La grande stagione della Fisica quantistica negli anni ’20 del XX secolo(1)(2)(3)(4), che vide l’affermazione definitiva del modello atomico di Bohr con il contributo di Sommerfeld, il principio di esclusione di Pauli, l’affermazione dell’opera di Heisenberg con la meccanica quantistica ed il principio di indeterminazione, la nascita della meccanica ondulatoria con Schrödinger e la sua interpretazione probabilistica con Max Born, la proposta della teoria del dipolo onda-particella fatta da De Broglie (vedi NN: 104-105), ebbe ulteriori sviluppi già nel 1928 con l’equazione elaborata dall’inglese Paul Dirac (1902-1984), Premio Nobel nel 1933, e considerato da Carlo Rovelli e da Stephen Hawking – forse con qualche esagerazione – il più geniale fisico del XX secolo dopo Einstein(5)(9).
Nell’equazione si teneva conto degli effetti relativistici – previsti dalla teoria della Relatività Speciale di Einstein -sul comportamento delle particelle elementari, effetti che non erano stati previsti nella precedente equazione di Schrödinger (vedi N. 105). L’introduzione di questi effetti si armonizzava con l’introduzione dello Spin anch’esso non previsto dall’equazione di Schrödinger.
Tra le soluzioni dell’equazione di Dirac comparivano anche dei valori negativi dell’energia delle particelle. Negli anni seguenti Dirac cercò di spiegare questo fatto ipotizzando che lo spazio apparentemente “vuoto” fosse occupato da un mare di elettroni (detto “mare di Dirac”) in cui una radiazione di sufficiente energia (sotto forma di fotoni) potèva spostare un elettrone (con carica negativa) creando un “buco” che avrebbe agito da particella con carica positiva. Veniva predetta l’esistenza di una particella simile all’elettrone ma di carica positiva, invece che negativa.
Nel 1932 lo statunitense Carl David Anderson (1905-1991) individuò questo tipo di particella – cui fu dato il nome di “Positrone” - nei raggi cosmici. Questo fatto fu poi confermato presso l’Istituto Cavendish di Cambridge, con l’uso di una camera a nebbia, dall’inglese, premio Nobel, Patrick Brackett (1897-1974) e dall’italiano Giuseppe Occhialini (1905-1993) cui invece il Nobel non fu mai assegnato. Si constatò anche che un elettrone ed un positrone, incontrandosi, si annichiliscono a vicenda sviluppando energia, processo che è reversibile. Infatti da un accumulo energetico possono generarsi entrambe le particelle, nel rispetto della fondamentale equazione di Einstein sull’equivalenza tra massa ed energia.
Un altro sviluppo notevole di questo periodo, risalente al 1930, fu l’ipotesi di Pauli, per spiegare il comportamento anomalo delle emissioni “Beta”, sull’esistenza di una particella piccolissima, il neutrino. Il nome fu dato alla particella da Fermi in quanto scarsamente reagente con la materia. La sua esistenza, che fu il più grande successo di Pauli dopo il Principio di Esclusione, fu accertata solo nel 1956. Miliardi di neutrini traversano continuamente i nostri corpi e tutti gli oggetti senza effetti apparenti.
Le teorie di Dirac sulle interazioni tra fotoni ed elettroni (tutte rigorosamente di origine matematica, non sperimentale, e spesso contestate da altri fisici) aprirono la strada al concetto di Campo Quantistico, cioè un campo di forze che occuperebbe tutto lo spazio, dove le particelle compaiono come stati di eccitazione del campo. Esso è detto “covariante” in quanto non varia rispetto alle trasformazioni di Lorentz e rispetta le equazioni della relatività speciale(9). La conferma dell’esistenza di un Anti-Elettrone (il Positrone) ha portato alla previsione della presenza (poi confermata) di particelle di “Anti-Materia” (come l’Anti-Neutrino, ecc.).
Lo studio delle interazioni dinamiche tra fotoni ed elettroni darà luogo alla fine degli anni ’40 ad una nuova branca della fisica che tiene conto sia del campo quantistico che degli effetti relativistici(6)(7)(8): l’Elettrodinamica Quantistica (in inglese nota con la sigla QED, cioè Quantum Electrodynamics), sviluppata separatamente dagli statunitensi Richard Feynman, (1918-1988) e Julian Schwinger (1918-1994), e dal giapponese Schin’ichiro Tomonaga (1906-1979). Essi dovettero risolvere dei complicati problemi matematici che nascono dalla presenza, nei calcoli, di integrali divergenti di valore infinito dovuti al fatto - secondo la teoria relativa all’Elettrone “ideale” isolato, considerato puntuale - che il valore dell’energia di polarizzazione creata dallo stesso Elettrone è infinita in quel punto.
I calcoli comportano l’uso di espedienti teorico-matematici apparentemente arbitrari per l’eliminazione degli infiniti, detta “ri-normalizzazione”, metodo che lo stesso Feynman definì “folle” ed “assurdo” e che fu rifiutato dallo stesso Dirac perché matematicamente poco elegante, e criticato da Bohr(5)(9). Il metodo, però - anche con l’ausilio di una serie di diagrammi intuitivi inventati da Feynman per descrivere le interazioni tra elettrone e fotone (“Diagrammi di Feynman”) - ha portato ad una coincidenza tra previsioni teoriche e risultati sperimentali di laboratorio su alcune caratteristiche degli elettroni “reali” di incredibile precisione. Questa straordinaria coincidenza tra previsioni teoriche e risultati sperimentali viene considerata uno dei massimi successi delle teorie quantistiche, e fruttarono il premio Nobel a Feynman, Tomonaga e Schwinger nel 1965(6).
Brackett e Occhialini nelle loro rilevazioni sui raggi cosmici avevano individuato anche protoni e muoni (particelle cariche negativamente come gli elettroni ma molto più pesanti). Negli anni ‘40 Occhialini individuò, insieme all’inglese Frank Powell (che vinse per questo il Nobel nel 1950 , come già Brackett nel 1948, mentre lo stesso riconoscimento non fu mai dato ad Occhialini) un’altra particella, il Pione, che interviene nelle interazioni tra protone e neutrone all’interno del nucleo dell’atomo. Lo studio di queste particelle, insieme allo studio delle numerose particelle prodotte nelle macchine acceleratrici (di cui ci interesseremo in un prossimo numero), integrate dai concetti di campo quantistico e dagli studi sulla struttura dell’atomo e le forze che lo tengono unito (forze elettromagnetiche, forze nucleari deboli e forti), hanno portato alla costruzione teorica di un modello che abbraccia tutte le 27 particelle finora conosciute (compreso il bosone di Higgs scoperto solo nel 2012, ma previsto già da 40 anni): il cosiddetto Modello Standard (che descriveremo in un prossimo articolo), che, pur se sovente criticato, resta quello di maggior successo, perché sviluppato sulla base di robuste risultanze sperimentali.
(Questo articolo è tratto dal libro di Vincenzo Brandi, "Conoscenza, Scienza e Filosofia", 2020)
(1) RBA,”Le Grandi Idee della Scienza – Bohr
(2) RBA,”Le Grandi Idee della Scienza – Heisenberg
(3) RBA,”Le Grandi Idee della Scienza – Pauli
(4) RBA,”Le Grandi Idee della Scienza – Schrodinger
(5) RBA,”Le Grandi Idee della Scienza – Dirac
(6) RBA,”Le Grandi Idee della Scienza – Feynman
(7) Feynman R. - “Sei Pezzi facili”, Adelphi
(8) Rovelli C. – “Sette brevi lezioni di Fisica”, Adelphi 2018, originale 2014
(9) Rovelli C. – “La Realtà non è come ci appare”, R. Cortina 2014
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