dove c'è il calcolìno. Un occhio un po' più attento può vedere che l'equazione che trovarono Klein e Gordon, in sostituzione di quella di Schrödinger, non descrive più gli elettroni. Più in generale, essa non descrive più particelle cariche e dotate di spin. L'equazione di Klein-Gordon può essere usata solamente per particelle neutre e con spin nullo.
Chiaramente questa situazione era alquanto imbarazzante: mettere insieme la relatività e la meccanica quantistica sembrava comportare la rinuncia alla descrizione delle particelle reali. Ma, come in altri casi nella storia della fisica, la soluzione fu trovata da un uomo solo, che per questo e mille altri motivi ricevette, tra gli altri, il premio Nobel (sì, una volta lo davano per queste cose). Il suo nome è Paul Dirac e l'equazione che cavò fuori – che guarda caso porta il suo nome – descrive particelle cariche dotate di spin ed è pure valida in ambito relativistico. Niente di meglio, uno dice. Sì, vero. Però c'è un prezzo da pagare: l'equazione di Dirac ammette due tipi di soluzioni, due simmetrie per così dire. Le prime soluzioni sono quelle conosciute, cioè di energia positiva, come deve essere dal momento che esse rappresentano particelle reali che hanno energie positive. Le seconde, però, sono soluzioni ad energia negativa. Dirac si pose il problema di spiegare queste soluzioni ad energia negativa: esse non potevano venire tolte semplicemente con un colpo di spugna dalla teoria, perché senza di esse la teoria stessa sarebbe crollata. Esse dovevano esistere e dovevano avere un significato fisico.
Dirac risolse il problema di queste soluzioni ad energia negativa supponendo che esse descrivessero particelle simili a quelle conosciute ma con caratteristiche opposte. Egli aveva predetto l'esistenza dell'antimateria. Sperimentalmente, tale tipologia di materia fu scoperta solo qualche anno più tardi.
Adesso, con tutto quello che abbiamo detto, viene abbastanza naturale proseguire il discorso che facevo prima sulle proprietà delle antiparticelle. Tuttavia volevo focalizzare la vostra attenzione su un fatto a mio avviso interessante: perché nell'Universo esiste solo un tipo di materia? Quale è stato il criterio che ha stabilito che solo la materia doveva esistere e ha soppresso l'altra componente? L'asimmetria materia-antimateria è una delle cose più difficili da spiegare e tuttora non è ben chiaro a cosa sia dovuta. Essa tuttavia rappresenta un esempio mirabile di connessione tra la fisica delle particelle elementari e la cosmologia, e ve lo racconto la prossima volta.
2 commenti:
Sakharov a manetta!!! :)
Caspio, è proprio bella la fisica. La fisica quella vera, intendo.
Hai proprio ragione. Diavolo se hai ragione.
Posta un commento