La nascita della QM

Sapete, giustamente alcuni post fa mi è stato detto che alcuni argomenti “fisici” che ho scritto ultimamente sono un po’ incomprensibili. In effetti, rileggendoli, mi sono accorto che è davvero così. Ad esempio, quasi tutti parlano della fisica delle particelle elementari, più o meno, e ho menzionato la teoria che ci sta alla base, ovvero la teoria quantistica dei campi (QFT). Tuttavia, a parte qualche spiegazione vacillante nel post sulle interazioni fondamentali, non ve l’ho illustrata a dovere. Quindi, cari amici non-fisici, prestate bene attenzione perché adesso mi propongo proprio questo. Come al solito cercherò di trattare la cosa nel modo più semplice possibile, anche facendo tesoro di quanto mi è stato detto. Bene, allacciate le cinture: stiamo per partire per un viaggio che ci porterà davvero distanti. Distanti dai concetti che siete abituati ad usare quotidianamente; abbandoneremo ogni senso comune del dove, del quando, del come e perfino del perché. Let’s go.
Dunque, per spiegarvi ben bene la QFT dobbiamo fare qualche passo indietro e occuparci della sua versione “classica”, la Meccanica Quantistica (QM). Mi sa che in questo post parleremo soltanto di questo. Siccome il modo più facile di spiegare un concetto astratto è di partire da una sua applicazione facilmente verificabile nel quotidiano, comincio con qualche esempio (spero) semplice.
Anzi, farò così: vi porrò delle domande che forse vi siete fatti ma che non avete saputo dargli una risposta. Innanzitutto, la più ovvia: che cos’è la luce? Provate a pensarci: cosa mai potrà essere? Quando accendete la lampada del vostro salotto, vi siete mai chiesti come mai prima era scuro e adesso è chiaro? Certo, la risposta è: diavolo, è chiaro: ho acceso la luce! Sì, ma perché la luce fa luce e non fa, ad esempio, ancora più scuro? Perché non colora tutto, ad esempio, di rosso? E, visto che ci siamo, che cosa sono i colori? Sono tutte domande legittime, se non conoscete la QM. Voglio dire, se io non so dell’esistenza della QM, non c’è nessun motivo valido perché la luce non possa fare buio! Potreste dire, se vi documentaste, che la lampada fa luce non-buia perché il filamento di tungsteno, sfruttando l’effetto Joule, diventa incandescente e rilascia un fascio luminoso. Certo, ma così avete aggirato il problema perché vi siete concentrati sul funzionamento della lampadina (che emette luce) piuttosto che sul funzionamento della luce (emessa dalla lampada). Ebbene, vi dico, la luce è un grande insieme di particelle. Ma andiamo per ordine.
Durante il XVIII secolo un certo Isaac Newton mise in evidenza la natura particellare della luce indagando i fenomeni di riflessione e rifrazione (la riflessione della luce e la sua rifrazione sono i tipici comportamenti delle particelle durante urti elastici e anelastici). Verso la seconda metà dell’800, con la scoperta dell’elettricità, si cominciarono ad effettuare degli esperimenti con luce artificiale per verificarne la vera natura. In particolare, un tipo chiamato Young dimostrò che, sotto certe condizioni, la luce si comportava come un’onda esibendo le ben conosciute figure di diffrazione e interferenza. Quindi, in alcuni casi la luce si dimostrava essere un’onda e altre volte, invece, sembrava essere costituita da particelle. E questo, per via dei risultati a cui tali esperimenti conducevano, è stato causa di un dibattito piuttosto accanito tra chi sosteneva che la luce fosse onde o particelle; si parlò pertanto di dualità onda-particella. Ma, come da sempre accade in Fisica, arrivò qualcuno che tagliò la testa al toro, dimostrando una volta per tutte che la luce è particelle: questo tizio risponde al nome di Max Planck. Quello che costui ha fatto è stato quello di prendere le equazioni che fino ad allora governavano la luce (quelle di Maxwell) e le altre onde elettromagnetiche (tipo i raggi X e gamma, gli ultravioletti e gli infrarossi, le microonde e le onde radio) e “modificarle” per rendere conto della loro natura particellare. Quello che è venuto fuori è la nota legge di corpo nero: la luce emessa dalle lampadine è approssimativamente descritta da questa legge fondamentale. In pratica, vi chiederete, cosa ha cambiato Planck? Ebbene, lui ha avanzato la geniale proposta che la luce viene trasmessa in pacchetti ben definiti: la luce emessa dalla vostra lampadina non è bianca e basta. Essa è bianca perché è la sovrapposizione di tanti di questi pacchetti, ognuno caratterizzato da un colore diverso. Ecco quindi che possiamo rispondere alla domanda “che cosa sono i colori?”. L’idea è estremamente semplice: se disponeste di uno strumento adatto (detto spettrografo) vi accorgereste che la luce della lampada è composta da tantissimi colori: c’è il rosso, il giallo, il verde, il blu e così via. Ogni colore fa parte di un ben preciso pacchetto, caratterizzato da alcune proprietà che lo distinguono dall’altro. Se pensate ad un’onda, parliamo della sua lunghezza d’onda. Se pensiamo ad una particella, parliamo della sua energia. Vedetela come volete, basta che abbiate capito il concetto: a seconda dell’energia di questi pacchetti, abbiamo un colore piuttosto che un altro. Pertanto, l’energia trasportata dalla luce è costituita da quantità discrete, dette appunto quanti di energia. In particolare, siccome ci sono anche altri tipi di quanti, come vedremo, quelli che portano luce si chiamano fotoni. Capite quindi la rivoluzione di Planck: questo qui ha spezzato le fondamenta della Fisica fino ad allora conosciuta dicendo che, almeno nel caso della luce, l’energia è quantizzata. Nasce in questo contesto la Meccanica Quantistica e continuerò a parlarvene un’altra volta, se ne avete voglia.

Non so se quanto ho detto qui lo sapevate già, amici non-fisici, ma, vi prego, ditemi se dico banalità che già conoscete: vi (mi) evitereste un sacco di post noiosi e potremmo, finalmente, occuparci della QFT.

I pretesti di Dee - IV

Mentre da Ema e nei commenti del post precedente si infervora una discussione sull'effetto Doppler, io ho deciso di concludere quella storia sulle interazioni elettrodeboli, così non se ne parla più. Dunque, eravamo rimasti con le definizioni di processi deboli da correnti cariche e neutre. Avevo detto che quelli da correnti cariche violano massimamente la parità. Vediamo un attimo cosa intendiamo con questa affermazione. La mattina, quando andate in bagno, per controllare se siete ben pettinati vi guardate allo specchio. L'immagine riflessa dallo specchio è (quasi) uguale a voi, quindi questo significa che voi, miei cari amici non-fisici, siete invarianti rispetto a riflessione speculare. Anche in fisica le cose funzionano così: le leggi della meccanica classica non cambiano di sostanza se viene effettuata questa riflessione speculare. Per farla è sufficiente sostituire nelle equazioni una variabile che sia l'opposta di quella originaria, ovvero si "cambia il segno" della variabile. Questa operazione di simmetria va sotto il nome di parità e si indica con (che fantasia, direte voi). Naturalmente esistono anche altri tipi di simmetrie come quella per inversione temporale T e la coniugazione di carica C. La simmetria T è in sostanza come la P: si sostituisce, al posto della variabile temporale t, il suo opposto, -t. In pratica, se una legge descrive il moto con velocità uniforme in una data direzione, essa descrive il moto nella stessa direzione ma all'indietro (nel tempo). So che è un concetto abbastanza delicato, e per questo non insisterò. Quello però di cui voglio occuparmi è dell'altra simmetria, la C. L'operazione di C-simmetria consiste nel trasformare una particella nella sua corrispondente antiparticella, ovvero di invertire i suoi numeri quantici. Ci sarebbero da dire molte cose sui numeri quantici delle particelle e l'effetto che C ha su di loro, ma per il momento basta sapere che l'effetto netto è quello di trasformazione: particella --> antiparticella.

Per quanto ho detto, appare a mio avviso abbastanza chiaro il significato della frase di cui sopra: i processi deboli da corrente carica non sono invarianti per riflessione speculare. Questo significa che se un’interazione debole avviene in una determinata direzione, nella direzione opposta avverrà una interazione diversa, non uguale alla prima. Questo è anche visibile abbastanza chiaramente da questa considerazione. In fisica teorica è usuale servirsi di complicate formule matematiche che siano il più compatte possibile ma che allo stesso tempo descrivano quante più cose possibile. A questo proposito un matematico italiano di qualche secolo fa ha inventato un metodo con il quale, da una apparentemente semplice relazione, si possono ricavare importanti informazioni quali ad esempio le leggi del moto e, per quanto riguarda i nostri scopi, le leggi che governano un’interazione. Tale mirabile formula è l’equazione di Lagrange: i più pignoli mi diranno che in realtà dovevo scrivere equazioni di Lagrange. E’ vero, hanno ragione loro: la formula matematica è una sola ma sta a rappresentare tante equazioni quanti sono i parametri in gioco, essendo tali parametri le coordinate lagrangiane. Ma non addentriamoci in questo. La cosa importante è che esiste una funzione, detta con molta fantasia Lagrangiana del sistema, che incorpora tutte le forme di energia che competono a quel sistema. In poche parole, nella Lagrangiana è contenuto tutto quello che a uno può interessare di quel particolare processo. Anche nel caso delle interazioni tra le particelle c’è la Lagrangiana di interazione, e quella che riguarda i processi deboli è particolarmente interessante. Lasciando stare il come venga fuori la roba che sto per dirvi, perché penso che lo sappiano soltanto un paio di persone al mondo e una di queste è sicuramente Weinberg, vi dico che questa Lagrangiana contiene la somma di due contributi che vanno applicati alla funzione d’onda opportuna (vi ricordate la storia della funzione d’onda?). Il primo pezzo rappresenta uno stato con parità positiva, o meglio, con chiralità positiva (in sostanza la chiralità è la proiezione dello spin sulla direzione del moto. A dire il vero questa è l’elicità, ma siccome le due solo legate da complesse relazioni e l’effetto è lo stesso, parlerò soltanto di chiralità. Chiralità positiva significa che la particella è destrogira, come ad esempio lo è una vite; chiralità negativa significa che la particella è levogira, in pratica una vite che gira al contrario) e viene applicato alla funzione d’onda delle antiparticelle (o, se volete, all’antifunzione d’onda delle particelle). Il secondo pezzo ha chiralità negativa e viene applicato alla funzione d’onda delle particelle. Quando dunque si vanno a fare i calcoli con questa Lagrangiana si trova una cosa assai strana (che, casualmente, fa rima): i bosoni W si accoppiano solamente a leptoni levogiri e ad antileptoni destrogiri. Questo effetto è particolarmente importante per i neutrini: non si trovano in natura neutrini destrogiri, e questo è indice del fatto che l’interazione debole ha delle preferenze. Bene, dopo avervi illuminati con queste considerazioni che, mi rendo conto, sono un po’ ostili da digerire, passiamo finalmente all’unificazione delle due interazioni, e qui viene il bello. Ma lo vedremo la prossima volta, ovvero domani.

I pretesti di Deezzle III

Riprendiamo il discorso che avevamo iniziato alcuni migliaia di post fa sulle interazioni fondamentali. Eravamo arrivati alla descrizione di quella elettromagnetica e mi pare di avervi detto che essa viene mediata dal fotone. Ebbene, dal momento in cui questo concetto si rivelerà molto importante per la descrizione della teoria elettrodebole, è bene che vi spiego cosa si intende con questo termine. Prendete, ad esempio, due elettroni e fateli scontrare frontalmente. Se l’energia dei due elettroni non è eccessivamente elevata, dopo l’urto (che sarà di tipo elastico, ovvero i due elettroni “rimbalzano” e poi si separano) avremo ancora due elettroni le cui direzioni saranno diverse a seconda delle direzioni che avevano prima dell’urto. E fin qui niente di scandaloso, spero. Bene. Ora vi dico che possiamo vedere questo urto in due modi: il primo, e forse il più intuitivo, è quello appena menzionato: consideriamo un’interazione puntiforme, ovvero assumiamo che lo scontro tra le due particelle avvenga in un punto. Questo è il modo di vedere le cose di Enrico Fermi: quando i due elettroni si urtano la costante di accoppiamento che determina la “forza” dell’interazione vale \alpha. L’altro metodo è un poco meno intuitivo ma è molto più comodo quando si vanno a fare i calcoli. Essenzialmente questo metodo consiste nel considerare l’urto non come puntiforme ma come uno scambio di energia. Mi spiego meglio. Ciascun elettrone porta con sé una determinata quantità di energia (ad esempio la somma di quella cinetica e a riposo). L’urto, in pratica, è un trasferimento di energia tra i due elettroni, uno scambio insomma. Questo scambio adesso non avviene più direttamente tra i due elettroni (come nella visione di Fermi) ma si assume che l’energia scambiata venga trasportata da un fotone virtuale: in pratica, quando l’elettrone 1 interagisce con il 2, emette un fotone, che ha l’energia dell’elettrone 1, che viene assorbito dall’elettrone 2. La parola “virtuale” sta a significare proprio questo: il fotone non esiste davvero, ma è come se ci fosse. Questa visione delle cose implica che avvengano non una ma due interazioni: l’emissione del fotone virtuale e il suo assorbimento. In questo caso ad ogni interazione è associata la radice quadrata della costante \alpha. Questa assegnazione prende il nome di ampiezza di probabilità e, come tutte le probabilità, va moltiplicata per le ampiezze relative a tutte le altre interazioni. Con due interazioni otteniamo di nuovo la costante \alpha. Tal modo di vedere le interazioni come scambio di fotoni (o in genere di altre particelle) venne ideata dal grande Richard P. Feynman. Si capisce quindi che questa nuova ottica semplifica di molto i calcoli: basta tracciare un diagramma dell’urto (detti diagrammi di Feynman) e moltiplicare tra di loro i vari termini corrispondenti a ciascun vertice. La ampiezza di probabilità totale è il prodotto delle ampiezze di ciascuna interazione. Tutto ciò non è altro che la teoria quantistica dei campi: ad ogni particella è associato un campo e le interazioni del campo di questa particella con gli altri campi delle altre particelle avvengono mediante lo scambio dei quanti del campo. Ogni forza fondamentale ha un suo (o dei suoi) quanti: essi trasmettono l’informazione portata dalla particella corrispondente e la trasferiscono alle altre. E’ chiaro che le cose sono tremendamente più complesse di così, ma per ora ci basta (vi basta) sapere queste nozioni base per il proseguo della nostra trattazione.
Riassumendo, dunque, i fotoni sono i quanti di scambio dell’interazione elettromagnetica. Essi sono bosoni e non hanno carica elettrica.
Prendiamo adesso un neutrone: è noto fin dai tempi più antichi che questa particella ha una vita media di circa un quarto d’ora. Dopo questo mirabile intervallo di tempo essa decade in un protone, un elettrone e un antineutrino dell’elettrone. Forse vi avevo detto che i protoni e i neutroni sono composti da quark. Se non ve l’avevo detto, adesso lo sapete. Più precisamente il neutrone è formato da un quark di tipo u e due di tipo d. Il protone invece è costituito da due quark u e da un d. Risulta evidente, quindi, che nel decadimento sopraccitato (detto convenzionalmente decadimento beta) avviene la trasformazione di un quark d in uno u, con l’emissione aggiuntiva di due leptoni (così si chiamano gli elettroni e i suoi neutrini). Tale decadimento avviene in seguito ad una interazione di tipo debole: il quark d emette un bosone W^- (il quanto, che assieme al compagno W⁺ e al Z⁰ media le interazioni deboli) e si trasforma in un quark u. Il bosone W^- a sua volta decade in un elettrone e in antineutrino. Adesso sappiamo un’altra cosa: le interazione deboli vengono mediate da tre bosoni (massivi) che sono i due carichi W^- e W⁺ e quello neutro, il Z⁰ . Processi che coinvolgono i bosoni W^(+-) si chiamano processi deboli da corrente carica, e quelli che coinvolgono lo Z⁰ sono i processi deboli da corrente neutra. Vi dico, e poi mi fermo, che i processi deboli da correnti carica violano massimamente la parità, ossia non sono invarianti per riflessione speculare. Beh, mi pare di avervi dato molte nozioni in questo post, per cui concludo qui. Rimando al prossimo la spiegazione del concetto di violazione della parità e dell’unificazione elettrodebole.
Adesso mi metto a studiare seriamente, nonostante sia una domenica di sole.

I pretesti di Deenee - II

«Anyone who is not shocked by quantum theory

has not understood a single word.»

Niels Bohr

Continuiamo il discorso che abbiamo intavolato ieri sera sulle interazioni fondamentali. In questo post, cari amici non-fisici, cercherò di illustrarvi le caratteristiche delle interazioni elettromagnetiche, deboli e forti. Sicuramente non ci riuscirò, ma ovviamente ci provo.
Partiamo da quelle elettromagnetiche. Abbiamo visto che la luce è trasportata da particelle dette fotoni: questi fotoni hanno delle proprietà abbastanza strane. Diciamo che sono strane rispetto alla vita quotidiana: in quanto segue voi penserete che io sia diventato matto, ma non è così. Quindi dovete fidarvi e assumere per buono quello che vi racconterò. Ebbene, la prima di queste proprietà è che il fotone ha massa nulla. Ma come?, direte voi. Certo, vi rispondo, il fotone ha massa nulla. Piuttosto lo si può vedere, ed è in effetti il modo usuale con cui viene rappresentato in certi diagrammi, come un'onda, caratterizzata da una certa frequenza (o lunghezza d'onda, se preferite). Moltiplicare la frequenza per una opportuna costante è formidabile in quanto si ottiene proprio l'energia del fotone. Inoltre, avrete sicuramente sentito da qualche parte la famosa formula relativistica E = mc²: essa permette di convertire l'energia in massa e viceversa. Questo è perfetto ai nostri scopi: tale formula si applica nel caso di particelle relativistiche e siccome il fotone è per definizione relativistico (la sua velocità è proprio c) posso applicare la relazione di Einstein e trovo una massa, espressa in [energia]/c². Ecco spiegato il mistero, per cui riassumendo possiamo dire che fotoni di alta frequenza (e quindi alta energia) possiedono una grande massa, mentre fotoni di piccola frequenza hanno masse piccole. Ovviamente ci sono altre proprietà del fotone, molte altre, e tutte le sue interazioni con la materia e con gli altri fotoni sono descritte magistralmente dalla teoria dell'elettrodinamica quantistica (QED). Per il momento lasciamo da parte questa teoria, e passiamo alla descrizione delle altre due forze, escludendo nautralmente la gravitazione.
Nei libri di scuola ci hanno insegnato che le particelle elementari sono tre: l'elettrone, il protone e il neutrone. Ma, mentre l'elettrone è davvero elementare, il protone e il neutrone non lo sono affatto. Si è scoperto infatti che questi due individui sono in realtà composti da altre particelle, i cosiddetti quark. Queste sono le vere particelle elementari. Ebbene, lasciando da parte l'analogia con il nome del programma di Piero Angela, questi affari possiedono delle proprietà ancora più strane del fotone. E quando dico strane, non lo dico tanto per dire. Alcuni di questi quark infatti si chiamano davvero strani, mentre altri sono pieni di charm. Sono questi i nomi che quei burloni dei fisici hanno voluto dare a queste particelle. Assieme a quelli testè menzionati ci sono anche i quark up, down, bottom e top. Li ho messi volutamente in quest'ordine, in quanto l'energia del quark up è più piccola (di molto) di quella del top. L'altra stranezza è che questi affari, pur essendo privi di colore, sono colorati. Certo, vi ho presi in giro: il colore dei quark non è quello che intendiamo noi, ma è piuttosto un nuovo numero quantico che deve essere introdotto per conservare l'asimmetria della funzione d'onda. Probabilmente, voi amici non-fisici, non avrete capito l'ultima frase. Poiché è un concetto importante mi soffermo un attimo e ve la spiego. In meccanica quantistica, la meccanica dei quanti, ogni particella è descritta mediante la sua funzione d'onda. Ricordate cosa vi ho detto per il fotone? Ho detto che esso è una particella caratterizzata da una certa frequenza. Quindi è possibile interpretare il fotone come un'onda - e certe volte risulta molto comodo assumere che la luce sia proprio un'onda. Il comportamento di quest'onda viene descritto matematicamente da una funzione, detta per l'appunto funzione d'onda. Ad esempio, se prendiamo questa funzione, ne isoliamo il segno e la moltiplichiamo per la sua complessa coniugata (solitamente queste funzioni d'onda contegono una parte che dipende dai numeri complessi. Essenzialmente fare il complesso coniugato significa cambiare di segno la parte immaginaria del numero complesso) otteniamo la probabilità che la particella considerata si trovi in un determinato punto dello spazio in un detereminato istante di tempo. Spero che fin qui non ci siano problemi. Ebbene, adesso vi dico che questa funzione d'onda deve descrivere particelle che non vìolino un principio, detto di esclusione, in base al quale non ci possono stare più di due particelle aventi la stessa energia. Non è proprio così, ma per adesso basta questo. Tradotto in parole povere, se ho uno stato con una determinata energia, posso farci stare al massimo due elettroni: uno che ruota in un senso e uno nell'altro. Anche per i quark vale questa cosa: solo due con un'energia. Voi direte: ok, caro Deezzle, allora anche il fotone deve rispettare questa regola, no? Ebbene no: il fotone è furbo e se ne sbatte altamente delle regole. Lui è la luce, e nessuno può metterla in gabbia (tranne i buchi neri, ma per una descrizione più dettagliata vi invito a a leggere qui). Detto questo, scopriamo un'altra importante proprietà delle particelle: ci sono quelle che devono rispettare il principio di esclusione (talvolta chiamato principio di Pauli) e quelle che se ne fregano se rimangono escluse. Le prime le possiamo trovare nelle mani di Enrico Fermi e per questo si chiamano fermioni, mentre le seconde le troviamo in compagnia di Bose e di Einstein e si chiamano pertanto bosoni. Gli elettroni e i quark - e quindi i protoni e neutroni -, così come i neutrini, sono fermioni, mentre i fotoni, e altre particelle che vedremo in seguito, sono bosoni.

Per ora mi fermo qui. Spero di non avervi annoiato con queste chiacchere, ma credetemi: il mondo quantistico è terribilmente strano e a volte divertente pure. La prossima volta vedremo come stanno legati i quark nei nuclei atomici e scopriremo altre cose che ci faranno venire la pelle d'oca.

Un pretesto

«I think I can safely say that

no one understands quantum mechanics.»

Richard P. Feynman

Informo tutti quanti che i giorni 23 e 24 maggio 2007 a Padova ci sarà il premio Nobel per la fisica Steven Weinberg. Qui potete trovare alcune informazioni utili. Tuttavia molti lettori che non sono del mestiere si staranno chiedendo chi diavolo sia questo qui. Quindi, magari, andranno a leggersi una sua biografia da qualche parte e scopriranno che questo personaggio, assieme ad altri due suoi colleghi, una trentina di anni fa ha vinto il premio Nobel per la fisica. In questa biografia ci sarà anche scritto il motivo della premiazione, ovvero la monumentale opera di unificazione delle interazioni elettromagnetiche con quelle deboli in un'unica teoria, la teoria delle interazioni elettrodeboli. Ebbene, cari amici non-fisici, probabilmente vi state chiedendo cosa sia tale teoria e quale significato abbia. Se avete queste domande, allora questo post è fatto apposta per voi. Se invece sapete già tutto o non ve ne importa niente, allora potete anche leggere direttamente il post successivo, che devo ancora scrivere. Quindi ecco quello che farò: siccome è da circa due settimane che sto scrivendo una tesina proprio su questi argomenti, è un tema che sento particolarmente vicino e voi, cari amici non-fisici, dovete assolutamente sapere di cosa si tratta, così capirete, almeno in parte, come funzionano le cose. Dal momento che sono argomenti abbbastanza complessi da trattare senza una corretta impostazione matematica, cercherò di essere il più chiaro possibile e tenterò, dove possibile, di rendere l'argomento più divertente e facile. State con me, cari amici non-fisici, cercate di seguirmi: non vi chiedo tanto, solo un ragionamento dopo l'altro. Un'altra cosa: per illustrarvi sommariamente la teoria elettrodebole è essenzialmente necessaria, oltre ad una buona preparazione matematica, una buona conoscenza della fisica classica e di quella quantistica, in special modo della teoria quantistica dei campi (d'ora in poi QFT). Queste branchie della fisica, soprattutto l'ultima, sono tra le più difficili ed intricate e purtroppo nemmeno noi astronomi/astrofisici (da qui in poi AeA) le sappiamo bene. L'idea che sta alla base della QFT è però abbastanza semplice, come vedremo. Quindi nella descrizione che segue vi darò, quando servono, le nozioni necessarie per la comprensione dei fenomeni. Detto questo, passo subito al succo del discorso.

Quando il cielo è limpido, nelle sere d'estate, come del resto in quelle delle altre tre stagioni, lo spettacolo del tramonto è la cosa più romantica che esiste: mentre il sole sparisce all'orizzonte, il cielo si dipinge di arancio, di rosso, di magenta, di viola, di blu e infine di nero e spuntano le prime stelle. Questa situazione è particolarmente adatta all'accoppiamento del maschio e della femmina e fornisce spunto di molte poesie. Tuttavia noi AeA, come pure i fisici credo, siamo abituati a cercare una spigazione dei fenomeni che ci si parano davanti facendo cospicuo uso delle leggi delle fisica in nostro possesso. Ebbene, tra tutti i fenomeni, anche il tramonto. Dovete sapere che qualcuno (o meglio, lui e lui) una volta mi ha detto che "al tramonto sono presenti tutte e quattro le forze fondamentali". Questo naturalmente è vero anche di giorno, ma detto così è un formidabile contrasto tra il romanticismo del tramonto e la fisica che ci sta dietro. Beh, vediamo quali sono queste forze che "agiscono" al tramonto.
Iniziamo con quella più evidente, ovvero quella che regola il movimento del Sole al di sotto dell'orizzonte terrestre. Tutti sappiamo, ma è sempre bene ricordarlo che non si sa mai, che si tratta della gravità.

L'altra forza fondamentale, anche questa alquanto evidente, è la responsabile dei magnifici colori del cielo, ovvero la luce. Certo, la luce non è una forza, ma i "portatori di luce" sono coloro che la mediano e tale forza è quella elettromagnetica.

Ce ne sono poi altre due, meno evidenti perché non si manifestano macroscopicamente e sono l'interazione forte e quella debole. Questi due tipi di interazioni si manifestano a livello subatomico: la prima è la responsabile della nostra esistenza, ovvero è la forza che tiene assieme i protoni e neutroni nel nucleo degli atomi, mentre la seconda, quella debole, è la responsabile della scarsissima interazione dei neutrini con la materia, oltre che del decadimento del neutrone e altri fenomeni fisici di particolare interesse (per i fisici).

A prima vista, dunque, sembra che queste quattro interazioni siano sconnesse tra di loro: mentre la gravità e l'elettromagnetismo si manifestano macroscopicamente e sappiamo, almeno in parte, le conseguenze che esse provocano, dall'altra parte abbiamo altre due interazioni che, senza l'aiuto degli acceleratori di particelle e ad altri astrusi macchinari, non sapevamo nemmeno esistessero. Ebbene, vi anticipo che, a parte la gravitazione, le altre tre interazioni fondamentali si possono descrivere usando un formalismo comune, la QFT, e che in particolare la forza elettromagnetica e quella debole sono in realtà due aspetti diversi della stessa entità, l'interazione elettrodebole.

Siccome sono stanco e domani devo alzarmi presto, concludo qui il post odierno e rimando il tutto al prossimo. Spero comunque di avervi invogliati, cari amici non-fisici, a volerne sapere di più e quindi a voler leggere (con molta attenzione) il prossimo post che non ho ancora scritto.