Dal Tutto al Nulla e viceversa
Quanto scritto qui sotto nasce dal fatto che è di questi giorni la notizia che Fabiola Gianotti sarà dal 2016 la presidentessa del CERN, la prima donna a ricoprire questo ruolo all’interno della più grande istituzione internazionale che si occupa di fisica subnucleare. Sicuramente è un segno importante che in un ambiente, fino a qualche decennio fa prettamente maschile, venga nominata una donna presidentessa. Altrettanto importante, per alcuni, è il fatto che sia Italiana. Questo non dovrebbe, in realtà, stupire più di tanto, perché la scuola di fisica italiana è una delle migliori al mondo (nonostante i soliti noti problemi) e il nostro paese in questo ambito riceve spesso molti riconoscimenti, poco pubblicizzati dai media forse perché parlare di fisica non fa audience! Comunque sia, non voglio fare altri commenti, quelli li trovate sui giornali. Qui sotto c'è un tentativo molto rozzo di spiegare in modo “semplice” la fisica di ciò che accade laggiù al CERN: come cercano e creano particelle sempre più massicce!
Il principio di base è semplice e intuitivo: "più energia hai, più grandi sono le cose che riesci a fare”.
Sembra filosofia, anzi lo è, ma è anche fisica. È quella fisica non facile da capire nelle sue viscere, ma che si scrive in modo semplice e popolare nel seguente modo: E=mc^2 (la cosiddetta equazione di Einstein), forse la formula più famosa, che compare in tutti quei film o quelle immagini in cui si vuole dare una parvenza di scientificità al discorso. Questa formula viene spesso tradotta in parole dicendo che: la massa è una forma di energia e che si può ottenere energia dalla massa, ma ci dice anche che l’energia si può trasformare in massa. Massa ed energia sono in strettissimo rapporto tra di loro e tale legame dipende da un fattore - quel “c^2” che compare nella formula - che vale circa novanta-milioni-di-miliardi. Ciò significa che la quantità di energia "stivata" in una piccola massa è enorme, ma ci dice anche che per creare una piccola massa abbiamo bisogno di tanta tanta tanta energia. A questo punto sappiamo che massa ed energia sono legate e che possiamo trasformare l’una nell'altra.
Andando a guardare nel profondo in questi discorsi, le cose sono abbastanza complesse, prima di tutto perché concetti come massa ed energia (ma anche materia e particelle) non sono facili da capire e possono creare confusione. Velocemente, possiamo dire che massa ed energia non sono oggetti, ma proprietà che ogni oggetto dell’universo può avere; le particelle invece sono quegli oggetti che hanno delle proprietà riconoscibili tra cui massa ed energia; la materia è un sottoinsieme delle particelle esistenti (quindi esiste qualcos’altro oltre alla materia?). C’è poi un’altra cosa che ci complica la vita in questi discorsi sull’immensamente piccolo: il microcosmo rivela che le regole che governano, nel profondo, il mondo sono bizzarre e anti-intuitive.
A questo punto, per arrivare a capire come si possono creare delle particelle, il primo problema da affrontare è: come possiamo produrre tanta energia? La risposta più ovvia, dopo quanto detto sopra, è quella di ottenerla trasformando la massa in energia. Come si può fare? Esiste un evento naturale nel quale due particelle (di pari massa) “toccandosi" si trasformano completamente in energia: è la “annichilazione materia-antimateria”. Questo processo dal nome complicato in realtà non è altro che lo scontro tra una particella (per esempio un elettrone) e la sua gemella con carica elettrica opposta (un positrone): uno scontro tra materia e antimateria. I fisici hanno scoperto, ormai quasi un secolo fa, che oltre alla materia (quella di cui siamo fatti noi, la Terra, le stelle e forse tutto l’Universo visibile) esiste anche l’antimateria, ovvero particelle simili in tutto e per tutto alla materia, ma che hanno carica elettrica opposta: se l’elettrone-materia ha carica negativa, l’elettrone-antimateria (detto positrone) avrà carica positiva; un altro esempio è il protone-materia, che ha carica positiva, mentre il protone-antimateria (detto antiprotone) ha carica negativa. La cosa interessante e utile al nostro discorso è che quando materia e antimateria si scontrano, si annichiliscono trasformando la loro massa in energia.
Tutto ciò però non basta perché, seppur siamo riusciti a produrre energia dallo scontro di due particelle, tale energia al massimo sarà pari a due volte mc^2 (ognuna delle due particelle ha energia uguale a mc^2). Tale energia però non è sufficiente ai nostri scopi. Per far sì che lo scontro finale produca molta più energia, dobbiamo fornire noi altra energia alle particelle prima che si scontrino. Come possiamo fare? Il modo più semplice è accelerarle, ovvero farle andare sempre più veloci. Quando si parla di velocità, però, incontriamo un limite che non può essere superato, la cosiddetta velocità della luce: le particelle infatti non possono superare tale velocità. Ma questo limite invalicabile sulla velocità implica che c’è anche un limite all’energia che possiamo fornire alle particelle? La risposta, per fortuna, è no! Perché man mano che la velocità della particella si avvicina alla velocità della luce, la massa della particella stessa aumenta. Il concetto fondamentale è quindi che fornendo sempre più energia ad una particella di una certa massa inizialmente ferma, l'incremento di energia si manifesta in principio sotto forma di un’accelerazione del moto della particella, fino al momento in cui la sua velocità si avvicina moltissimo a quella della luce, successivamente l’ulteriore energia fornita va ad aumentare la massa originaria della particella (in realtà questo secondo effetto accade anche prima, ma evitiamo complicazioni).
Ricapitolando: abbiamo a disposizione due particelle, una di materia e una di antimateria, le acceleriamo quasi alla velocità della luce così da renderle più massicce di quelle originarie, le facciamo scontrare l’una contro l’altra e otteniamo quello che volevamo: tantissima energia. Il limite di tale energia è limitato solo dalla nostra capacità di costruire acceleratori sempre più potenti.
Siamo arrivati al secondo problema: come si produce massa da tutta questa energia? Qui nasce il vero casino. Comunque, il concetto di base è che più si concentra una quantità elevata di energia in uno spazio piccolissimo, maggiore sarà la probabilità che particelle, che in precedenza non esistevano, vengano create tramite l’energia fornita. O.O Ok, ripartiamo da capo. La cosa fondamentale da sapere è che tutto (attorno e dentro di noi, anche quello che chiamiamo vuoto) è pervaso da ciò che i fisici chiamano “campo” che metaforicamente parlando può essere rappresentato come la superficie del mare, sulla quale si possono formare le onde (cioè le particelle reali) e sulla quale ci sono anche delle increspature. Ad ogni tipo di particella è associato un campo e vice versa, ma mentre possono esistere campi nei quali non ci sono particelle, il contrario non è possibile: semplificando molto, è un po’ come dire che il mare può esistere senza onde, ma senza il mare le onde non possono esistere. Cosa sono le onde del mare (ovvero le particelle)? Sono perturbazioni durature della sua superficie e non sono altro che delle trasportatrici di energia; per creare delle onde, infatti, bisogna fornire una certa quantità di energia al mare. Le cose sono molto molto più complicate di queste metafore troppo approssimative, ma il concetto di base è che per creare delle particelle dobbiamo fornire la giusta energia al “campo” ad essa associato.
Durante gli urti tra particelle ad altissima energia, l’energia rilasciata va a disturbare diversi campi che se sollecitati da ben determinate quantità di energia danno origine alle particelle. La creazione delle particelle dopo gli urti non è casuale, segue regole ben precise: le leggi di conservazione di alcune quantità fondamentali sono la base. Ovviamente il fatto che ci siano regole ferree non vuol dire che la strada sia unica, anzi nel microcosmo vale un principio per cui “tutto ciò che non è vietato è obbligatorio” e da uno scontro di particelle aventi una fissata energia, una volta possono nascere certe particelle, la volta successiva altre; sempre rispettando le regole della natura. Quali particelle si formino, dipende dalla probabilità che quell’evento accada. Ovviamente, maggiore è l’energia in gioco nello scontro, maggiore sarà la probabilità di creare una particella di massa elevata ed è per questo che i fisici costruiscono acceleratori di particelle con energie sempre più elevate. C’è però da tenere in conto anche un altro fattore, ovvero che, maggiore è la massa dalla particella che si vuole creare, minore sarà la probabilità che l’evento che la origina accada ed è per questo motivo che gli urti devono essere numerosissimi affinché si riesca a rivelare la particella desiderata.
Il motivo per cui è importante cercare le particelle con massa sempre più grande è quello di capire com’è fatto l’Universo e come funziona, perché, per quanto esse non si manifestino nella nostra vita quotidiana (come possono farlo gli elettroni, i protoni o i fotoni), comunque svolgono un ruolo decisivo nella nostra esistenza… e chissà magari in futuro potranno essere usate in modi ad oggi inimmaginabili!
Il principio di base è semplice e intuitivo: "più energia hai, più grandi sono le cose che riesci a fare”.
Sembra filosofia, anzi lo è, ma è anche fisica. È quella fisica non facile da capire nelle sue viscere, ma che si scrive in modo semplice e popolare nel seguente modo: E=mc^2 (la cosiddetta equazione di Einstein), forse la formula più famosa, che compare in tutti quei film o quelle immagini in cui si vuole dare una parvenza di scientificità al discorso. Questa formula viene spesso tradotta in parole dicendo che: la massa è una forma di energia e che si può ottenere energia dalla massa, ma ci dice anche che l’energia si può trasformare in massa. Massa ed energia sono in strettissimo rapporto tra di loro e tale legame dipende da un fattore - quel “c^2” che compare nella formula - che vale circa novanta-milioni-di-miliardi. Ciò significa che la quantità di energia "stivata" in una piccola massa è enorme, ma ci dice anche che per creare una piccola massa abbiamo bisogno di tanta tanta tanta energia. A questo punto sappiamo che massa ed energia sono legate e che possiamo trasformare l’una nell'altra.
Andando a guardare nel profondo in questi discorsi, le cose sono abbastanza complesse, prima di tutto perché concetti come massa ed energia (ma anche materia e particelle) non sono facili da capire e possono creare confusione. Velocemente, possiamo dire che massa ed energia non sono oggetti, ma proprietà che ogni oggetto dell’universo può avere; le particelle invece sono quegli oggetti che hanno delle proprietà riconoscibili tra cui massa ed energia; la materia è un sottoinsieme delle particelle esistenti (quindi esiste qualcos’altro oltre alla materia?). C’è poi un’altra cosa che ci complica la vita in questi discorsi sull’immensamente piccolo: il microcosmo rivela che le regole che governano, nel profondo, il mondo sono bizzarre e anti-intuitive.
A questo punto, per arrivare a capire come si possono creare delle particelle, il primo problema da affrontare è: come possiamo produrre tanta energia? La risposta più ovvia, dopo quanto detto sopra, è quella di ottenerla trasformando la massa in energia. Come si può fare? Esiste un evento naturale nel quale due particelle (di pari massa) “toccandosi" si trasformano completamente in energia: è la “annichilazione materia-antimateria”. Questo processo dal nome complicato in realtà non è altro che lo scontro tra una particella (per esempio un elettrone) e la sua gemella con carica elettrica opposta (un positrone): uno scontro tra materia e antimateria. I fisici hanno scoperto, ormai quasi un secolo fa, che oltre alla materia (quella di cui siamo fatti noi, la Terra, le stelle e forse tutto l’Universo visibile) esiste anche l’antimateria, ovvero particelle simili in tutto e per tutto alla materia, ma che hanno carica elettrica opposta: se l’elettrone-materia ha carica negativa, l’elettrone-antimateria (detto positrone) avrà carica positiva; un altro esempio è il protone-materia, che ha carica positiva, mentre il protone-antimateria (detto antiprotone) ha carica negativa. La cosa interessante e utile al nostro discorso è che quando materia e antimateria si scontrano, si annichiliscono trasformando la loro massa in energia.
Tutto ciò però non basta perché, seppur siamo riusciti a produrre energia dallo scontro di due particelle, tale energia al massimo sarà pari a due volte mc^2 (ognuna delle due particelle ha energia uguale a mc^2). Tale energia però non è sufficiente ai nostri scopi. Per far sì che lo scontro finale produca molta più energia, dobbiamo fornire noi altra energia alle particelle prima che si scontrino. Come possiamo fare? Il modo più semplice è accelerarle, ovvero farle andare sempre più veloci. Quando si parla di velocità, però, incontriamo un limite che non può essere superato, la cosiddetta velocità della luce: le particelle infatti non possono superare tale velocità. Ma questo limite invalicabile sulla velocità implica che c’è anche un limite all’energia che possiamo fornire alle particelle? La risposta, per fortuna, è no! Perché man mano che la velocità della particella si avvicina alla velocità della luce, la massa della particella stessa aumenta. Il concetto fondamentale è quindi che fornendo sempre più energia ad una particella di una certa massa inizialmente ferma, l'incremento di energia si manifesta in principio sotto forma di un’accelerazione del moto della particella, fino al momento in cui la sua velocità si avvicina moltissimo a quella della luce, successivamente l’ulteriore energia fornita va ad aumentare la massa originaria della particella (in realtà questo secondo effetto accade anche prima, ma evitiamo complicazioni).
Ricapitolando: abbiamo a disposizione due particelle, una di materia e una di antimateria, le acceleriamo quasi alla velocità della luce così da renderle più massicce di quelle originarie, le facciamo scontrare l’una contro l’altra e otteniamo quello che volevamo: tantissima energia. Il limite di tale energia è limitato solo dalla nostra capacità di costruire acceleratori sempre più potenti.
Siamo arrivati al secondo problema: come si produce massa da tutta questa energia? Qui nasce il vero casino. Comunque, il concetto di base è che più si concentra una quantità elevata di energia in uno spazio piccolissimo, maggiore sarà la probabilità che particelle, che in precedenza non esistevano, vengano create tramite l’energia fornita. O.O Ok, ripartiamo da capo. La cosa fondamentale da sapere è che tutto (attorno e dentro di noi, anche quello che chiamiamo vuoto) è pervaso da ciò che i fisici chiamano “campo” che metaforicamente parlando può essere rappresentato come la superficie del mare, sulla quale si possono formare le onde (cioè le particelle reali) e sulla quale ci sono anche delle increspature. Ad ogni tipo di particella è associato un campo e vice versa, ma mentre possono esistere campi nei quali non ci sono particelle, il contrario non è possibile: semplificando molto, è un po’ come dire che il mare può esistere senza onde, ma senza il mare le onde non possono esistere. Cosa sono le onde del mare (ovvero le particelle)? Sono perturbazioni durature della sua superficie e non sono altro che delle trasportatrici di energia; per creare delle onde, infatti, bisogna fornire una certa quantità di energia al mare. Le cose sono molto molto più complicate di queste metafore troppo approssimative, ma il concetto di base è che per creare delle particelle dobbiamo fornire la giusta energia al “campo” ad essa associato.
Durante gli urti tra particelle ad altissima energia, l’energia rilasciata va a disturbare diversi campi che se sollecitati da ben determinate quantità di energia danno origine alle particelle. La creazione delle particelle dopo gli urti non è casuale, segue regole ben precise: le leggi di conservazione di alcune quantità fondamentali sono la base. Ovviamente il fatto che ci siano regole ferree non vuol dire che la strada sia unica, anzi nel microcosmo vale un principio per cui “tutto ciò che non è vietato è obbligatorio” e da uno scontro di particelle aventi una fissata energia, una volta possono nascere certe particelle, la volta successiva altre; sempre rispettando le regole della natura. Quali particelle si formino, dipende dalla probabilità che quell’evento accada. Ovviamente, maggiore è l’energia in gioco nello scontro, maggiore sarà la probabilità di creare una particella di massa elevata ed è per questo che i fisici costruiscono acceleratori di particelle con energie sempre più elevate. C’è però da tenere in conto anche un altro fattore, ovvero che, maggiore è la massa dalla particella che si vuole creare, minore sarà la probabilità che l’evento che la origina accada ed è per questo motivo che gli urti devono essere numerosissimi affinché si riesca a rivelare la particella desiderata.
Il motivo per cui è importante cercare le particelle con massa sempre più grande è quello di capire com’è fatto l’Universo e come funziona, perché, per quanto esse non si manifestino nella nostra vita quotidiana (come possono farlo gli elettroni, i protoni o i fotoni), comunque svolgono un ruolo decisivo nella nostra esistenza… e chissà magari in futuro potranno essere usate in modi ad oggi inimmaginabili!
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