“È un punto o è una macchiolina? Quando è sott’acqua, si bagna? O è invece l’acqua a bagnarlo? Nessuno lo sa”. -They Might Be Giants, “Particle Man”
A scuola impariamo che la materia è fatta di atomi e che gli atomi sono fatti di ingredienti più piccoli: protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni sono fatti di quark, ma gli elettroni no. Per quanto possiamo dire, i quark e gli elettroni sono particelle fondamentali, non costruite da qualcosa di più piccolo.
Una cosa è dire che tutto è fatto di particelle, ma cos’è una particella? E cosa significa dire che una particella è “fondamentale”? Di cosa sono fatte le particelle, se non sono costituite da unità più piccole?
“Nel senso più ampio, le ‘particelle’ sono cose fisiche che possiamo contare”, dice Greg Gbur, scrittore scientifico e fisico dell’Università del North Carolina a Charlotte. Non si può avere mezzo quark o un terzo di un elettrone. E tutte le particelle di un dato tipo sono esattamente identiche l’una all’altra: non sono disponibili in vari colori o hanno piccole targhe che le distinguono. Due elettroni qualsiasi produrranno lo stesso risultato in un rivelatore, ed è questo che li rende fondamentali: non sono disponibili in un pacchetto di varietà.
Non è solo materia: anche la luce è fatta di particelle chiamate fotoni. La maggior parte del tempo, i singoli fotoni non si notano, ma gli astronauti riferiscono di aver visto lampi di luce anche con gli occhi chiusi, causati da un singolo fotone di raggi gamma che si muove attraverso il fluido all’interno del bulbo oculare. Le sue interazioni con le particelle all’interno creano fotoni di luce blu, noti come luce Cherenkov, sufficienti a innescare la retina, che può “vedere” un singolo fotone (anche se ne servono molti di più per fare un’immagine di qualsiasi cosa).
Campi di particelle per sempre
Questa però non è tutta la storia: Possiamo essere in grado di contare le particelle, ma esse possono essere create o distrutte, e persino cambiare tipo in alcune circostanze. Durante un tipo di reazione nucleare conosciuta come decadimento beta, un nucleo sputa fuori un elettrone e una particella fondamentale chiamata antineutrino mentre un neutrone all’interno del nucleo si trasforma in un protone. Se un elettrone incontra un positrone a basse velocità, si annichiliscono, lasciando solo raggi gamma; ad alte velocità, la collisione crea un’intera serie di nuove particelle. Parte di ciò che significa è che fare una particella richiede un’energia proporzionale alla sua massa. I neutrini, che hanno una massa molto bassa, sono facili da fare; gli elettroni hanno una soglia più alta, mentre i pesanti bosoni di Higgs hanno bisogno di un’enorme quantità di energia. I fotoni sono i più facili da creare, perché non hanno massa o carica elettrica, quindi non c’è una soglia di energia da superare.
Ma ci vuole più dell’energia per creare nuove particelle. Si possono creare fotoni accelerando gli elettroni attraverso un campo magnetico, ma non si possono creare neutrini o altri elettroni in questo modo. La chiave è come queste particelle interagiscono usando le tre forze quantiche fondamentali della natura: elettromagnetismo, forza debole e forza forte. Tuttavia, queste forze sono anche descritte usando particelle nella teoria quantistica: l’elettromagnetismo è portato dai fotoni, la forza debole è governata dai bosoni W e Z, e la forza forte coinvolge i gluoni.
Tutte queste cose sono descritte insieme da un’idea chiamata “teoria quantistica dei campi”.
“La teoria dei campi comprende la meccanica quantistica, e la meccanica quantistica comprende il resto della fisica”, dice Anthony Zee, un fisico del Kavli Institute for Theoretical Physics e della University of California, Santa Barbara. Zee, che ha scritto diversi libri sulla teoria quantistica dei campi sia per scienziati che per non scienziati, ammette: “Se spingi un fisico a dire cos’è un campo, ti dirà che un campo è qualsiasi cosa faccia un campo.”
Nonostante la vaghezza del concetto, i campi descrivono tutto. Due elettroni si avvicinano l’uno all’altro e agitano il campo elettromagnetico, creando fotoni come increspature in uno stagno. Quei fotoni poi spingono gli elettroni a parte.
Che onde?
Le onde sono la migliore metafora per capire particelle e campi. Gli elettroni, oltre ad essere particelle, sono contemporaneamente onde nel “campo degli elettroni”. I quark sono onde nel “campo dei quark” (e poiché ci sono sei tipi di quark, ci sono sei campi di quark), e così via. I fotoni sono come le increspature dell’acqua: possono essere grandi o piccole, violente o appena percettibili. I campi che descrivono le particelle di materia sono più simili alle onde su una corda di chitarra. Se non si pizzica la corda abbastanza forte, non si ottiene alcun suono: è necessaria la soglia di energia corrispondente alla massa di un elettrone per produrne uno. Abbastanza energia, però, e si ottiene la prima armonica, che è una nota chiara (per la corda) o un elettrone (per il campo).
Come risultato di tutto questo pensiero quantistico, è spesso inutile pensare alle particelle come se fossero delle palline.
“I fotoni viaggiano liberamente nello spazio come un’onda”, dice Gbur, anche se possono essere contati come se fossero palline.
La metafora non è perfetta: I campi degli elettroni, dell’elettromagnetismo e di tutto il resto riempiono tutto lo spazio-tempo, invece di essere come una corda unidimensionale o la superficie bidimensionale di uno stagno. Come dice Zee, “Cosa ondeggia quando un’onda elettromagnetica attraversa lo spazio? Non c’è niente che ondeggia! Non c’è bisogno di acqua come per un’onda d’acqua”.
E naturalmente, ci rimane ancora da chiedersi: Se le particelle provengono da campi, questi campi sono essi stessi fondamentali, o c’è una fisica più profonda coinvolta? Fino a quando la teoria non troverà qualcosa di meglio, la descrizione particellare della materia e delle forze è qualcosa su cui possiamo contare.