L'Atomo e le Particelle Elementari

Massimo Teodorani ci guida nel mondo delle particelle elementari in un viaggio entusiasmante e avvincente, dove l'infinitamente grande e l'infinitamente piccolo si intrecciano senza sosta.

Atomi che scambiano energia con la radiazione in un universo quantistico, magici legami chimici, inquietanti forze nucleari che si liberano all'improvviso, armoniose interazioni tra le particelle ultime in un universo in continua evoluzione, misteriose trasformazioni di particelle, tutto ciò non può non stupire e incuriosire chiunque sia affascinato da queste realtà e curioso di conoscere i meccanismi che regolano e tengono insieme la materia, ma che possono anche disgregarla e trasformarla.

Un testo fondamentale per chiunque voglia avere un quadro il più possibile completo, aggiornato e chiaro sullo stato attuale delle conoscenze in materia di fisica atomica, nucleare e subnucleare. La narrazione si snoda dalla nascita del concetto di "atomismo" fino al sorgere del metodo sperimentale moderno, che portò prima a un pieno sviluppo della chimica, poi alla nascita della fisica atomica.

Lo svolgersi del libro tocca concetti basilari di fisica atomica, nucleare, subnucleare, i metodi utilizzati dai fisici per studiare le particelle elementari, quello che succede con gli acceleratori di particelle e le informazioni che possono essere estratte studiando i raggi cosmici. Inoltre sono affrontati grandi problemi ancora aperti, come quello della "materia oscura", della ricerca delle "superparticelle", dei monopoli magnetici e dei mini-buchi neri, dell'"l'ipotesi ultima" sul misterioso "bosone di Higgs", che dovrebbe conferire massa a tutte le particelle conosciute.

Massimo Teodorani propone le sue ricerche con grande precisione e rigore, mostrando al contempo il lato misterioso e sorprendente della conoscenza scientifica grazie alla narrazione estremamente coinvolgente.

In questo saggio si analizzano i punti più salienti del "testo spirituale" di Fiorella Rustici, "E Dio creò la mente", dove compaiono temi che possono essere discussi in termini di fisica fondamentale.

Non sappiamo chi abbia creato l'universo, ma di certo non l'abbiamo creato noi. Pertanto, per poter realmente affermare di essere riusciti a penetrarlo nella sua intima essenza, dobbiamo scansionarlo in tutto ciò che ne caratterizza la realtà, anche le cose che ci appaiono scomode e le bolliamo con il nome di "anomalie", ovvero di manifestazioni, a volte transienti, che sembrano discostarsi dal codice di leggi che noi abbiamo messo in piedi.

1. Storia atomica

• Le origini del concetto di atomo
• L’atomismo indiano
• L’atomismo greco
• La lunga stasi aristotelica
• La rinascita dell’atomismo in Europa
• Gli “atomi chimici” di Dalton
• La nascita della Tavola periodica degli elementi
• Riassunto – Capitolo 1
• Quesiti

2. Fisica atomica

• I primi modelli di struttura atomica
• L’atomo rigido di Thomson e la scoperta dell’elettrone
• L’atomo planetario di Rutherford e la scoperta del protone
• L’impatto della teoria quantistica sulla fisica atomica
• L’atomo quantistico di Bohr e la nascita del modello atomico definitivo
• La danza elettronica degli orbitali quantistici
• La scoperta del neutrone
• La natura quantistica del comportamento degli elementi chimici
• La magia del legame chimico
• La Tavola periodica degli elementi chimici rivisitata
• Riassunto – Capitolo 2
• Quesiti

3. Fisica nucleare

• I decadimenti e le forze nei nuclei atomici
• La scoperta della radioattività
• Instabilità degli atomi e decadimento radioattivo
• Il decadimento Beta e la scoperta del neutrino
• La conversione della massa in energia
• La fissione nucleare
• La fusione nucleare
• La fusione nucleare nel Sole e nelle stelle
• Il problema dei neutrini solari
• La nucleosintesi degli elementi più pesanti
• La fusione fredda: un fenomeno controverso
• Riassunto – Capitolo 3
• Quesiti

4. Fisica particellare

• Le particelle e le interazioni fondamentali
• Fermioni e bosoni
• Le quattro interazioni fondamentali
• I raggi cosmici
• Come funzionano gli acceleratori di particelle
• L’anello mancante della catena: il bosone di Higgs
• La materia oscura
• La supersimmetria e le superparticelle
• La teoria delle superstringhe: verso il campo unificato
• Particelle “molto esotiche”: monopoli magnetici e mini-buchi neri
• Cosmologia particellare: storia molto breve dell’universo
• Riassunto – Capitolo 4
• Quesiti

5. Riflessioni filosofiche sull’universo particellare

• Riferimenti informativi e bibliografici
• Appendice – Cronologia delle scoperte atomiche

Dall'introduzione:

"Lo studio dell’infinitamente piccolo è probabilmente il tema più importante della fisica, soprattutto della fisica dell’ultimo secolo. Il progresso scientifico umano non è mai proceduto in maniera lineare, bensì esponenziale. Partendo dalle prime scoperte dei primi del Novecento che dimostrarono inconfutabilmente che l’atomo è divisibile, a sua volta, in componenti fondamentali, gli enormi progressi raggiunti dalla fisica del mondo microscopico ci hanno mostrato l’esistenza di un regno impensabile, costellato di particelle di ogni tipo e caratterizzate dalle energie più svariate. Ma non si tratta di un “atlante zoologico” da collezionare.

La fisica dell’infinitamente piccolo non è un risultato dell’erudizione ma è il frutto dell’avvicendarsi di modelli sempre più sofisticati che in un processo di approssimazioni successive hanno portato all’elaborazione di teorie matematicamente sempre più rigorose e che hanno raggiunto il loro culmine nel cosiddetto “Modello Standard”, la teoria che descrive la materia che ci circonda e le forze che legano tra di loro le particelle. I modelli matematici hanno seguito di pari passo le sperimentazioni, quelle che ai giorni nostri si effettuano facendo collidere tra loro fasci di particelle e di antiparticelle. Il Modello Standard delle particelle elementari, seppur ancora incompleto, rappresenta il miglior accordo tra teoria e osservazioni e la conferma che il processo conoscitivo umano ha inseguito qualcosa di reale e non di illusorio.

Le previsioni della teoria attuale sulle particelle e le interazioni che le legano sono straordinariamente accurate. Purtuttavia il Modello Standard rimane incompleto e proprio in questi ultimi due decenni sono entrati in campo nuovi modelli, in particolare la teoria delle superstringhe, che potrebbero essere in grado di colmare le lacune una volta che essi possano essere confermati sperimentalmente. L’obiettivo fondamentale della fisica delle particelle non rappresenta più, come un tempo, il solo bisogno di frammentare la materia per vedere com’è fatta ma soprattutto la necessità di comprendere le forze che governano le particelle e le loro interazioni all’interno di un quadro unificato. Non si è ancora riusciti a trovare il modello definitivo in grado di unificare le forze fondamentali ma perlomeno si è riusciti a capire che il concetto di “particella” è intimamente legato al concetto di “interazione”. Al giorno d’oggi conosciamo quattro interazioni fondamentali per ognuna delle quali esiste una famiglia di particelle ben precisa.

Due di queste interazioni sono state unificate in una sola, ma restano ancora da assemblare tra loro i rimanenti pezzi del puzzle. E come se un secolo fa i fisici nucleari si fossero messi a giocare con un puzzle con l’obiettivo di ricostruire il quadro originale al gran completo. Nell’arco di tutto questo tempo sono stati composti quattro pezzi di questo puzzle, due dei quali sono stati agganciati l’uno all’altro vent’anni fa grazie alle rivoluzionarie scoperte di fisici come Abdus Salam e Carlo Rubbia. Oggi resta da agganciare tra loro i pezzi rimanenti in maniera tale da essere pronti a incollare il tutto nel disegno finale per poterlo appendere a un muro. La fase in cui ci troviamo è molto avanzata, ma restano ancora molti problemi da risolvere, in modo particolare resta da capire la ragione per la quale le particelle hanno massa e il modo in cui la forza di gravità possa essere agganciata alle forze nucleari ed elettromagnetiche. Non dimentichiamo che nella fisica odierna il concetto di forza è strettamente connesso al concetto di particella, e che alcune particelle con funzioni ben precise - come le cose vengono viste oggi - sono esse stesse portatrici di forza verso tutte le altre particelle che costituiscono un immenso oceano di materia. La visione di oggi della fisica dell’infinitamente piccolo, potentemente sostenuta dalle leggi della teoria quantistica relativistica, non contempla più misteriose “azioni a distanza” bensì un mondo interamente dominato dalle particelle, alcune delle quali fungono da “messaggeri” per altre particelle. Tutto questo sembra il risultato di un riduzionismo spinto, ma come si vedrà nelle pagine che seguono, le cose non stanno come sembrano, dal momento che l’obiettivo che sta dietro tutta questa frammentazione è quello di unire e non di dividere.

L’unico modo per cercare di far comprendere al lettore come si è arrivati al livello attuale della nostra conoscenza è quello di mostrare l’avvicendarsi delle scoperte nella loro progressione temporale e il graduale dischiudersi nella mente umana di un universo che nessuno prima avrebbe mai immaginato. Proprio per questa ragione, questo volume viene strutturato in quattro parti fondamentali e una quinta (finale) di natura prettamente critico-filosofica."

Massimo Teodorani