0272. Quali sono le leggi matematiche che descrivono l'antimateria?

espertomini

Leggo da un libro e trascrivo: “Le leggi matematiche con cui i fisici descrivono la struttura dell’atomo prevedono che, oltre alla materia ordinaria, esista anche un’altra forma di materia: la cosiddetta antimateria.” Vorrei sapere da quali leggi matematiche si evince tutto ciò? Faccio presente che come studi ho il diploma del liceo scientifico. (Dario) ( 2156)


sem_esperto_gialloLa domanda del nostro web-nauta Dario è molto interessante e permette (magari non qui, o solamente di sfuggita e in modo incompleto) di toccare alcuni dei temi più profondi della Fisica. Proviamo ad avvicinarci, partendo dal concetto di simmetria; la simmetria degli oggetti, intendo quella completa, ad esempio degli edifici classici o anche quella apparente dei viventi icona_esperto[163], ha da sempre appassionato le menti umane, forse per un desiderio insoddisfatto di completezza, che un oggetto asimmetrico sembra non possedere. Fatto sta che la simmetria, la sua presenza e utilizzazione, è da sempre uno dei fini dei matematici icona_esperto[149] nella loro ricerca e formulazione di leggi e concetti via via più generali. Dove entra in gioco la Fisica? Oggi è comunemente accettato che, sebbene la ricerca -fisica, biologica, astronomica...- parta sempre dall'osservazione dei fenomeni naturali, e mai da una presunta legge matematica di cui si cerca la realizzazione in natura, tuttavia è necessario, perché un concetto possa essere espresso scientificamente, che si possa dare, dei fenomeni osservati, una descrizione formulata in termini matematici. Cioè la matematica è - peraltro solo a partire dai tempi di Galileo icona_biografia -considerata come una sorta di linguaggio icona_esperto[121] per comunicare ad altri i fatti osservati. Pensiamo ad un medico, che osserva una coltura batterica e scrive in un articolo: "Col passare del tempo i batteri, osservati al microscopio, si scindono e diventano sempre di più; poi, quando sono più di tanti, iniziano a morire, e dopo un altro po' di tempo ne rimangono pochissimi". Questo tipo di linguaggio, sebbene a volte si presenti in via del tutto eccezionale, ad esempio alla prima apparizione di un fatto mai prima osservato, e straordinariamente importante, non è molto utile per capire esattamente che succede! Per capire come si realizzi in pratica la simmetria in una semplice legge fisica consideriamo un elettrone che si muova in un campo elettrico icona_glossario uniforme, ad esempio quello fra due piastre di un condensatore piano di dimensioni infinite. Sull'elettrone si esercita allora una forza descrivibile dall'equazione F = qE. Cioè la forza F è proporzionale al campo elettrico E (se raddoppia il campo, raddoppia la forza) secondo un numero q caratteristico dell'elettrone, chiamato la sua carica . Questa forza si manifesterà in una accelerazione dell'elettrone (se non c'e' aria o un altro gas a ostacolarne il moto) descritta a sua volta da un'altra legge: a = F/m dove a è l'accelerazione ed m un altro numero caratteristico dell'elettrone che è la sua massa icona_esperto[101]. Dov'e' la simmetria in questa legge? Proviamo a pensare di osservare lo stesso esperimento con la stessa particella e lo stesso campo elettrico dall'altro lato del tavolo (ipotetico!) su cui sia stato messo il condensatore; è intuitivo immaginare che niente deve cambiare. E infatti dal nuovo punto di vista il campo elettrico cambia direzione; ma anche l'accelerazione lo fa! Cioè l'essenza del fenomeno, è che l'elettrone, o in generale la particella, accelera nella direzione del campo elettrico (se la particelleha carica q positiva) o contro la direzione del campo elettrico (se la particella ha carica q negativa), e questo a prescindere da come è orientato il campo elettrico rispetto all’osservatore! Possiamo dire che la simmetria della legge fisica si è tradotta nella persistenza di un certo fenomeno? Se ci pensiamo un attimo realizziamo che è vero il contrario! Alla base di tutto c'è l' invarianza icona_glossario del fenomeno: quando si gira attorno al tavolo si osserva che la particella, malgrado sembri partire nell'altra direzione, sta facendo esattamente la stessa cosa di prima. E la legge deve essere formulata in modo da tenere conto di ciò. Abbiamo visto che "prima viene la natura e poi la sua descrizione". Ma ogni regola - o quasi! - ha la sua eccezione: nel 1927 uno dei più grandi fisici del XX secolo, Paul Dirac icona_biografia, era alla ricerca di una equazione che descrivesse alcune caratteristiche degli elettroni (caratteristiche ben più complesse del semplice moto sotto l'effetto di un campo elettrico). Dirac, guidato dal suo intuito matematico, trovò un'equazione particolarmente semplice, e perciò interessante, che aveva però un difetto: descriveva anche particelle identiche all'elettrone ma con carica positiva (anti-elettroni o positroni icona_glossario, come li chiamiamo oggi). Queste particelle però non erano mai state viste, e sembrava dunque che non esistessero! Era sbagliata la teoria di Dirac? I fisici dell'epoca pensarono che la teoria era troppo bella per essere falsa e iniziarono a cercare in natura elettroni positivi, trovandoli, nel 1932, nelle reazioni prodotte a partire dai raggi cosmici. Il positrone è appunto l’antiparticella dell’elettrone. La teoria che descrive il mondo sub-atomico prevede che ogni particella, abbia la sua antiparticella. La teoria del Big Bang icona_fumetto ipotizza che all’inizio l’Universo fosse composto di particelle e antiparticelle (materia e antimateria) in uguale quantità. Nell’Universo attorno a noi però le antiparticelle sembrano essere del tutto assenti icona_esperto[60] icona_esperto[5] anche se i fisici sono in grado di produrre - sia pure per breve tempo icona_esperto[11] - antiparticelle o stati di antiparticelle aggregate (antimateria) presso le macchine acceleratrici icona_esperto[104]. La prevalenza nell’Universo della materia sull’antimateria è un grande mistero ancora irrisolto che viene studiato nei più importanti laboratori del mondo.

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Nel caso dell’antimateria dunque la teoria scaturita dai principi di simmetria ha preceduto– come abbiamo visto - la scoperta dei fatti sperimentali. Dato il successo che ebbe allora questo tipo di scelta, che non era affatto scontata a priori, i fisici iniziarono ad avere una fede più salda nelle leggi incorporanti principi di simmetria, e a dare sempre maggior credito a teorie più simmetriche rispetto ad altre, e questo spesso ancora prima di aver verificato i fatti sperimentali. Ciò a volte ha avuto successo, ma altre ha portato la teoria in terreno non produttivo. Nonostante i fisici abbiano questa passione per le leggi simmetriche, che a volte sembra ad osservatori esterni una vera testardaggine, l'osservazione sperimentale ha sempre l'ultima parola: nel momento in cui una teoria simmetrica e bellissima dovesse essere dimostrata falsa, quella teoria ovviamente svanirebbe dagli articoli e dalle menti dei ricercatori. Ai nostri web-nauti interessati questi argomenti, suggerisco un libro breve e semplice, ma affascinante: "La legge fisica" di Richard P.Feynman icona_biografia. L'autore è, non solo un fisico che ha scritto pagine fondamentali della scienza (p.es. Diagramma di Feynman ) ma uno scrittore capace di spiegare cose complesse in un modo meravigliosamente semplice e comprensibile a tutti.

Sandro Calcaterra – Fisico


 

 

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