0371. La materia si può trasformare completamente in energia tra miliardi di anni?

Sono uno studente dello scientifico; leggendo nel vostro sito mi è sorta spontanea una questione: quando avviene una reazione, parte della materia (se pur piccola) si trasforma in energia, quindi si potrebbe arrivare, tra miliardi di anni, ad una situazione in cui tutta la materia si è trasformata in energia? Come avviene il processo inverso? Magari è una domanda sciocca. Grazie, complimenti per il sito! (Badder Marzocchi) (2240_3218_5578)


sem_esperto_verdeLa domanda del nostro web-nauta non è affatto sciocca, anzi, si collega ad alcune delle questioni fondamentali della fisica moderna e della cosmologia. Infatti un concetto-base è proprio l'invarianza icona_glossario delle leggi fisiche rispetto all'inversione del tempo (T-invarianza), che è una delle simmetrie icona_esperto[272] fondamentali della fisica: ciò significa che in principio ogni processo può avvenire in entrambe le direzioni temporali.

Nel caso proposto dal nostro web-nauta, dato dalla famosa equazione ( E = mc2 ) di Albert Einstein icona_biografia l'energia si può trasformare in massa e la massa in energia equivalente icona_audio. Dunque, finché non si ha violazione dell'invarianza temporale icona_glossario , entrambe le reazioni hanno la stessa probabilità di verificarsi e dunque non ci aspettiamo che tutta la materia di trasformi in energia o viceversa.

D'altro canto non sempre la T-invarianza è soddisfatta e in tal caso una direzione temporale per una reazione può essere preferita. Questo può accadere in due modi.

- La violazione è macroscopica e legata alla seconda legge della termodinamica icona_glossario , che ci dice che ogni stato termodinamico procede in modo da aumentare l'entropia del sistema icona_esperto[100] . Dunque, in un processo termodinamico una direzione temporale viene selezionata ed è quella che aumenta l'entropia. In questo casoi una reazione avviene preferibilmente in una direzione fino al momento in cui si raggiunge l'equilibrio termico (stato con la massima entropia). A quel punto l'entropia non può più aumentare e la reazione, e la sua inversa, sono in equilibrio. Nota che nel caso della transizione tra massa in energia, la reazione che produce energia è di solito favorita dal punto di vista termodinamico perché l'energia può essere divisa tra un maggior numero di stati e dunque l'entropia del sistema aumenta. E’ per questa ragione che una particella instabile icona_glossario  icona_esperto[37] decade in particelle più leggere con maggiore energia cinetica. Le particelle leggere possono ricombinarsi in quella più pesante, ma un simile avvenimento è statisticamente molto improbabile, specialmente se la densità delle particelle è bassa. Per la stessa ragione non accade che, spontaneamente, le molecole d'aria si concentrino in un angolo della stanza invece di sparpagliarsi in tutto lo spazio a disposizione. Tuttavia bisogna dire che, nei primi minuti di vita dell'Universo, le densità di particelle erano talmente elevate da permettere anche la reazione inversa da energia a massa e quindi anche particelle instabili come i neutroni (che sono stabili solo nei nuclei,icona_esperto[15] ) erano presenti ed in equilibrio termico icona_esperto[256].

- La violazione della T-invarianza può anche essere di origine microscopica e non statistica; in questo caso abbiamo anche la violazione della simmetria tra particella ed antiparticella icona_esperto[272] icona_esperto[299]. Crediamo che la simmetria fondamentale per la fisica delle particelle sia in realtà una combinazione di inversione spazio-temporale (riflessione rispetto all'origine delle coordinate) e scambio di particella in antiparticella (CPT) . Dunque ogni volta che una parte della simmetria CP viene violata icona_esperto[299] , ci aspettiamo una eguale ed opposta violazione della T-invarianza. Questo effetto è stato misurato ed è molto piccolo nel modello standard , ma deve aver giocato un ruolo fondamentale nella creazione di un Universo prevalentemente di materia icona_esperto[5], icona_esperto[60],icona_esperto[256] .

Laura Covi – Fisico


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