(la prima parte dell’articolo, sul CERN di Ginevra, la trovi cliccando qui)

L’uomo ha sempre cercato di capire quale fosse la struttura della materia che compone l’universo e che, di conseguenza, costituisce la base dell’uomo stesso. La domanda fondamentale a cui nessuno riusciva a dare risposta era “qual è il più piccolo componente della materia? Quali sono le forze fondamentali della natura?“.
L’ultimo incredibile secolo di scoperte di fisica quantistica e i recentissimi studi al centro di ricerca del CERN di Ginevra stanno chiarendo in modo forse definitivo quali siano queste particelle e le forze alla base dell’universo in cui viviamo.

La complessità di questi argomenti purtroppo è tale da restare fuori dalla portata di quasi tutta la popolazione, un po’ per l’intrinseca difficoltà dei calcoli matematici ma soprattutto per il particolarissimo e apparentemente illogico comportamento quantistico della materia a livello subatomico, la cui comprensione necessita di un grande salto nel buio verso un mondo completamente nuovo, dove le forze sono interazioni tra particelle, la materia è energia, le onde sono particelle e il tempo rallenta all’aumentare della velocità.

Il bosone di Higgs è solo l’apice di questa piramide di conoscenza, costruita lungo un rivoluzionario secolo di studi ed esperimenti da parte di decine di geniali personalità che hanno fatto la storia della fisica; in questo e nel prossimo articolo proviamo con molta modestia ad addentrarci in questo microscopico mondo, sperando di uscirne sani di mente.

I 4 elementi di Aristotele

Di cosa è composto l’universo?

Si è sempre pensato che la materia fosse un agglomerato di pochi elementi fondamentali.
Con “fondamentali” si intendono degli oggetti semplici e privi di struttura interna non composti da qualcosa di più piccolo.

Nella storia dell’umanità ci sono stati molti tentativi di capire quali fossero questi elementi,  anche con il lavoro di filosofi e grandi pensatori che non sempre hanno avuto l’abitudine di affiancare alle loro teorie degli esperimenti che le confermassero, ma di certo non mancavano di intuito e genialità.

Per convenzione il dolce, per convenzione l’amaro, per convenzione il caldo, per convenzione il freddo, per convenzione il colore, secondo verità gli atomi e il vuoto

Democrito, 400 a.C.

La più famosa teoria in occidente è quella di Aristotele, nel 350 a.C., secondo la quale i costituenti di base della Terra sono terra, aria, fuoco e acqua. Questi 4 elementi si ritrovano anche nelle culture orientali, nel buddhismo e nell’induismo (che però spesso ne aggiungevano un quinto, più “spirituale”).
In realtà alcuni decenni prima Democrito aveva introdotto la molto più veritiera teoria atomica, che concepiva gli atomi come particelle originarie indivisibili: essi cioè erano quantità o grandezze primitive e semplici, omogenee e compatte, con la caratteristica principale dell’indivisibilità (cit wikipedia).

La teoria atomica purtroppo rimane un’opera incompresa e viene messa per secoli in un cassetto, infatti il Medioevo osteggiò fortemente questa concezione materialista della realtà e quindi ci tocca aspettare addirittura il 1800 per tornare a vedere degli studi approfonditi che cercassero il più piccolo componente della materia.

Pensarci oggi sembra incredibile, ma fino a duecento anni fa si continuava a credere a versioni solo un poco più evolute degli elementi aristotelici, si riteneva esistessero delle “tessere” con cui veniva realizzata tutta la materia dell’universo. La “scoperta” degli atomi ha portato nel 1800 ad una rivoluzione che si è realizzata pienamente nella meravigliosa tavola periodica di Mendeleev, che ha ordinato tutti gli elementi conosciuti (ma attenzione, nessuno di questi era fondamentale!) in base al numero atomico.

La tavola periodica di Mendeleev (premi ESC per uscire dall'immagine)

Ma non era abbastanza. Con il costante progresso degli esperimenti si inizia a studiare il mondo subatomico: si scopre l’elettrone (Thompson-1887) e il nucleo atomico (Rutherford-1911). Da quei precursori in poi tutto lo scorso secolo è stato un continuo rincorrersi di scoperte di nuovi elementi subatomici: il protone (Chadwick-1932), il positrone (Wilson-1933), i muoni (Anderson-1934,36) e così via sempre più in piccolo fino a trovare quasi tutte le particelle elementari… dico QUASI perchè all’appello manca ovviamente il tanto atteso BOSONE DI HIGGS (e, ad essere sinceri, anche il gravitone di cui parleremo dopo)!

Ma non corriamo troppo, prima bisogna cercare di capire cosa sono e che compiti hanno le particelle subatomiche scoperte nell’ultimo secolo.

Chi non rimane scioccato quando studia la fisica quantistica probabilmente non l’ha capita
Niel Bohr, 1971

Il modello standard (MS)

Il MS è la teoria che descrive 3 delle 4 forze fondamentali e tutte le particelle elementari che prendono parte a queste interazioni e formano tutta la materia osservabile dell’universo. Questa teoria è la migliore e la più verificata spiegazione che abbiamo per dare un senso ai fenomeni che avvengono alla scala atomica e subatomica.

Più in dettaglio il MS descrive :

  • il comportamento delle 12 particelle elementari (i cosiddetti fermioni), cioè: l’elettrone, le cinque particelle appartenenti al gruppo dei leptoni e i 6 quark. Inoltre vengono studiate le antiparticelle (antileptoni e antiquark), e le particelle che permettono a leptoni e quark di interagire fra loro.
  • il comportamento delle 4 forze fondamentali: interazione elettromagnetica, forza nucleare “debole”, forza nucleare “forte” e gravità.

Vediamo un po’ di cosa si tratta.

Le particelle fondamentali

L’atomo, che con un eccesso di semplificazione ci hanno spiegato essere il componente alla base di tutta la materia, in realtà è composto di elettroni (indivisibili) e da un nucleo, a sua volta composto da più particelle: neutroni e protoni. Non basta, anche questi ultimi elementi sono a loro volta divisibili in 3 sotto-particelle, i quark, che quindi possono entrare di diritto tra le particelle elementari.

Attenzione però, prima di proseguire mi sembra il caso di farsi un’idea delle proporzioni tra queste particelle, che sono assai diverse da quelle che ci si immagina osservando il classico atomo stilizzato dei libri di fisica o chimica: infatti il nucleo è 10000 volte più piccolo dell’atomo e i quark sono altre 100000 volte più piccoli del nucleo!

Il miglior esempio che ho trovato per spiegare in modo chiaro queste proporzioni si trova ne “Il Tao della Fisica” di Fritjof Capra:

Immaginiamo un’arancia che cresca fino a raggiungere le dimensioni della Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.

Questo atomo è tuttavia enorme se confrontato con il suo nucleo, che sta al centro. Nella nostra immagine degli atomi-ciligie, il nucleo sarebbe così piccolo da non poterlo nemmeno vedere. È quindi necessario ingrandire l’atomo fino alle dimensioni della più grande cupola al mondo, quella della basilica di S.Pietro a Roma, per poter intravedere il nucleo dell’atomo, grande come un granello di sale. Un grano di sale al centro della cupola di San Pietro e dei granelli di polvere che gli turbinano intorno nell’enorme vastità della cupola: in questo modo possiamo raffigurare il nucleo e gli elettroni di un atomo.

In questa metafora, i quark sarebbero ancora assolutamente invisibili all’occhio umano, ben 100000 volte più piccoli del grano di sale-nucleo…

Quindi l’atomo è un’enorme cupola con all’interno un grano di sale e qualche granello di polvere: tutto il resto è spazio vuoto. Sembra incredibile ma noi siamo al 99.99% spazio vuoto tenuto insieme dalle forze nucleari. Ci sarebbe da scrivere un libro solo su questo argomento, ma il motivo per cui le “cose” hanno effettivamente un aspetto solido dipende dalle immense forze che legano le particelle tra loro e dal fatto che gli elettroni si muovono ad una tale velocità (900 km/s !) da far apparire tutto l’atomo come una “sfera piena”, un po’ come le pale di un’elica di un elicottero sembrano un disco. Questo è un effetto quantistico legato al dualismo onda/particella dell’elettrone, che quindi non si deve considerare solo come una “particella molto veloce” ma anche come un onda di probabilità dinamica attorno al nucleo.

Stiamo divagando.
Meglio prenderci una pausa e continuare nel prossimo post questa non semplice discussione (finora è stato facile).

Primo articolo: introduzione al CERN
Terzo articolo: il mondo subatomico (a settembre)
Quarto articolo: l’origine dell’Universo
Quarto articolo: il bosone di Higgs