Interazioni e loro unificazione

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28/07/2014 15:27 - 09/01/2017 13:23 #142 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Interazioni e loro unificazione
Interazioni e loro unificazione
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Per domande: autore o Domanda a un esperto
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Quale è l'origine dell'Universo? Come è giunto all'Universo di oggi? Sono domande antichissime, alla quali l'umanità ha fatto fronte con miti e religioni. Sono domande di tutti. Tra questi "tutti" vi sono artisti e scienziati. Così con il quadro La nascita del Mondo , dipinto nel 1925 e ora al Museum of Modern Art di New York, Juan Miró si pose l'interrogativo dell'origine del mondo in cui viviamo. Gli scienziati si pongono lo stesso interrogativo, ma dispongono delle metodologie della Scienza per risalire razionalmente quanto possibile verso le origini dell'Universo. Questo è il dominio scientifico della Cosmologia, tra le cui basi troviamo la Fisica delle Interazioni Fondamentali e delle Particelle Elementari.



Fig. 1. Juan Miró, La nascita del Mondo (1925)
Museum of Modern Art, New York - Immagine MoMA

Eccoci motivati ad approfondire la nostra conoscenza delle Interazioni Fondamentali. A questo si aggiunge il desiderio di conoscere le leggi che governano la struttura della materia, ne determinano le proprietà e sono alla base di fenomeni che osserviamo correntemente o scopriamo. Lo spirito non è lontano da quello di artisti come Miró. Come l’Arte, la Scienza scaturisce da curiosità ed è mossa da creatività. Nella Scienza, esse generano idee per comprendere leggi e meccanismi dei fenomeni della Natura e per concepire metodi sperimentali capaci di svelare quanto occorre per questa comprensione.

In questo processo, la Scienza getta anche le basi per nuove tecnologie e dispositivi. L'Ingegneria sfrutta poi mirabilmente le conoscenze acquisite per portarle a frutto nella vita comune e renderne accessibili i benefici. Accade dai tempi preistorici, idealmente e in larghissima parte anche praticamente. Così l'uomo imparò ad accendere un fuoco e inventò la ruota. In sostanza, la Scienza è mossa dalla stessa connaturata esigenza di conoscenza che ha portato la "specie umana" fuori dalle caverne …. e che ora tiene gli scienziati ancorati nei laboratori dalla loro passione. Inoltre, la specie umana ha sviluppato una tutta propria capacità di tramandare efficientemente il progresso.

Il concetto di “Interazioni Fondamentali” è strettamente connesso a quello dell’unificazione di interazioni. Inizieremo da quest’ultimo concetto.


Radici

La preziosa resina fossile – di origine prevalentemente baltica e largamente diffusa già in tempi preistorici, attraverso una sorprendente rete di traffici - in greco antico chiamata ηλεκτρον (elektron) e ora nota come ambra (figura 2a) ha una proprietà nota da tempi antichissimi: attrae corpi leggeri se strofinata con un panno di lana.

Il minerale ferroso detto magnetite per la sua abbondanza presso la città di Magnesia ad Sipylum nell’antica Lidia sulla costa egea dell’odierna Asia Minore, ha la proprietà di attrarre pezzetti di ferro (figura 2b).

Diogene Laerzio (180-240 d.C.) riferisce che “Aristotele e Ippia dicono che Talete dette una parte di anima anche alle cose inanimate, arguendolo dalla calamita (magnetite) e dall'ambra. Secondo Talete di Mileto (VI secolo a.C.) una “anima” era quindi l’elemento unificante tra i due fenomeni, disgiunti ma analoghi.

Il filosofo si preoccupava di dare una risposta alla naturale domanda di una possibile radice comune delle proprietà attrattive manifestate da ambra e magnetite. Questo mostra che il concetto di “unificazione” nasce naturalmente dall’esigenza di comprensione propria dell’intelletto umano.

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Fig. 2a. Ambra con inclusione di un insetto
Immagine Wikipedia
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Fig. 2b. Blocco di magnetite con limatura di ferro
da essa attratta - Immagine Wikipedia


Unificazioni in fisica classica

Una rigorosa unificazione in un’unica “Interazione Fondamentale” di forze apparentemente disgiunte, quali quella che agisce sulla caduta dei gravi e quella che determina il moto dei corpi celesti, irruppe grandiosamente nella Scienza nel 1687 con la “Gravitazione Universale” di Isaac Newton, di cui tratta l’articolo Interazione gravitazionale .

La scienza ottocentesca ha unificato l’origine dei fenomeni elettrici e magnetici nell’Interazione elettro-magnetica, che porta nel nome la storia antica di ambra-elektron e di Magnesia ad Sipylum, iniziando nel 1820 con la scoperta di Hans Christian Oersted che una corrente elettrica genera un campo magnetico e culminando nel 1864 con la formulazione delle Equazioni di Maxwell da parte di James Clerk Maxwell.

La teoria di Maxwell predice che cariche elettriche oscillanti generino “ onde elettromagnetiche ”, che si propagano con la velocità della luce, da cui l’ipotesi che la luce stessa sia un’onda elettromagnetica. Le Equazioni di Maxwell sono le "Equazioni della luce”. Tra il 1881 e il 1884, Heinrich Rudolf Hertz dimostrò sperimentalmente l’esistenza delle onde elettromagnetiche, producendole in laboratorio nel dominio di frequenza oggi detto delle onde radio. Fu così aperta la strada alla loro utilizzazione per la trasmissione d’informazioni e all’ invenzione della radio . Lo spettro di frequenza delle onde elettromagnetiche è vastissimo, andando da quelle delle onde radio a quelle della luce e alle altissime frequenze della radiazione γ.

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Fig. 3. Michelangelo Buonarroti, La creazione di Adamo (ca. 1511), Cappella Sistina (Stato del Vaticano) - Immagine Wikipedia


Interazione per scambio

Il concetto di ’interazione “a distanza” proviene da una geniale astrazione intellettuale, nata con la Gravitazione Universale di Newton e riflessa nella legge di Coulomb per l’interazione elettrostatica (vedi Interazione Gravitazionale e Interazioni elettromagnetiche “alla Feynman” . Questa potentissima astrazione intellettuale ben rappresenta i fenomeni conosciuti in fisica classica (fino agli inizi del Novecento) e ha determinato un grande progresso scientifico e tecnologico, tanto da essere correntemente accettata.

Tuttavia, una interazione a distanza appare estranea all’esperienza comune, in cui le forze vengono trasmesse attraverso una forma di contatto, diretto o indiretto. Neanche l’Adamo di Michelangelo Buonarroti fu creato veramente a distanza (figura 3) né tanto meno Eva, che ebbe una costola di Adamo come "mediatore" (vedremo poi il significato di questa parola in fisica quantistica). Questo argomento generale è trattato anche in L'enigma dell'interazione a distanza e i "quanti" .

Un’esperienza comune di carattere dinamico riguarda i giochi di squadra con una palla. Lo scambio palla è essenziale in tutti questi giochi. La figura 4 mostra la progressione di due giocatori di rugby, che scambiandosi la tipica palla ovale mantengono il gioco in mano loro. La Meccanica Quantistica e l’equivalenza relativistica E = mc2 [/size] permettono l’inimmaginabile in fisica classica. I giocatori della Meccanica Quantistica Relativistica (le particelle elementari) interagiscono “creando” (con il sacrificio di parte della loro energia e quantità di moto) le palle che lanciano (sono le cosiddette particelle mediatrici (o “mediatori”) e “assorbendo” quelle che ricevono. L’interazione è come un palleggio continuo in cui particelle mediatrici caratteristiche dell’interazione (come la palla ovale lo è del rugby) sono spontaneamente emesse da una particella e assorbite da quella con cui essa sta interagendo.

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Fig. 4. Interazione per scambio in corsa
della palla ovale nel gioco del rugby
Immagine Allenamento del rugby
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Fig. 5. Diagramma di Feynman per l’interazione
tra due elettroni, trasmessa da un fotone
Immagine Cronodon

Pure inimmaginabile nell'analogia classica di un'interazione meccanica per scambio è che la forza trasmessa dal mediatore non sia solo repulsiva, determinando un rinculo. Essa può anche essere attrattiva, con effetto di coesione. Ad esempio, questo accade per la coesione dinamica di elettroni e nucleo in un atomo, che non è descrivibile nei limiti della fisica classica.


Interazione per scambio "alla Feynman"

Gli articoli Interazioni elettromagnetiche “alla Feynman” e L'enigma dell'interazione a distanza e i "quanti" illustrano la visione delle interazioni in Meccanica Quantistica Relativistica, riferendosi a quella elettromagnetica.

I “diagrammi di Feynman” costituiscono un formidabile strumento per una visualizzazione grafica qualitativa del modo in cui le interazioni intervengono nel determinare lo svolgimento di un processo fisico. Le "regole di Feynman" forniscono poi un "dizionario grafico-matematico" per una traduzione dei diagrammi in espressioni matematiche quantitative che danno le corrispondenti "ampiezze di probabilità", definite in Onde e particelle per pedoni molto curiosi .

L’interazione elettromagnetica tra due particelle elementari è rappresentata – nella sua formulazione di base e riferendosi a elettroni - dal diagramma in figura 5. Prendendolo come guida, vediamo come emerge la nuova visione. Le Interazioni elettromagnetiche hanno il “fotone” come mediatore: la linea ondulata in figura 5 indica il fotone (γ) che è trasmesso nell’interazione. La dipendenza da 1/r2 trovata da Charles Augustin de Coulomb per l'interazione elettrostatica è da porsi in relazione con il valore rigorosamente nullo della massa del fotone. Essendo la luce una radiazione elettromagnetica, il fotone è anche una "particella di luce".

L’intensità dell’interazione non è più determinata da un’empirica costante priva di proprio significato fisico perché ingloba vari fattori, ma (come si può intuire) dalla probabilità che il mediatore sia emesso o assorbito. La corrispondente "ampiezza di probabilità" (come definita in Interazioni elettromagnetiche “alla Feynman” ) prende il nome di “costante di accoppiamento”, caratterizzando l’interazione e la sua intensità.


Unificazione e costante di accoppiamento nella visione quantistica-relativistica

Con la GravItazione Universale, Newton comprese che la stessa interazione si manifesta in fenomeni apparentemente disgiunti. Nella visione quantistica-relativistica, il concetto di “unificazione” d’interazioni si precisa dicendo che essa significa comprendere che i fenomeni sono retti dalla “stessa costante di accoppiamento”. Per esempio, nella Interazione Elettro-Debole sono unificate l’Interazione elettromagnetica con mediatore il fotone γ e l’Interazione debole con mediatori le particelle W+ [/size], W- e Z0 [/size]: i mediatori sono diversi ma hanno la stessa costante di accoppiamento. In sostanza, il concetto di unificazione poggia direttamente e integralmente su quello di costante di accoppiamento e sulla sua identità.

I mediatori sono detti “virtuali” perché nascono e muoiono all’interno dell’interazione (figura 5), manifestandosi solo indirettamente al mondo esterno attraverso i loro effetti sul manifestarsi del processo fisico.

La componente elettromagnetica della Interazione Elettro-Debole è correntemente osservata e utilizzata a fini pratici in numerosissimi dispositivi e applicazioni. Alla componente che va tradizionalmente sotto il nome di “ Interazione Debole ” vanno attribuiti fenomeni rari – quindi a lungo considerati disgiunti da quelli elettromagnetici - quali i “decadimenti" nucleari discussi in Radioattività e decadimenti nucleari . Nella visione dell’unificazione elettro-debole, la rarità di questi fenomeni non è dovuta a una più piccola costante di accoppiamento, ma all’elevatissima massa dei mediatori (W+ [/size], W- e Z0 [/size] hanno massa circa 100 volte più grande di quella del protone) e quindi ad una loro maggiore difficoltà nella trasmissione ("propagazione") da una particella all’altra, come esposto in Interazione Elettro-Debole . In sostanza, una maggiore massa del mediatore “virtuale” ne riduce la probabilità di trasmissione e quindi quella globale che il processo fisico avvenga.


Le Interazioni Fondamentali

Le interazioni oggi considerate come “fondamentali”, nel senso che non siamo in grado di concepire ulteriori unificazioni, sono l’ Interazione Gravitazionale , Interazione Elettro-Debole e l’ Interazione Forte .

A partire dalla fine degli anni Sessanta, si è giunti a formulare teoricamente l’Interazione Elettro-Debole e, indipendentemente, l’Interazione Forte imponendo una simmetria delle loro leggi rispetto a speciali trasformazioni (dette “di Gauge”). Esse sono quindi già apparentate da una comune matrice metodologica, accennata in L'enigma dell'interazione a distanza e i "quanti" e descritta in Simmetrie e Interazioni Fondamentali . Il suddetto articolo fa parte di una serie di Saggi tematici su Simmetrie e su Antisimmetrie, che ne sottolineano le connessioni con le leggi fisiche.

L'interazione Gravitazionale resta una grande solitaria e per essa tuttora non esiste una teoria quantistica. Un'ambiziosa proiezione verso il futuro ci riporta vertiginosamente indietro nel tempo sino agli istanti primordiali dell'Universo, quando un’immane energia si avviò a trasformarsi in materia. Si presume che in tali condizioni i fenomeni gravitazionali avvennero con intensità paragonabile a quelli descritti quantisticamente dalla Interazione Elettro-Debole e dalla Interazione Forte, e che essi vadano inquadrati in una teoria quantistica della Gravitazione. Si potrebbe così giungere a concepire una globale unificazione delle interazioni, la cosiddetta “ Grande Unificazione ”.



Fig. 6. Richard P. Feynman
Immagine da The Feynman Lectures on Physics

Ascoltate Feynman

A poco a poco ascoltate le lezioni di Feynman (in inglese) nel ciclo “The character of physical law”. Non sono recenti, ma come sempre le parole di Feynman aprono mente e cuore. Ecco i titoli delle lezioni:

1. The Law of Gravitation
2. The relation of Mathematics and Physics
3. The Great Conservation Principles
4. Symmetry in Physical Law
5. The distinction of Past and Future
6. Probability and Uncertainty in Quantum Mechanics

Potete anche leggere il suo libro La legge fisica . Molto belle, e disponibili in diverse lingue, sono le International Masterclasses del CERN.

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Paolo Strolin ...
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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/01/2017 13:23 da Paolo.

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