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La meccanica quantistica spiegata da David Griffiths

La meccanica quantistica rappresenta il miglior modello matematico per descrivere il mondo degli atomi e delle particelle elementari. Nonostante sia una teoria di successo e abbia un riscontro con gli esperimenti di laboratorio, essa pone molti interrogativi sul suo reale significato. Il libro che voglio segnalare oggi è Introduzione alla meccanica quantistica di David Griffiths, edito da CEA. Lo scopo del libro è quello di fornire le basi fondamentali della teoria, che è ricca sul piano dei contenuti e difficile su quello pratico. Il libro è diviso in due parti che sono dedicate, rispettivamente, ai principi fondamentali della teoria e ad una parte applicativa ricca di illustrazioni. Inoltre il libro è adatto sia ai principianti che agli studenti dei primi anni dei corsi universitari. E’ importante, comunque, che il lettore abbia delle conoscenze di base della meccanica classica.

Un solo universo o infiniti universi?

Ricollegandomi al precedente post sul tema degli universi multipli, dove ho discusso il concetto di multiverso, volevo segnalare oggi l’interessante libro di Alex VilenkinUn solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi, edito da Cortina Raffaello .

Vilenkin è uno dei cosmologi di fama mondiale. Egli ha scritto una lunga serie di articoli che riguardano il modello dell’espansione inflazionistica che si basano sull’idea secondo cui l’Universo potrebbe contenere alcuni difetti topologici dovuti a transizioni di fase, così come vengono descritte dalla teoria delle particelle  e dalla cosmologia quantistica. Oggi il modello inflazionistico mette in risalto una serie di domande quali: Perché lo stato fisico primordiale era così caldo e denso? Come e perché l’Universo si è espanso? Cosa c’era prima del Big Bang? “Il nostro orizzonte cosmico è di 13,7 miliardi di anni-luce e oltre questo orizzonte ci potrebbero essere, forse, altri universi con leggi fisiche completamente diverse dal nostro“, dice Vilenkin. A differenza dei suoi predecessori, egli promuove il concetto d’inflazione eterna e le sue implicazioni che essa determina per il principio antropico. L’idea di Vilenkin è che l’inflazione abbia avuto un inizio ma rimane eterna, producendo in continuazione universi paralleli come vere e proprie “bolle cosmiche”. “Si ritiene che l’inflazione sia quasi terminata nella nostra regione di Universo mentre invece continua in altre regioni dello spaziotempo dando luongo ad un numero infinito di bolle“, aggiunge Vilenkin. Quasi metà del libro è dedicato alla descrizione del modello cosmologico standard e la sua estensione all’espansione inflazionistica. In molti modelli inflazionistici c’è un argomento associato alle fluttuazioni quantistiche di un campo scalare, l’inflatone, per cui ci saranno sempre regioni dello spaziotempo che sono soggette all’inflazione e altre in cui essa non avviene e, in un sottoinsieme di queste, esisteranno universi che hanno proprietà piuttosto simili al nostro Universo. Dunque, date le assunzioni basi della teoria quantistica dei campi, l’inflazione eterna sembra quel processo più ragionevole rispetto ai tanti modelli inflazionistici proposti anche se non è del tutto assodato. Se l’inflazione eterna ha luogo, allora Vilenkin è convinto che esisteranno infinite configurazioni di universi ognuno dei quali saranno caratterizzate da proprie costanti fisiche della natura. Se tutto questo poi sia vero oppure no dipenderà dal modello, dalla natura stessa del campo inflatone e dai dettagli della teoria quantistica della gravità. A tal proposito, Vilenkin affronta una parte del libro dando una breve descrizione della teoria delle stringhe. Ma a mio parere, non ci dobbiamo dimenticare che la Fisica è una disciplina osservativa, basata sul metodo sperimentale. Oggi non siamo in grado di osservare altri big bang o regioni di spazio soggette ad una eventuale inflazione. Se queste esistono, si troveranno comunque al di fuori del nostro orizzonte osservativo, perciò sarà difficile verificare la loro presenza.

I misteri delle dimensioni spaziali nascoste

In un precedente post, ho spiegato come, secondo Steinhardt e Turok , il nostro Universo si sia originato da uno dei tanti big bang dovuti alle collisioni tra due membrane, o brane, descritte dalla teoria delle stringhe, ipotesi che eliminerebbe dunque il problema della singolarità iniziale. Ma esiste un modo di provare l’esistenza di questi universi paralleli? Se essi esistono davvero, perchè non possiamo vederli o “toccarli”?

Nel suo percorso di ricerca, descritto nel libro che vi presento oggi, Passaggi curvi. I misteri delle dimensioni nascoste dell’Universo, edito da Il SaggiatoreLisa Randall  ha dovuto abbattere, per così dire, alcuni ‘paletti’ della cosmologia e della fisica ufficiale e postulare l’esistenza di dimensioni nascoste, arrotolate, che sfuggono alla nostra percezione. Questa nuova visione dell’Universo potrebbe contribuire a risolvere uno dei grandi misteri della scienza moderna che ha a che fare con la gravità. Infatti, tre secoli fa, Newton formulò la legge di gravitazione universale ispirato, a quanto si dice, dalla visione della caduta di una mela staccatasi dal ramo di un albero. Si pensa che la gravità sia incontrastabile ma in realtà si tratta di una forza alquanto debole. E’ stato trovato che l’elettromagnetismo è molto più forte della gravità che al confronto risulta incredibilmente debole. La debole intensità della forza di gravità ha disorientato gli scienziati per anni ma oggi la teoria delle stringhe, grazie alle sue membrane e dimensioni extra, sembra offrire un nuovo modo di affrontare il problema. Lisa Randall si è domandata come mai la gravità fosse così debole rispetto alle altre tre forze della natura. Forse la gravità ha la stessa potenza della forza elettromagnetica ma per qualche ragione noi non riusciamo a percepire la sua azione. Ma perchè la gravità dovrebbe essere diversa e più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali? Secondo la Teoria M il punto chiave del problema sta nella forma geometrica delle stringhe. I teorici ritengono che tutto ciò che ci circonda sia composto da stringhe lineari e che gli estremi di ogni stringa siano ancorati alla nostra membrana tridimensionale. Esistono anche degli anelli chiusi che sono invece responsabili della gravità: essi si chiamano gravitoni. Le stringhe ad anello che formano i gravitoni non hanno estremi che le ancorino di conseguenza essi sono liberi di viaggiare verso altre dimensioni attenuando l’intensità della forza di gravità e facendola sembrare più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali. Quindi, questa ipotesi apre una prospettiva affascinante perché se è vero che viviamo su una brana e se esistono universi paralleli su altre membrane accanto alla nostra forse non li vedremo mai, ma potremo un giorno percepirli grazie alla gravità. Muovendo dalle grandi scoperte del Novecento, in questo libro Randall spiega ai non addetti ai lavori la sua concezione dell’Universo come membrana dotata di quattro dimensioni spaziotemporali e immersa in uno spazio multidimensionale, e come questa sia dimostrabile dal punto di vista scientifico. Ma siamo proprio sicuri che l’Universo sia così come lo descrive la teoria delle stringhe? Davvero il mondo è fatto di stringhe, membrane o universi paralleli e dimensioni extra?

L’Universo raccontato dal professor Frè

Sin dagli albori delle antiche civiltà, l’uomo ha sempre rivolto lo sguardo verso il cielo allo scopo di trovare, forse, una relazione che collegasse gli eventi terreni e gli astri attraverso gli dei. Con il solo ausilio dell’occhio nudo, gli antichi edificavano edifici o enormi strutture in pietra per osservare i movimenti del Sole, dei pianeti e delle stelle, e seguire l’alternarsi delle stagioni. Insomma per gli antichi il cielo era una sorta di gigantesco orologio sopra le teste che serviva per studiare e prevedere il movimento delle stelle, spesso legato al destino degli uomini e della storia. Ma dall’epoca in cui Galileo puntò il suo cannocchiale verso il cielo sono passati quattro secoli di osservazioni e di scoperte che ci hanno permesso di comprendere, almeno in gran parte, come funziona l’Universo. Nel libro del professor Pietro Frè che voglio segnalare oggi, Il fascino oscuro dell’inflazione. Alla scoperta della storia dell’Universo, edito da Springer-Verlag, viene raccontata la storia dell’astronomia, partendo dalle idee dell’Universo di Aristotele , che erano limitate ad un mondo statico, eterno e di dimensioni finite, fino alla visione più moderna di un Universo dinamico, immenso ed in espansione accelerata, creato non più da una singolarità iniziale, bensì da una piccolissima fluttuazione quantistica, così come vuole la cosmologia di stringa. Il progresso compiuto nel secolo scorso non ha paragoni rispetto ai secoli precedenti, basti pensare alla formulazione della teoria generale della relatività, che spiega la struttura dell’Universo su grande scala, e alla nascita della meccanica quantistica, l’altro modello matematico che invece ci descrive il mondo degli atomi e delle particelle. La scoperta dell’espansione dell’Universo, assieme alla rivelazione, per caso, della radiazione cosmica di fondo, cioè l’eco della grande esplosione iniziale, costituiscono i due pilastri fondamentali su cui si basa il modello cosmologico standard, o del Big Bang, che, però, presenta delle lacune. Oggi, l’inflazione rappresenta il modello teorico che meglio descrive l’evoluzione dell’Universo subito dopo le primissime fasi iniziali e permette di rivelare i misteri delle leggi fisiche su scale atomiche e in condizioni estreme di temperatura ed energia che sono caratteristiche del mondo delle stringhe e della gravità quantistica .

La particella alla fine dell’Universo

Il prossimo mese di Novembre uscirà il nuovo libro del fisico teorico Sean Carroll e che avrà per titolo The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World. Come si intuisce dal titolo, il libro, edito da Dutton, tratta come argomento principale il bosone di Higgs, l’ultimo tassello mancante del modello standard che spiegherebbe il meccanismo mediante il quale le particelle acquisiscono la massa. Carroll racconta, in maniera affascinante, il dietro le quinte degli esperimenti condotti al CERN da più di 6000 persone tra ricercatori, tecnici ed ingegneri che hanno contribuito ai recenti risultati sulla scoperta di una particella che avrebbe delle proprietà consistenti con quelle associate alla famigerata “particella di dio” (vedasi i seguenti post 1 e post 2).

Oggi, siamo ad un punto di svolta nella storia della fisica ma ci sono voluti più di 2500 anni da quando gli antichi filosofi greci ritenevano che tutta la materia che circonda fosse composta solo da quattro elementi (aria, acqua, terra e fuoco). Ma cosa ha di speciale il bosone di Higgs? Intanto, c’è da dire che senza il bosone di Higgs non solo non saremmo in grado di capire come le particelle abbiano una propria massa, ma tutte le particelle si muoverebbero alla velocità della luce, un fatto che non si osserva in natura. La scoperta di questa nuova particella rappresenta comunque un trionfo della passione umana per la ricerca scientifica e apre, in generale, una nuova era verso l’esplorazione dell’Universo. Carroll spiega, inoltre, l’importanza che ha avuto la macchina più complessa e più potente mai costruita, il Large Hadron Collider (LHC), un progetto articolato e complesso frutto di una collaborazione internazionale che ha visto impegnati per diversi anni i migliori specialisti. Insomma, si tratta di una storia drammatica, documentata, ricca di episodi e aneddoti, dove la fisica è sempre protagonista e presente anche attraverso analogie che aiutano il lettore a capire come mai sono trascorsi tanti anni prima di arrivare ad un risultato del genere. Per concludere, il libro di Carroll è un viaggio moderno verso una scoperta che mette in evidenza come il desiderio e la sete di ricerca, da sempre innate e caratteristiche dell’uomo, hanno portato ad una delle più grandi conquiste scientifiche del nostro tempo.

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Il seguente video spiega l’idea di Peter Higgs sull’origine della massa.

Come è nato l’Universo?

E’ una delle grandi domande a cui gli scienziati stanno cercando di dare una risposta. Attualmente, il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore per descrive, con buona approssimazione, le fasi evolutive della storia cosmica. Secondo questo modello possiamo rappresentare la nascita e l’evoluzione dell’Universo in tre atti: 1) una singolarità iniziale che fa emergere l’Universo dal nulla; 2) l’inflazione cosmica che dà forma all’Universo e 3) l’espansione cosmica durante la quale si formano le stelle e le galassie man mano l’Universo si raffredda. Tuttavia, il modello cosmologico standard non è completo in quanto le leggi della fisica vengono meno in prossimità dell’istante iniziale, cioè nel momento del Big Bang: qui, le equazioni della relatività generale divergono e danno valori infiniti della densità e della temperatura. Già, ma allora che cos’è il Big Bang? Nessuno lo sa e il termine stesso contiene una contraddizione poiché non è stato “big”, dato che l’Universo sarebbe emerso da una singolarità, e non c’è stato un “bang”, dato che non c’era un mezzo su cui si sarebbero propagate onde sonore. In realtà, il Big Bang non indica una esplosione “nello” spazio ma “dello” spazio stesso poiché da questo enigmatico evento iniziale si sarebbero originati, oltre lo spazio, anche il tempo, la materia e l’energia (vedasi Idee sull’Universo).

Questa spiegazione sulla nascita dell’Universo non lascia, però, tutti soddisfatti e, se ci ragionate un attimo, diventa difficile accettare una situazione fisica che generi l’Universo dal nulla (vedasi questo post). La domanda successiva potrebbe essere: “che cosa” avrebbe dato il via? Ad oggi nessuno sa rispondere a questa domanda e allora alcuni scienziati stanno provando a cambiare il punto di vista proponendo altri scenari cosmologici in cui viene eliminato il problema della singolarità. I due modelli alternativi, descritti qui di seguito, si basano rispettivamente su argomentazioni che derivano dalla meccanica quantistica e dalla teoria delle stringhe.

Universo pulsante

Nel suo libro edito da Alfred A. Knopf Once before Time: A whole story of the Universe, Martin Bojowald, professore di fisica presso la Penn State University affronta uno dei problemi della fisica di frontiera è cioè quello di risolvere, appunto, la singolarità del Big Bang, un momento significativo della storia dell’Universo dove, però, le leggi della fisica come noi le conosciamo non sono più valide. Ma a questo problema se ne aggiunge un altro dato che il tentativo di unificare la teoria quantistica con la relatività generale porta agli infiniti. Secondo Bojowald, la teoria della gravità quantistica potrebbe eliminare questi problemi e, forse, spiegare qual’era lo stato fisico dell’Universo ancora prima del Big Bang. Per fare un esempio, possiamo paragonare la teoria quantistica della gravità ad un quadro la cui cornice può sembrare definita per alcuni mentre per altri il disegno in essa contenuto deve essere ancora completato. Una estensione della teoria quantistica della gravità è la cosiddetta Loop Quantum Gravity (LQG), elaborata per la prima volta nel 1990 da Carlo Rovelli e Lee Smolin, per spiegare il moto degli atomi in uno spaziotempo quantizzato. Secondo questa teoria, il tempo non si ferma esattamente nel Big Bang ma ci può essere una sorta di “preistoria del tempo”. In altre parole, con la LQG si introduce il concetto di tempo discreto e la teoria prevede l’esistenza di nuove forze di natura repulsiva che contrastano il collasso gravitazionale classico. Insomma, il tempo ha la forma di un reticolo che può assorbire una determinata quantità di energia, ma non di valore infinito, in modo da bloccare il collasso gravitazionale e trasformarlo successivamente in espansione. In questo modo, l’Universo si espande e si contrae ciclicamente senza mai arrivare ad una singolarità.

Universo ciclico

L’altro affascinante modello cosmologico di cui Vi voglio parlare si basa su concetti più esotici che nascono dalla teoria delle stringhe. Nel loro libro Universo senza fine. Oltre il Big Bang, edito da Il Saggiatore , Paul J. Steinhardt  e Neil Turok partono dal fatto che non esiste una teoria o un modello che spieghi “che cosa” abbia causato il Big Bang, anche se le recenti formulazioni matematiche della cosmologia di stringa descrivono la singolarità iniziale come un momento di transizione nella storia dell’Universo. In maniera brillante ed eloquente, Steinhardt e Turok criticano il modello cosmologico standard e presentano una descrizione alternativa assumendo che il Big Bang sia solo un momento di transizione nell’infinita serie di collisioni tra due membrane, o brane, su una delle quali risiede il nostro Universo e sull’altra un universo parallelo. Tutto questo dà luogo ad una sorta di “universo ciclico”. Bisogna dire che i due modelli hanno molto in comune perchè entrambi concordano sul fatto che l’Universo si sia espanso negli ultimi 14 miliardi di anni e anche su come si sono formate le stelle e le galassie. Tuttavia i due modelli vanno in contrasto su ciò che riguarda lo stato fisico dell’Universo prima del Big Bang. Di fatto, il modello cosmologico standard ammette la singolarità come punto di partenza da dove hanno avuto origine lo spazio, il tempo la materia e l’energia. Il modello ciclico ammette ancora il Big Bang che, però, non rappresenta l’inizio dello spazio e del tempo. Secondo Steinhardt e Turok, non c’è stato solamente un “bang” nella storia dell’Universo, ma tanti “big bang” che si ripetono ciclicamente con un tempo scala di 1000 miliardi di anni, ciascuno dei quali è caratterizzato dalla creazione di materia ed energia e dalla successiva formazione di nuove stelle, galassie, pianeti e, forse, della vita stessa. Dunque il nostro Universo sarebbe quello prodotto dall’ultimo ciclo di una collisione avvenuta tra due membrane.

Come facciamo, quindi, a discriminare tra questi scenari cosmologici? Quale modello è quello più vicino alla realtà? In generale, cosa può fare un modello? Ogni teoria sullo spaziotempo deve essere coerente con ciò che siamo in grado di osservare nell’Universo. Di fatto, nessuna osservazione diretta del Big Bang sarà possibile. L’epoca più antica che possiamo osservare risale a circa 400 mila anni dopo la nascita dell’Universo e ci è stata fornita dal satellite WMAP. Prima di questa epoca, l’Universo era troppo caldo e opaco a causa della radiazione emessa, sarebbe un pò come cercare di vedere sotto la superficie del Sole. Uno dei risultati più importanti è che i dati di WMAP sulla radiazione cosmica di fondo indicano che la geometria dell’Universo è piatta su larga scala e ciò supporta il modello di Guth sull’inflazione. Ma la “prova finale” potrebbe arrivare dallo studio di un’altra forma di radiazione fossile, ad esempio dovuta all’emissione e alla propagazione di onde gravitazionali. Se i dati del satellite Planck, che ha un potere esplorativo più elevato rispetto al suo predecessore, riveleranno ‘tracce’ del passaggio di onde gravitazionali, che è uno degli obiettivi scientifici della missione, allora questo rappresenterà un punto a favore della teoria dell’inflazione, già perché il modello degli universi-membrana prevede una debole, se non quasi assente, produzione di onde gravitazionali. Dunque, non ci resta che aspettare i risultati di Planck che dovrebbero essere resi pubblici entro la fine di quest’anno.

Un Universo emerso dal nulla

Agli inizi del 1916, Albert Einstein aveva appena completato il lavoro più importante della sua vita, durato circa dieci anni, una intensa battaglia intellettuale che terminò nella formulazione di una nuova teoria della gravità e che egli denominò in seguito teoria generale della relatività. Non si trattò solamente di una teoria della gravità perché allo stesso tempo essa includeva nuovi concetti di spazio e di tempo. Inoltre, il lavoro di Einstein fu senza dubbio la prima teoria scientifica che fu in grado di spiegare non solo come si muovono gli oggetti nello spazio ma come evolve l’intero Universo. Comunque sia, la teoria conteneva un problema. Applicando le equazioni della relatività all’intero Universo, Einstein si rese conto che la sua descrizione matematica non era in grado di descrivere la realtà fisica. Nel 1917, la comunità scientifica discuteva sul fatto che l’Universo fosse statico ed eterno, costituito da una singola galassia, la Via Lattea, circondata da uno spazio vuoto, scuro ed infinito e a quel tempo non c’era alcun motivo di ritenere il contrario. Nella teoria di Einstein, così come nella teoria di Newton formulata circa tre secoli prima, la gravità è una forza puramente attrattiva che si esercita tra due corpi dotati di grande massa. Ciò vuol dire che è impossibile trovare un insieme di corpi celesti in quiete nello spazio per sempre poiché la loro reciproca attrazione gravitazionale determinerà alla fine un collasso gravitazionale verso il centro, cosa che era in contrasto con l’idea di un Universo apparentemente statico. Ora, l’idea che la teoria di Einstein fosse inconsistente con questa descrizione dell’Universo fu una sorta di colpo basso. Nonostante si dice che Einstein lavorasse in isolamento, rinchiuso nella propria casa per anni, utilizzando solo il suo pensiero e la sua ragione, in realtà egli fu sempre guidato profondamente da esperimenti e da osservazioni. Mentre eseguiva i suoi “esperimenti mentali”, Einstein studiava intensamente la matematica al punto da produrre una teoria alquanto elegante. L’apparente disaccordo tra la sua teoria e le osservazioni in relazione alla staticità dell’Universo durò poco al punto che Einstein dovette introdurre una modifica all’equazioni che successivamente definirà l’errore più grande della sua vita. La scoperta che l’Universo non è statico piuttosto in espansione ebbe delle implicazioni importanti, sia di natura filosofica ma anche religiosa, perché suggeriva che l’Universo doveva aver avuto una origine, una nascita, insomma una creazione. Quasi come ironia della sorte, la prima persona che propose l’idea della creazione dell’Universo fu proprio un prete e fisico belga di nome Georges Lemaitre. Nel 1927, Lemaitre trovò alcune soluzioni delle equazioni della relatività generale dimostrando che la teoria prevede non solo un Universo non statico ma che lo spazio stesso si espande. I risultati ottenuti sembrarono così fuori luogo che lo stesso Einstein rispose al prete belga in maniera ironica affermando: “la Vostra matematica è corretta ma la Vostra fisica è abominevole”. Ma Lemaitre andò oltre e nel 1930 egli propose che l’Universo si fosse originato da un punto infinitesimale, che egli chiamò l’atomo primordiale, e che questo inizio rappresentasse, forse in analogia alla Genesi biblica, una sorta di “giorno senza ieri”. Insomma il Big Bang, sostenuto anche da Papa Pio XII, fu proposto inizialmente da un prete il quale se fosse o meno accaduto realmente si trattava comunque di una argomentazione scientifica e non teologica. Tuttavia, né Lemaitre né Pio XII convinsero la comunità scientifica che l’Universo fosse in espansione. Piuttosto, l’evidenza arrivò dalle attente osservazioni che furono realizzate da Edwin Hubble verso la fine degli anni ’20 grazie alle notti trascorse presso il telescopio di Monte Palomar, il più grande dell’epoca. Ciò che ne seguirà fa parte della storia della cosmologia (vedasi Idee sull’Universo).

Nel libro che mi piace segnalare oggi, A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing edito da Free Press, il fisico teorico Lawrence Krauss offre una serie di risposte provocatorie su dove e come ha avuto origine l’Universo, su cosa c’era prima, su quale sarà il suo destino finale e come mai dal nulla si è originato tutto ciò che vediamo attorno a noi. Krauss descrive gli approcci scientifici più moderni che tentano di spiegare come mai esiste l’Universo anzichè il nulla e i risultati che vengono presentati sono sorprendenti ed affascinanti: il risultato è che non solo può originarsi qualcosa dal nulla ma qualcosa avrà sempre origine dal nulla.

La forma dello spazio quantistico secondo Shing-Tung Yau

E’ stato detto più volte che la teoria delle stringhe viene considerata come la miglior teoria per descrivere tutte le leggi della natura, dal microcosmo al macrocosmo. Secondo questa teoria, l’Universo è caratterizzato da 10 dimensioni: quattro sono le dimensioni dello spaziotempo descritte dalla teoria della relatività e le restanti sei, dette anche dimensioni extra, sono arrotolate o attorcigliate in uno spazio multidimensionale le cui forme sono descritte dalle varietà geometriche degli spazi di Calabi-Yau le cui dimensioni sono milioni di milioni di milioni di volte più piccole di un elettrone. Nel 1976 Shing-Tung Yau ha conquistato la Medaglia Fields, una sorta di premio Nobel dei matematici, per aver dimostrato l’esistenza di queste forme complesse che portano il suo nome, spazi invisibili la cui geometria può essere la chiave definitiva per comprendere i segreti più profondi del cosmo. Nel suo libro che mi piace segnalare oggi “La forma dello spazio profondo. La teoria delle stringhe e la geometria delle dimensioni nascoste dell’universo“, edito da Il Saggiatore e scritto insieme al giornalista scientifico Steve Nadis, si ripercorrono le tappe del percorso scientifico che hanno portato Yau alla formulazione di una teoria rivoluzionaria introducendo una nuova geometria dell’Universo. L’ipotesi delle dimensioni extra, che tocca varie discipline quali la fisica, la matematica e la geometria, suggerisce non solo che i nuovi spazi possano essere effettivamente reali, ma che la realtà stessa risulta più affascinante di quanto noi esseri umani possiamo immaginare. Insomma, l’ipotesi delle dimensioni extra della teoria delle stringhe potrebbe essere la chiave per comprendere i segreti più nascosti dell’Universo.

La ‘potenza’ dello spazio vuoto

Che cos’è il bosone di Higg e dove ci porterà la sua scoperta? Nel libro che mi piace segnalare oggi, Higgs Discovery: The Power of Empty Space, la professoressa Lisa Randall del Dipartimento di Fisica dell’Università di Harvard, ed uno dei maggiori fisici teorici più influenti a livello mondiale, spiega quali potrebbero essere le implicazioni derivanti da una tale scoperta epocale.

Lo scorso 4 Luglio, i fisici del Large Hadron Collider (LHC) hanno presentato i risultati delle ricerche relative agli ultimi due anni di esperimenti annunciando la scoperta di un bosone scalare che possiede alcune proprietà che sembrano essere consistenti con quelle del bosone di Higgs (vedasi questi post1; post2). Questa particella fondamentale, teorizzata sin dagli anni ‘60 da Peter Higgs, ha rappresentato e rappresenta tutt’ora una sorta di “Santo Graal” della fisica. Nell’ambito del Modello Standard, la teoria che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari, il bosone di Higgs rappresenta l’ultimo tassello del quadro teorico che dovrebbe spiegare in maniera elegante tutta una serie di questioni che vanno dall’origine della massa delle particelle a ciò che accade nello spazio vuoto. Con la sua grande passione che la contraddistingue, Randall guida anche il lettore che non possiede una conoscenza di fisica di base in un viaggio nel mondo delle particelle elementari enfatizzando il significato e le implicazioni scientifiche che possono derivare da questa entusiasmante scoperta.

Il ‘nuovo mondo’ di Frank Wilczek

Il libro che voglio segnalare oggi è “La Leggerezza dell’essere – La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” di Frank Wilczek, edito da Einaudi. Wilczek, che si occupa di cromodinamica quantistica  ed è premio Nobel per la Fisica, comincia il libro affermando che l’Universo non è più quello di un tempo e non è ciò che sembra.

Si tratta di un viaggio nel cuore della struttura della materia e delle sue componenti elementari, come elettroni e quark, durante il quale ci si pone interrogativi su cosa è, ad esempio, la massa. Ricordiamo che la prima definizione scientifica della massa risale al 1687 quando Newton, nei suoi Principi matematici della filosofia naturale, affermava che la massa è una sorta di misura della densità di materia contenuta nei corpi. Oggi, le moderne conoscenze sul concetto di massa sono alquanto più complicate rispetto alla definizione data da Newton e sono descritte dal modello standard mediante le leggi della meccanica quantistica. Per ogni tipo di particella elementare, o composta, possiamo scrivere l’equazione di Newton, F = ma, che correla la forza, la massa e l’accelerazione. Tuttavia, la massa, come di solito la intendiamo, va al di là dell’equazione di Newton. Per esempio, la teoria della relatività speciale  prevede che le particelle senza massa viaggiano nel vuoto alla velocità della luce e che invece le particelle che hanno massa si muovono più lentamente e perciò con una velocità che può essere calcolata se conosciamo la loro massa. Le particelle elementari hanno una sorta di massa intrinseca, detta massa a riposo , e quelle che hanno massa a riposo nulla sono le particelle senza massa, come ad esempio i fotoni. Per una particella complessa, come il protone, la massa a riposo dei costituenti e la loro energia cinetica, relativa al moto, e l’energia potenziale, relativa alle interazioni, contribuiscono alla massa totale della particella. E’ noto che massa ed energia sono correlate così come descritto dalla famosa equazione di Einstein, E = mc². Un esempio di come l’energia contribuisce alla massa si può vedere nella forma di materia a noi più familiare costituita dai protoni e dai neutroni che formano i nuclei atomici, i pianeti, le stelle, gli esseri viventi e tutto ciò che vediamo. Queste particelle costituiscono circa il 4% circa della massa-energia presente nell’Universo. Il modello standard ci dice che i protoni e i neutroni sono composti da particelle più elementari, chiamate quark, che sono a loro volta legate grazie all’interazione di particelle senza massa chiamate gluoni. Sebbene i quark vi si muovono all’interno, noi osserviamo il protone come un oggetto coerente che ha una massa intrinseca che è data dalla somma delle masse e delle energie dei suoi costituenti. Perciò il modello standard ci permette di calcolare le masse dei protoni e dei neutroni dall’energia cinetica dei loro costituenti. Dunque, il 4% circa dell’intero Universo è composto dall’energia del moto dei quark e dei gluoni che sono presenti nei protoni e neutroni e che costituiscono la materia ordinaria che conosciamo. E tutto il resto cos’è? Finora non lo sappiamo e l’ignoranza dei fisici su questo argomento ha fatto nascere termini come materia scura o energia scura che costituiscono insieme il 96% di ciò di cui è fatto il nostro Universo. La fisica contemporanea viene qui raccontata da uno dei suoi massimi esponenti che, indagando la struttura della materia, nella sua più profonda essenza, cerca di fornirci un quadro coerente e un nuovo mondo che sarà soggetto a verifiche sperimentali soprattutto con gli esperimenti presso LHC.