Einstein ha affermato: “l’eterno mistero del mondo è la sua comprensibilità. Il fatto che sia comprensibile è un miracolo”.
La cosmologia e la fisica delle particelle sono fortemente legate tra loro . Hanno scale diverse – macroscopica e microscopica – ed il nostro cervello fatica a conoscere dimensioni cosi diverse dalla propria. La teoria del tutto, che ancora non esiste provata, coniuga ambedue tali mondi, decifrando e arrivando a comprendere il “mistero del mondo” .
Le particelle sono in relazione tra loro attraverso simmetrie e sono all’origine di forze reciproche di cui oggi si riferiscono quattro livelli fondamentali: la forza debole, la forza forte, la forza elettromagnetica e la gravità. Ma andiamo con ordine. Si è a lungo creduto che l’atomo – il “mattone dell’universo” risalente a Democrito – fosse la particella elementare – dal greco significa “indivisibile” -. Mille anni dopo (sic!) si è scoperto che l’atomo ha un nucleo e delle particelle che gli girano intorno, gli elettroni. L’atomo non è indivisibile ma divisibile in componenti più piccole. Pur divisibile, fatta eccezione del nucleo e degli elettroni, l’atomo è vuoto per il novantanove per cento.
Se si pensa al sistema solare con i pianeti, tra cui il nostro, la Terra, i quali girano intorno al Sole nella parte di universo in cui ci troviamo , non è difficile immaginare l’atomo , e come esso è fatto. Gli elettroni che girano intorno al nucleo dell’atomo lo fanno in maniera simile ma diversa e decisamente più complessa di quanto non lo facciano i pianeti intorno al Sole. Gli elettroni seguono infatti i principi della teoria della meccanica quantistica, che è squisitamente probabilistica. Si tenga presente che per orientarsi e capire qualcosa nel mondo della teoria dei quanti, ovvero degli atomi e dell’infinitamente piccolo , è necessario cambiare sguardo e approcciare ed osservare le cose oggetto di indagine con “occhi diversi”. Ci si muove cioè nell’ambito della probabilità , nella indeterminazione , non nella determinazione empiricamente provata.
Al centro dell’atomo c’è il nucleo ed il nucleo è suddivisibile in particelle più piccole, nei protoni e nei neutroni. I protoni presentano una carica elettrica positiva opposta a quella degli elettroni che è negativa. I neutroni non hanno nessuna carica. Se un protone (+) ed un elettrone (-) si avvicinassero si attirerebbero avendo cariche opposte; se si avvicinassero due protoni o due elettroni, si respingerebbero avendo identica carica elettrica. Ciò che tiene insieme i protoni nel nucleo – che si respingerebbero avendo carica elettrostatica identica – è l’interazione della forza nucleare forte che agisce come una colla mantenendo attaccati i protoni – ed i neutroni- nel nucleo dell’atomo. La forza nucleare forte è potentissima. È la più potente tra le quattro forze fondamentali della natura – che, si ripete, sono la gravità, la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole-. La gravità ha un effetto gigantesco solo in presenza di grandi masse. Rispetto alla forza nucleare forte tuttavia la gravità è come una formica di fronte ad un dinosauro! La forza nucleare forte è ben dieci seguito da trentotto zeri (10 seguito da 38 zeri!) più forte della gravità. Esistono poi delle apposite particelle che svolgono il ruolo di mediatrici della forza nucleare forte, che si chiamano gluoni , da “glue” che significa colla in inglese (la combinazione di gluoni si chiama “glueball” letteralmente palla di colla). Se si guardano i protoni ed i neutroni già impossibili da osservare con un buon microscopio, al loro interno ci sono particelle ancora più minuscole chiamate quark (da cui la nota trasmissione televisiva). I quark sono di varie tipologie ma quelli che compongono i protoni e i neutroni sono solo di due tipi : cosiddetti quark up e quark down. Un protone è il risultato della combinazione di due quark up e uno down, mentre un neutrone di due quark down e un solo up. Ci sono particelle ancora più piccole che compongono i quark? Sì e no. Nel senso che, secondo la teoria del cosiddetto modello standard delle particelle no perchè i quark, alla stregua degli elettroni, sono ritenuti particelle elementari come era indivisibile l’atomo duemila anni fa. Differentemente negli ultimi anni ha preso piede la cosiddetta “teoria delle stringhe” che prevede che tutte le particelle che compongono l’universo siano come delle corde vibranti la cui vibrazione va a fornire le peculiarità a ogni singola particella. Dunque i quark sarebbero entità vibrazionali . L’universo, secondo quest’ultima teoria, sarebbe il risultato della “sinfonia”suonata da queste stringhe.
La teoria delle stringhe prevede un universo a undici (11) dimensioni, cioè oltre alle tre dimensioni spaziali – lunghezza, altezza, larghezza- ed a quella temporale dello spazio/tempo, ci sarebbero fino a undici dimensioni.
È una teoria che, a differenza della meccanica quantistica, però non è mai stata verificata in via sperimentale. La teoria delle stringhe si propone di conciliare la incompatibilità tra la gravità della relatività generale di Einstein con le tre forze fondamentali della natura – elettromagnetica (elettronica) , forza nucleare debole e forza nucleare forte – spiegate dalla teoria dei quanti, una teoria di “gravità quantistica” cioè . Al momento le due teorie non sono compatibili e ciò fa credere che ci sia qualcosa di errato da qualche parte, o totalmente differente da ciò che si pensa.
Si ricordi che secondo il più importante tra i fondatori della teoria quantistica, l’amico di Einstein Max Plank (1900) l’energia non si trasmette come un flusso continuo ma in piccoli pacchetti discreti, limitati ed indivisibili: i quanti . La radiazione elettromagnetica è cioè formata da particolari quanti, che vengono detti fotoni. Le particelle in fin dei conti sono quanti , i fotoni non sono altro che i quanti del campo elettromagnetico. Ma la luce è – come è stato dimostrato dal fisico Thomas Young nel 1801- anche un’onda , così come lo è il suono. Secondo la meccanica quantistica la luce presenta il dualismo onda-particella o cosiddetta onda – corpuscolo che significa che la luce è simultaneamente un’onda e una particella: in alcuni casi si manifesta sotto forma di onda , in altri assume la conformazione di corpuscolo , il fotone. Nel 1927 il fisico Werner Heisemberg formuló a tale proposito il principio quantistico della indeterminazione – di Heisemberg appunto – vale a dire che di una particella non è possibile conoscere con esattezza simultaneamente la sua posizione e la sua velocità. E che più si conosce una caratteristica, meno si può sapere dell’altra. Conseguentemente che nel mondo degli atomi e delle particelle regna non la determinatezza ma l’indeterminatezza, o se vogliamo dirlo più esplicitamente il caos , o quella che in quantistica viene chiamata la probabilità. Il mondo delle particelle è cioè probabilistico in quanto vige l’indeterminazione, non coniugandosi affatto con la certezza dei principi della fisica classica. Niente in pratica è certo nel mondo dell’infinitamente piccolo. Nella fisica quantistica, in qualsivoglia esperimento, non possono manifestarsi contemporaneamente l’aspetto ondulatorio e quello corpuscolare di una particella – è l’interpretazione di Copenhagen di Bohr e Heisemberg del 1927 sull’onda-particella ed il principio di complementarità-. (da qui Schrodinger con il cosiddetto paradosso del gatto ha evidenziato che la situazione delle particelle non sarebbe ad escludendum di uno stato o dell’altro ma si tratterebbe di uno stato simile ad un limbo in cui di fatto tutto può essere. Nel caso del gatto , era in una particolare situazione in cui al comprendo era vivo è morto, secondo probabilità). In definitiva la teoria quantistica delle particelle (dei campi) e la teoria della relatività generale risultano incompatibili quando si cerca di applicarle a scale spaziali e temporali molto piccole. That is the problem. Questo è il problema.
Riguardo al l’elettrone che ruota intorno all’atomo , esso contribuisce dello 0,06 per cento alla massa dell’atomo, cioè in maniera davvero minima, in compenso è quello che più di tutti influenza la sua natura. Tutta la chimica si fonda sul ruolo chiave degli elettroni. Per fare un esempio, si prenda il sale , in chimica noto come cloruro di sodio: un atomo di sodio è composto da undici protoni e undici elettroni, esso non si potrebbe legare a uno di cloro composto da diciassette protoni e diciassette elettroni se questi elementi della tavola periodica non si scambiassero gli elettroni. Il sodio regala così un elettrone al cloro, legandosi. L’elettrone è alquanto differente da un pianeta intorno al Sole. In pratica l’atomo è come una specie di Matrioska, fatto a strati, su quello di superficie- l’ultimo guscio elettronico – ha otto elettroni in tutto, non uno di più non uno di meno. E gli elettroni possono ruotare intorno al nucleo solo dentro determinate orbite e con determinati valori dell’energia – i diversi valori dal nucleo definiscono i cosiddetti gusci elettronici- . Ogni atomo può avere un certo numero di gusci elettronici ma, l’ultimo, è quello più importante, perché li si verificano i legami chimici – si chiamano elettroni di valenza -. Quando l’elettrone (-) ruota intorno al nucleo (+) agiscono due forze, quella elettrostatica che attira l’elettrone dentro il nucleo e quella centrifuga che lo allontana. Tutto sarebbe in equilibrio se non fosse che , accelerando , l’elettrone rilascia energia elettromagnetica quindi la perde e prima o poi sarebbe così destinato a cadere nel nucleo – questo avviene secondo la fisica classica-. La fisica quantistica sostiene invece che l’elettrone rilascia energia solo quando salta da un’orbita elettronica ad un’altra più vicina al nucleo . Più che una caduta a spirale nel nucleo si tratterebbe di salti verso il nucleo dell’atomo.
Tali sono le questioni oggi in ballo. E non è roba di poco conto perché quando cerchiamo una teoria del tutto unificata , ci riferiamo al fatto che essa descriva le forze della natura come una sola. Una teoria del tutto spiegherà tutti i rami della fisica e per estensione di tutte le scienze naturali: si identificherebbe con la radice dell’albero stesso della scienza. Oggi ignoriamo perché il nostro cervello e l’universo condividano la stessa logica.

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