Un semplice conto per stimare la massa dei bosoni delle forze fondamentali


Sono sempre stato un entusiasta delle “stime grossolane”, perché ti aiutano a risolvere un problema molto complesso dandoti almeno un’ordine di grandezza della soluzione. Il senso di soddisfazione quando la stima grossolana viene confermata dai calcoli ben più rigorosi è un po’ una guilty pleasure di ogni fisico. Vediamo quindi un esempio di questo modo di lavorare.

Ad oggi conosciamo quattro forze fondamentali della Natura, meglio note come interazioni fondamentali.
Il modo in cui studiamo queste interazioni su basa sull’analisi di alcuni processi che coinvolgono le particelle. Tali processi possono essere studiati a differenti scale di energia in cui vengono rappresentati con diverse schematizzazioni, le quali ci danno un’idea di quello che sta succedendo.

Da questi schemi teorici emerge che un’interazione tra particelle deve essere mediata da una particella speciale chiamata bosone.
Il modo più diretto per avere l’identikit di questa particella è conoscere la sua massa.

Prima di ricavare una stima di queste masse, facciamo il punto della situazione sulle interazioni fondamentali in gioco:

  • Gravità: interazione tra tutti i corpi con massa. In una teoria di gravità quantistica (ancora solo ipotizzata a stento) deve essere mediata da un bosone chiamato gravitone.
  • Elettromagnetismo: interazione tra tutti i corpi con carica elettrica. Mediata da un bosone chiamato fotone.
  • Forza forte: interazione che tiene assieme i nuclei degli atomi. Ad alte energie si manifesta come un’interazione mediata dai gluoni dei quark, a basse energie ha invece come mediatore il bosone pione.
  • Forza debole: interazione che permette i decadimenti di alcuni nuclei. Mediata da tre bosoni, chiamati W+,W- e Z.

La prima distinzione interessante tra queste quattro forze è il loro raggio di interazione. Sono infatti tutte forze che agiscono a distanza, e due tra queste, cioè gravità ed elettromagnetismo, hanno un raggio di interazione infinito. Ciò significa che la forza gravitazionale tra due masse agli antipodi dell’universo è sempre teoricamente diversa da zero. Nella realtà, ovviamente, tale valore è così piccolo da poter essere considerato irrilevante per lo stato di moto delle due masse. Lo stesso discorso si applica all’elettromagnetismo. Questo raggio di interazione si dice asintoticamente infinito nel senso che la forza può essere considerata “matematicamente” nulla solo all’infinito (cioè un punto irraggiungibile).

Le altre due forze, quella nucleare forte e quella debole, hanno invece a che fare con il mondo dell’infinitamente piccolo, cioè i nuclei degli atomi.
La scala di distanza nucleare è completamente fuori dagli schemi della quotidianità: parliamo di qualche milionesimo di miliardesimo di metro. Questo numero è così difficile da scrivere e pensare che è stata creata direttamente una nuova unità di misura: il fermi (in onore di Enrico Fermi).

Come informazione di orientamento, diremo che il raggio di un nucleo è del valore di qualche fermi.

Siccome l’interazione forte si occupa di tenere assieme i nuclei, composti da tanti protoni e neutroni (protoni che altrimenti si respingerebbero per via dell’interazione elettromagnetica), il suo raggio di interazione è proprio dell’ordine di qualche fermi. L’interazione debole è ancora più a corto raggio, perché agisce su una scala che è un millesimo di quella nucleare.

In che modo vengono interpretati questi differenti raggi di azione delle forze fondamentali dalla fisica teorica?

Livello intuitivo: il diagramma di bassa energia

Un’interazione in un certo intervallo di bassa energia può essere schematizzata da un diagramma tipo questo

Nel quale viene riportato un processo di repulsione elettromagnetica tra due elettroni. Matematicamente questa repulsione viene comunicata da un fotone virtuale “γ” che viene creato con una certa energia per un certo intervallo di tempo. L’informazione elettromagnetica si propaga tra due punti dello spaziotempo diversi e non può essere istantanea (per non contraddire la relatività ristretta), ma può propagarsi, al massimo, alla velocità della luce.

Con poche differenze, i diagrammi delle altre interazioni alle basse energie hanno una struttura molto simile (fatta eccezione per la gravità, per la quale non esiste ancora una teoria quantistica soddisfacente). Ciascun diagramma è caratterizzato dal proprio personalissimo bosone di interazione, che sia il fotone (elettromagnetismo), il pione (forze nucleari forti), o i W e Z (interazione debole).

Lo scambio di un oggetto tra due persone su due barche genera un allontanamento per via della conservazione della quantità di moto totale.

Esiste un esempio intuitivo, seppur da prendere con le pinze perché serve solo a darci un’intuizione fisica, del perché lo scambio di un mediatore produca una forza di interazione. L’esempio viene dalla fisica classica ed è illustrato in figura.

Il principio di Heisenberg in una forma speciale

Vogliamo studiare in maniera intuitiva quali siano le grandezze in gioco nella propagazione dei bosoni mediatori. Sappiamo dalla fisica teorica che possiamo interpretarli come particelle create e riassorbite durante l’interazione, e che esistono per un certo intervallo di tempo che consente la loro propagazione.

“Aspetta, mi stai dicendo che viene creata una particella dal niente? Ma questo non viola il principio di conservazione dell'energia?"

Una forma molto speciale del principio di indeterminazione di Heisenberg riguarda proprio l’energia e il tempo. Una particella può essere creata con una certa energia per un certo intervallo di tempo, senza violare il principio di conservazione, a patto però che valga

Il simbolo “~” indica un’uguaglianza approssimata. A destra, la costante di Planck divisa per 2π.

Per la creazione di un bosone mediatore di massa “m” richiediamo che questi esista per un tempo sufficiente per propagarsi di una distanza “R” (che è proprio il raggio di azione dell’interazione) a una velocità che è dello stesso ordine (ma MAI uguale) a quella della luce “c“. In sintesi:

Il simbolo “~” sta proprio a indicare che la relazione vale solo come ordine di grandezza: non stiamo dicendo in nessun modo che un corpo di massa “m” possa viaggiare alla velocità della luce, ma solo a una velocità comparabile e ad essa inferiore.

Un gioco poco rigoroso, che ci azzecca molto bene

Sfruttando una possibile interpretazione dei diagrammi sulle interazioni, immaginiamo che i bosoni mediatori vengano creati nei processi e che si propaghino per una distanza “R” che è proprio il raggio di azione.

Come facciamo a capire se tali bosoni esistano davvero o se siano solo costrutti teorici?
Dobbiamo rivelarli sperimentalmente, ma per rivelarli sperimentalmente dobbiamo prima sapere che tipo di massa possiamo aspettarci per queste particelle.

Un giochino poco rigoroso è quello di usare il principio di Heisenberg esposto sopra, perché a quel punto l’energia di massa dei bosoni si ottiene dividendo per “∆t

L’energia di massa dei bosoni in funzione del raggio di interazione

Applichiamo ora questa formula ai bosoni delle interazioni: fotone, gravitone, pione e bosoni W,Z.

  • Fotone: l’interazione elettromagnetica ha un raggio di azione infinito. Se diamo a “R” un valore molto grande nella formula troviamo che la massa tende a zero. I fotoni, come si sa comunemente, hanno massa nulla, e quindi sono capaci di viaggiare alla massima velocità dell’universo, cioè la velocità della luce. Non una grandissima notizia, dato che i fotoni sono proprio la luce stessa.
  • Gravitone: l’interazione gravitazionale è sorella (molto più debole a parità di distanza) della forza elettromagnetica, e ha anche lei un raggio di azione infinito. Troviamo quindi una massa nulla anche per il fantomatico bosone dell’interazione gravitazionale: se mai troveremo una teoria quantistica della gravità, il suo bosone si propagherà alla velocità della luce.

Per discutere del pione (mediatore della forza nucleare forte a bassa energia) e dei bosoni della forza debole, diamo prima una formula numerica utile

Con “fm” intendiamo “fermi”, cioè l’unità di misura delle lunghezze nucleari.
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L’energia delle particelle atomiche si misura infatti con una scala energetica chiamata MeV.
Come per tutte le unità di misura, fatti bastare solo qualche numero di orientamento: l’energia di massa dei neutroni e dei protoni è di circa 1000 MeV, mentre l’elettrone “pesa” solo 0.5 MeV. Le energie dei legami nucleari sono invece dell’ordine di qualche MeV.

Detto ciò torniamo al nostro gioco e occupiamoci del pione, cioè il bosone dell’interazione nucleare forte.
Il raggio di azione dell’interazione nucleare forte è dell’ordine di 1.4 fermi

Per quanto riguarda invece il bosone W dell’interazione debole, per la quale il raggio di azione è dell’ordine di 0.0025 fermi

Un confronto con i valori sperimentali

Non ci dilunghiamo sulla massa del fotone, perché essendo un quanto di luce è il bosone meglio conosciuto nella storia e sappiamo con molta confidenza che la sua massa è da considerarsi nulla.
Sul gravitone diciamo solo che il risultato è quantomeno ragionevole: un’onda gravitazionale si propaga alla velocità della luce, quindi è ragionevole aspettarsi che, così come il fotone è la manifestazione dei modi di vibrazione del campo elettromagnetico, allora anche il gravitone avendo a che fare con il campo gravitazionale che si propaga alla velocità della luce, deve avere massa nulla.

Il pione è stato una delle prime particelle a essere scoperta nel dopoguerra (1947), e la sua massa è stata misurata in numerosissimi modi diversi. Tutti i risultati sono in accordo con il valore di circa 139 MeV, in perfetto accordo con quanto abbiamo trovato “giocando”.

La scoperta del bosone W dell’interazione debole ha portato il nobel a Carlo Rubbia (1983). Oggi la sua massa è nota essere di circa 80 mila MeV, proprio come abbiamo stimato.


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Matteo Parriciatu
Matteo Parriciatu

Dopo aver conseguito la laurea in Fisica nel 2020, studia Fisica Teorica all’Università di Pisa specializzandosi in simmetrie di sapore dei neutrini, teorie oltre il Modello Standard e interessandosi di Relatività Generale.
È autore del libro “L’apprendista teorico” (2021).

Perché la teoria di Enrico Fermi rimane una delle vette dell’ingegno umano

La teoria di Fermi sull’interazione debole era così all’avanguardia che fu rifiutata dalla rivista “Nature” perché “contiene speculazioni teoriche troppo distanti dalla realtà“.

Oggi è ritenuta uno dei più importanti avanzamenti del XX secolo.

Per apprezzare la portata della teoria di Fermi, cerchiamo di ripercorrere concettualmente il suo lavoro, immedesimandoci in lui agli inizi degli anni ’30.

Quando nessuno conosceva il contenuto del nucleo

Se avessi fermato un fisico per strada nel 1930 e gli avessi chiesto la struttura del nucleo atomico l’avresti messo in imbarazzo. Ancora non si sapeva nulla del neutrone e si conosceva solo il protone; inoltre non si aveva la minima idea di cosa fosse un’interazione nucleare.

Ovviamente si sapeva, ad esempio, che un nucleo di Elio aveva carica +2 (unità di carica dell’elettrone) e che quindi doveva contenere due protoni. Tuttavia il peso del nucleo corrispondeva a quattro volte la massa del protone. D’accordo, quindi nel nucleo ci sono quattro protoni? Sì, ma allora la carica come fa a essere +2 e non +4? Beh allora ci mettiamo anche due elettroni, così neutralizziamo due cariche e si ha +4-2=+2, tanto la massa degli elettroni è mezzo millesimo di quella dei protoni e l’aggiunta non cambia il peso atomico! Problema risolto?

Il problema teorico: ci possono essere degli elettroni nel nucleo?
Oggi si prenderebbe un’insufficienza per un’affermazione simile, eppure prima della scoperta del neutrone (1932) era una delle spiegazioni accettate. Ma gli elettroni hanno una massa davvero troppo piccola per “accontentarsi” di stare in uno spazio ridotto come il nucleo: la loro lunghezza d’onda di De Broglie è centinaia di volte maggiore della dimensione del nucleo.

La situazione della fisica teorica prima del 1934

La meccanica quantistica di Schrödinger (1926) funzionava bene a livello atomico. Ma nel momento in cui si voleva provare a indagare le alte energie (cioè la struttura dei nuclei e delle particelle) falliva proprio nel formalismo matematico.
Fu Dirac (1928) a portare la relatività nella meccanica quantistica (cioè una teoria delle alte energie) e, assieme a Fock e Jordan, a proporre una seconda quantizzazione per trattare le particelle come eccitazioni dei campi quantistici. Un risultato spettacolare di questa teoria fu la scoperta dell’elettrodinamica quantistica, che era in grado di predire con successo tanti processi elettromagnetici tra particelle dotate di carica elettrica.

Ad esempio la repulsione tra due elettroni veniva spiegata con un’interazione trasmessa da un fotone creato e distrutto nel processo stesso

Leggendo dal basso verso l’alto: due elettroni arrivano, interagiscono scambiando un fotone “γ” e poi si allontanano.

La cosa importante che devi notare qui è il concetto di creazione e distruzione di un fotone. Questo modo di pensare era inglobato nella matematica della seconda quantizzazione, e fu un passo da gigante verso la fisica moderna.

L’imbarazzo del decadimento β nucleare

Tanto per infierire sul problema teorico degli elettroni nel nucleo, c’era un tipo di decadimento nucleare che si conosceva da qualche decennio: il decadimento beta (β).
In tale decadimento un nucleo era in grado di trasformarsi nel nucleo dell’elemento successivo nella tavola periodica, emettendo radiazione beta, che è un gergo sofisticato per dire “elettroni“. Questo decadimento era davvero una bella gatta da pelare per almeno due motivi:

  • Sembrava rafforzare l’idea che gli elettroni dovessero essere contenuti nel nucleo, perché da qualche parte dovevano spuntare fuori questi elettroni beta! Ma ciò era, come detto sopra, in contrasto con il fatto che la lunghezza d’onda di un elettrone avente l’energia tipica dei decadimenti β era molto maggiore delle dimensioni nucleari.
  • Gli elettroni, a parità di nucleo che decade, venivano emessi con tantissime energie diverse, da una minima energia fino a una massima energia. Se l’energia messa a disposizione dal nucleo è sempre la stessa, perché gli elettroni non assumono solo quel valore specifico di energia? Niels Bohr arrivò a dire che le interazioni nucleari non conservavano l’energia!

Il primo azzardo: un’analogia

La genialità di Fermi risiedeva nella semplicità dei suoi ragionamenti, anche se tale semplicità era solo apparente, perché il risultato di un’approfondita analisi concettuale svolta quando nessuno stava guardando.

Fermi nel 1933 conosceva solo un tipo di interazione spiegabile con una teoria delle alte energie: l’elettrodinamica quantistica a cui abbiamo accennato sopra. Questa teoria faceva uso del concetto di creazione e distruzione del fotone nei processi.
Il colpo da maestro di Fermi fu quello di ragionare per analogia: spinto dalla convinzione che gli elettroni non potevano vivere dentro il nucleo, convinzione rafforzata dalla recente scoperta del neutrone, arrivò ad affermare che:

L’elettrone viene creato durante il processo di interazione all’interno del nucleo, dopodiché non può che propagarsi libero, fuori dal nucleo.

Si trattava, questa, della prima applicazione del concetto di creazione e distruzione di particelle, applicato a particelle che non fossero il fotone. Prima si pensava che le particelle come l’elettrone dovessero esistere sempre e che non potessero apparire e scomparire nei processi. Il passo compiuto da Fermi fu di proporzioni gigantesche.

Fermi riconobbe subito che un processo fisico del genere avrebbe dovuto garantire la conservazione della carica, e sfruttando il fatto sperimentale che il nucleo si trasformava in un nucleo con un protone in più, riconobbe che il decadimento beta non era altro che il decadimento del neutrone. Il protone rimane nel nucleo, e l’elettrone viene rilasciato libero. La reazione del processo è:

Il decadimento del neutrone.
Questo processo conserva la carica elettrica: all’inizio abbiamo carica zero, e alla fine abbiamo carica +1-1=0.

Una teoria che conserva la carica elettrica ha proprio la struttura matematica dell’elettrodinamica quantistica. Fermi si affidò di nuovo a un’analogia e scrisse l’interazione come un accoppiamento tra correnti cariche, proprio come nell’elettrodinamica:

Le analogie tra elettrodinamica e teoria di Fermi

Tuttavia questa forma dell’interazione restituiva di nuovo una distribuzione di energia a un singolo valore per l’elettrone uscente. L’analogia con l’elettrodinamica era troppo bella e semplice per essere vera? Non si riesce proprio a salvare il principio di conservazione dell’energia?

Il secondo azzardo: la particella fantasma

Come mai l’energia dell’elettrone assume più valori fino all’energia massima disponibile? Si dimostra matematicamente che questo in realtà è proprio ciò che succede quando il decadimento non produce solo due corpi, ma tre! Se il neutrone decade in protone ed elettrone, chi è la terza particella misteriosa prodotta?

Fermi, su suggerimento di Pauli, decise di fare un passo in più dove molti avrebbero mollato. Ci troviamo di fronte al primo caso in cui una particella viene teorizzata prima di essere scoperta: il neutrino. Il suo identikit è il seguente:

  • È neutro, per non intaccare la conservazione della carica nell’interazione di corrente.
  • È molto leggero, più leggero dell’elettrone (questo serve per giustificare l’energia degli elettroni).
  • Anche se il nome è simile a quello del neutrone (fu Fermi a battezzarlo), il neutrino non ha nulla a che vedere con il neutrone, non farti fregare!


La reazione completa è quindi:

La reazione corretta per il decadimento beta del neutrone. Assieme all’elettrone viene emesso anche un neutrino.

A questo punto basta aggiungere la corrente del neutrino e l’analogia con l’elettrodinamica è salva!

Rappresentazione schematica delle due teorie. A sinistra un vertice di interazione tra protone e fotone (rappresentato da γ). A destra il decadimento del neutrone (ispirato, nella sua struttura, dallo schema di sinistra).

Questa interazione era in grado di spiegare con successo lo spettro energetico degli elettroni nel decadimento beta, con notevole precisione per l’epoca. Fu un trionfo!

Il punto fondamentale è che il neutrino non fu mai rivelato prima degli anni ’50!

Enrico Fermi (1901-1954).

Questo per via del fatto che Fermi inconsapevolmente non aveva solo teorizzato il decadimento del neutrone, ma un nuovo tipo di forza della natura: l’interazione debole! Il neutrino interagisce solo tramite la forza debole, che, come suggerisce il nome, è più difficile da rivelare sperimentalmente.

Il travaglio del capolavoro

È difficile sovrastimare la portata del lavoro di Fermi, in quanto inconsapevolmente aveva teorizzato per primo, in una forma a bassa energia, una delle quattro forze fondamentali della natura. Fu inoltre il primo a usare il concetto di creazione e distruzione delle particelle che non fossero fotoni, e il primo a teorizzare una particella ancora da rivelare sperimentalmente.

Oggi questo tipo di pratica è all’ordine del giorno, ma all’epoca di Fermi era un modo di lavorare rivoluzionario.

Fermi pubblicò la propria teoria nel dicembre del 1933 con l’umile nome “Tentativo di una teoria dei raggi beta“, nonostante fosse ben più di un tentativo!
Per capire la portata di questo “tentativo” basti pensare che il lavoro fu rifiutato dalla rivista “Nature” in quanto:

“Contiene speculazioni teoriche troppo distanti dalla realtà per essere di interesse al lettore.”

Insomma il lavoro del fisico italiano era troppo all’avanguardia per essere considerato, nonostante spiegasse bene i risultati sperimentali.
Fermi prese molto male questo rifiuto, ma pubblicò comunque l’articolo nelle riviste italiane e tedesche, dove invece fu accolto con grande clamore.
La teoria di Fermi fu apprezzata sempre di più negli anni, ma venne compresa e completata solo tra gli anni ’50 e ’60, ed oggi è riconosciuta come una delle più grandi intuizioni del ventesimo secolo.

L’eredità di un gigante

Oggi la teoria di Fermi è inglobata all’interno della teoria unificata elettro-debole, che contiene cioè sia l’elettrodinamica sia l’interazione debole. Tale unificazione avvenne però solo negli anni ’60, e in questo senso Fermi può essere pensato come il precursore non solo dell’interazione debole, ma anche dell’unificazione elettrodebole, perché intuì per primo la forte analogia con l’elettrodinamica.
Oggi sappiamo che esistono dei mediatori della forza elettrodebole che sono bosoni proprio come il fotone è un bosone mediatore della forza elettromagnetica.

Il decadimento beta nella teoria elettrodebole moderna. Confronta questo disegno con quello sopra: c’è un bosone mediatore W in più. L’analogia con l’elettrodinamica, che Fermi fu il primo a intuire, è finalmente completa.

Fermi avrebbe potuto teorizzare, in linea di principio, anche questo bosone mediatore, e completare l’analogia unificando le due teorie. La sua attitudine umile e la sua volontà di spiegare i risultati sperimentali (che riguardavano la fisica delle basse energie, in cui la mediazione del bosone non produce effetti misurabili), lo spinse a non fare il passo più lungo della gamba. Ma la gamba di un gigante è comunque la più lunga che ci sia.


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Come una simmetria fa nascere la teoria dell’elettromagnetismo

Gran parte del lavoro della fisica degli ultimi 70 anni è stato quello di scovare nuove leggi della natura a partire da princìpi di simmetria. Un esempio di questo modo di lavorare può essere fornito andando a re-inventare la ruota, cioè analizzando l’emergere della teoria dell’elettromagnetismo (studiata e compresa da ormai un secolo e mezzo) da un principio di simmetria.

L’identikit di una simmetria

Se mi chiedessero di riassumere ciò che i fisici teorici intendono con la parola magica “simmetria” tramite l’esempio più semplice possibile, userei questo:

Stai osservando un sistema fisico e nel mentre che chiudi gli occhi eseguo una certa trasformazione del sistema in modo che quando li riapri per te non è cambiato nulla: allora quella trasformazione è una simmetria del sistema.

Esistono simmetrie più intuitive e meno astratte di altre, e quelle della meccanica quantistica sono decisamente poco intuitive. Per questo motivo la nostra strategia sarà quella di cercare delle analogie con le simmetrie geometriche, con cui abbiamo più confidenza.

Prima di poter apprezzare il discorso è però necessario passare un piccolo purgatorio di matematica dei numeri complessi, perché è li che si nasconde la simmetria che fa nascere l’elettromagnetismo.

La natura complessa della quantistica

La meccanica quantistica studia il moto delle particelle tramite le funzioni d’onda che “vivono” in uno speciale spazio matematico.
Si scoprì presto che, per riprodurre i risultati sperimentali a partire dalla teoria, tale spazio matematico doveva essere a valori complessi. Perché? Semplicemente è più facile fare i conti con i numeri complessi, ed alcune proprietà fisiche appaiono più evidenti.

In ogni punto dello spazio, il valore della funzione d’onda è rappresentato da un numero complesso: cioè una freccia sul piano di Gauss.

Se non hai molta dimestichezza col concetto di numero complesso, può aiutare un’analogia.
L’essenza matematica è molto simile a quella di un vettore sul piano cartesiano, dove con “vettore” devi sostituire “numero complesso” e con “piano cartesiano” devi sostituire “piano di Gauss”.

Le analogie non finiscono qui!

  • Proprio come un vettore, un numero complesso può allungarsi, accorciarsi, ribaltarsi, e in generale ruotare sul piano di Gauss.
  • La lunghezza di un vettore è un numero reale ed è chiamata in gergo ”modulo”.
  • La “lunghezza“ di un numero complesso è un numero reale ed è chiamata in gergo ”modulo”.

I numeri complessi godono però di alcune proprietà aggiuntive che tornano molto comode nei calcoli, per cui vanno in ogni caso ben distinti dai vettori.

Nota bene: ciò che calcoliamo dalle misure negli esperimenti sono i numeri reali, non i numeri complessi.
Per questo motivo la funzione d’onda di una particella è stata interpretata dai fisici come un numero complesso il cui modulo al quadrato restituisce un numero reale che è la densità di probabilità

La funzione d’onda di una particella è un numero complesso il cui modulo al quadrato (numero reale) viene interpretato come la probabilità di trovarla in un certo punto dello spazio.

dove la probabilità è in un certo senso ciò che si manifesta sperimentalmente, e quindi è la connessione tra mondo teorico e mondo degli esperimenti. Tutti i calcoli della meccanica quantistica hanno lo scopo di arrivare a una stima della probabilità.

La cosa interessante è che la definizione di probabilità come modulo quadro della funzione d’onda ci lascia una certa libertà: potremmo moltiplicare la funziona d’onda per un altro numero complesso “z” avente modulo uguale a uno, e la probabilità rimarrebbe la stessa

Se il numero complesso z ha modulo uguale a uno, la sua moltiplicazione con la funzione d’onda non ha alcun effetto sulla probabilità.

Dal punto di vista del mondo reale non è cambiato nulla (la probabilità è la stessa), ma dal punto di vista matematico la moltiplicazione per il numero “z” ha trasformato, in ogni punto dello spazio, il valore della funzione d’onda.

“Trasformato? Che vuol dire? Non è un semplice prodotto algebrico quello che abbiamo appena visto?"

Lo sarebbe se stessimo parlando di numeri reali. Tuttavia una proprietà molto interessante dei numeri complessi è che quando li moltiplichiamo tra loro otteniamo una rotazione sul piano di Gauss.
La trasformazione prende il nome gergale “trasformazione di fase”.

Il numero complesso A viene ruotato di un angolo pari all’inclinazione del numero complesso B. Il risultato è un numero complesso AB ruotato.

La matematica della meccanica quantistica ci dà la libertà di trasformare il valore complesso delle funzioni d’onda in ogni punto dello spazio, senza intaccare la probabilità di osservazione che esse descrivono.

L’atto di trasformare un oggetto con il risultato di lasciare intatta una certa quantità (come la probabilità che osserviamo) corrisponde proprio all’identikit di una simmetria.

“Non mi convincono troppo queste parole altisonanti. “Simmetria" mi fa pensare più a una cosa geometrica, mentre mi pare di capire che qui siano solo astrazioni matematiche..."

Però abbiamo appena visto che la trasformazione di fase è parecchio analoga a una rotazione!

“Vorrai mica dire che c'è un modo per rendere più intuitive tutte queste astrazioni?"

Le interpretazioni di una simmetria: la teoria dei gruppi

Considera un quadrato disteso su un piano e immagina di chiudere gli occhi mentre io ruoto il quadrato di 5 gradi. Quando riapri gli occhi sei in grado di capire se ho eseguito una rotazione o meno?

Il quadrato iniziale (linea tratteggiata), e il quadrato dopo la rotazione di 5 gradi (linea continua).
“Mi prendi per uno stolto? Il quadrato ora è diverso da prima, è un po' più storto! Come fai a pretendere che non mi accorga della trasformazione?"

Ciò è successo perché la trasformazione “rotazione di 5 gradi” non è una simmetria del quadrato. Il quadrato non è rimasto identico a se stesso.

Un quadrato rimane identico a se stesso se invece lo ruotiamo per alcuni angoli speciali:

  • Possiamo non fare nulla, cioè ruotarlo di 0 gradi, e il quadrato rimane identico a se stesso.
  • Possiamo ruotarlo di 90 gradi e il quadrato rimane identico a se stesso.
  • Possiamo ruotarlo di 180 gradi e il quadrato rimane identico a se stesso.
  • Possiamo ruotarlo di 270 gradi e il quadrato rimane identico a se stesso.

In sostanza se io avessi eseguito una qualsiasi delle suddette rotazioni mentre tenevi gli occhi chiusi, dopo non saresti in grado di dirmi se io abbia trasformato il quadrato o meno.
In gergo gli angoli {90, 180, 270, 0} formano un gruppo: il gruppo di simmetria del quadrato.

Una rotazione di 90 gradi lascia il quadrato identico a se stesso.

Il nome “gruppo” si riferisce al fatto che se eseguissi due trasformazioni consecutive usando gli elementi del gruppo {90, 180, 270, 0} otterrei comunque una trasformazione che lascia invariato il quadrato, e quindi tale trasformazione deve fare anche lei parte del gruppo {90, 180, 270, 0}.
Ad esempio se ruoto di 90 e poi ruoto di 180, ottengo una rotazione totale di 270, che è un elemento del gruppo. Se ruoto di 270 e poi ruoto di 180 ottengo una rotazione di 450 gradi, che equivale a 90 gradi. Il gruppo è una “società chiusa“.

Spingendoci un po’ più sull’astratto desideriamo che un gruppo di simmetria, per ritenersi tale ai nostri occhi, abbia queste proprietà importanti:

  • Chiusura: se due elementi appartengono al gruppo, allora anche la loro composizione (cioè applico prima l’uno e poi l’altro) appartiene al gruppo. Lo abbiamo appena visto con le rotazioni.
  • Esistenza dell’identità: anche la trasformazione “non faccio nulla” deve appartenere al gruppo. Come ben sai, il “fare nulla” lascia le cose uguali a come erano prima.
  • Esistenza dell’inverso: se ruoto di 90 gradi e poi voglio tornare indietro, posso ruotare di altri 270 gradi e fare quindi un angolo giro di 360 gradi per tornare da dove ero partito. La composizione 90+270 equivale al “non fare niente”. Quindi diremo che l’elemento 270 gradi è la trasformazione inversa della rotazione di 90 gradi.

Il gruppo di simmetria del quadrato ha, come hai visto, pochi elementi. Esistono però gruppi con un numero infinito di elementi. Considera ad esempio un cerchio

Nel caso del cerchio qualsiasi angolo di rotazione è un elemento del gruppo di simmetria. Se chiudessi gli occhi e io ruotassi il cerchio di 13.42 gradi, dopo non sapresti dire se io abbia eseguito la rotazione o meno.
Il gruppo di simmetria del cerchio è definito da un angolo che può assumere infiniti valori.

“Tutto molto elegante, ma quindi? Non stavamo parlando di trasformazioni di fase?"

Le trasformazioni di fase: il gruppo U(1)

Abbiamo visto che le trasformazioni di fase che si fanno sulle funzioni d’onda sono delle rotazioni nel piano di Gauss, e la notizia è che sono molto simili al gruppo di simmetria del cerchio. Il loro collettivo ha un nome speciale: gruppo U(1).

Un elemento del gruppo può essere rappresentato da un esponenziale avente come esponente l’angolo di cui si sta facendo la rotazione.

“i” è l’unità immaginaria dei numeri complessi: la radice quadrata di -1.

Questa rappresentazione esponenziale degli elementi del gruppo rende più evidenti le proprietà dei gruppi elencate sopra:

Quindi la trasformazione di fase U(1) ha pieno diritto di essere considerata un gruppo di simmetria.

Quando trasformiamo una funzione d’onda moltiplicandola per un elemento del gruppo U(1), stiamo ruotando il suo valore sul piano complesso in ogni punto dello spazio in cui la funzione d’onda è definita. Se facciamo il modulo quadro di questo prodotto, l’effetto è quello di effettuare una rotazione inversa: la composizione delle due cose restituisce l’identità, cioè il non fare niente.

“Continuo a non capire perché porre tanta enfasi sulle simmetrie. È un accidente matematico e nulla di più, perché perderci tutto questo tempo?"

Il motivo di tanta enfasi è il teorema di Noether.

Simmetrie e conservazione

Il teorema di Noether garantisce che per ogni simmetria debba esserci una quantità conservata. Ad esempio se un sistema fisico ha lo stesso gruppo di simmetria del cerchio, la quantità conservata è il momento angolare nel tempo.

È lecito chiedersi quale quantità conservata si nasconda dietro la simmetria U(1).

La teoria della relatività impone che la teoria più semplice per la descrizione di una particella libera sia quella di Dirac

La teoria di Dirac per una particella libera di spin 1/2 e massa m.

Dove la parte di sinistra descrive un cambiamento della funzione d’onda nello spaziotempo, e la parte di destra descrive la massa “m” della particella.

La parte sinistra della teoria di Dirac coinvolge una derivata rispetto alle coordinate spaziotemporali, cioè calcola le variazioni della quantità su cui agisce. In questo caso agisce sulla funzione d’onda a destra.

La teoria di Dirac è stata costruita in modo da essere simmetrica rispetto a una trasformazione di fase globale. Le due funzioni d’onda scritte sopra trasformano infatti in modo opposto sotto una trasformazione U(1)

In modo che il loro prodotto rimanga invariato

La trasformazione di fase globale, ripetiamo ancora una volta, ha l’effetto di ruotare simultaneamente in ogni punto dello spaziotempo il valore della funzione d’onda nel piano di Gauss. In sostanza il valore dell’angolo di rotazione θ è uguale per tutti i punti dello spaziotempo.

Siccome θ è una costante (cioè uguale in tutti i punti dello spazio tempo, da cui il nome globale), la parte di variazione della teoria di Dirac è anch’essa lasciata intatta dalla trasformazione

L’angolo θ non dipende dallo spaziotempo e la derivata non ha effetto su di lui.

Questa simmetria della teoria di Dirac genera una quantità conservata molto importante: la differenza tra numero di particelle e numero di antiparticelle.

Tuttavia la relatività vieta che la trasformazione di una fase in un certo punto dello spaziotempo possa ruotare istantaneamente la fase in un altro punto.

Richiediamo che debba esserci un “tempo di propagazione diverso da zero” tra un punto e l’altro.
L’unico rimedio è assumere che l’angolo di rotazione θ abbia un valore diverso punto per punto nello spaziotempo e che la trasformazione si propaghi ad una velocità finita, trasmessa da un qualche campo ignoto che siamo costretti a introdurre nella teoria:

Introduzione di un campo ignoto nella teoria per fare da mediatore nella trasmissione dell’informazione sulla fase tra i punti dello spaziotempo. “q” è una costante ignota.

Inoltre ora la teoria di Dirac ha perso la simmetria U(1), in quanto la parte di variazione comprende sia la variazione della funzione d’onda, sia la variazione dell’angolo che passa da θ costante a θ(x) funzione dello spaziotempo:

La richiesta che l’angolo di rotazione dipenda dallo spazio rompe la simmetria globale U(1)

quel termine aggiuntivo a destra rovina la festa, perché l’espressione non rimane uguale a se stessa dopo la trasformazione!

“Mi pare che andiamo di male in peggio. Ora non solo dobbiamo aggiungere alla teoria un campo ignoto per rispettare la relatività, ma abbiamo anche un pezzo in più dovuto alla variazione dell'angolo θ(x)! 

Non ha proprio nulla di simmetrico, non ne usciremo mai!"

Siccome nella realtà nessun esperimento è in grado di rivelare questo cambiamento di fase θ(x) che abbiamo effettuato matematicamente, vorremmo eliminare questa imbarazzante rottura della simmetria nella matematica della nostra teoria. E se la via d’uscita fosse proprio il campo ignoto che siamo stati costretti a postulare?

Per preservare sia la simmetria U(1) che la relatività ristretta, possiamo imporre che la nostra teoria sia simmetrica rispetto a un nuovo tipo di trasformazione.

Ad esempio una trasformazione del tipo:

Per quale motivo proprio questa trasformazione? Furbizia!
Infatti facendo entrambe queste trasformazioni, i termini aggiuntivi si eliminano e la nostra teoria rimane invariata, cioè abbiamo di nuovo una simmetria, che chiamiamo per ragioni storiche “simmetria U(1) di Gauge“.

L’azione combinata di entrambe le trasformazioni fa in modo di cancellare il termine aggiuntivo, la teoria è ora simmetrica.

Nasce l’elettrodinamica quantistica

Tramite alcune ragionevoli considerazioni si dimostra che il famigerato campo ignoto non è altro che il campo elettromagnetico. La teoria di Dirac descrive il comportamento delle particelle cariche in presenza di un campo elettromagnetico!

La costante “e” rappresenta la carica dell’elettrone, se vogliamo descrivere l’interazione di un elettrone con un campo elettromagnetico rappresentato da “A”.

Si è presentata la necessità dell’esistenza del campo elettromagnetico nel momento in cui abbiamo richiesto che venisse rispettata la relatività ristretta assieme alla simmetria U(1). Ciò ci ha condotto a considerare un nuovo insieme di trasformazioni sotto le quali la teoria è simmetrica: la U(1) di Gauge.

Inoltre la quantità conservata sotto questa nuova simmetria è proprio la carica elettrica.

La teoria ottenuta da queste considerazioni è nota come elettrodinamica quantistica, ed è la teoria del modello standard meglio verificata sperimentalmente.


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Come l’antimateria nasce dalla relatività

Antiparticella = particella di uguale massa, ma con carica elettrica opposta

Il concetto di antimateria si è imposto praticamente da solo e prepotentemente, senza che nessuno lo abbia cercato di proposito, nel momento in cui sono state unificate meccanica quantistica e relatività ristretta alla fine degli anni ’20. Le prove sperimentali arrivarono fin dai primi anni ’30.
Oggi siamo in grado di produrre antimateria anche a fini medici (si pensi alla PET dove si sfruttano gli anti-elettroni, noti come positroni).

Ha un fascino particolare provare a seguire il percorso concettuale che, dalla relatività di Einstein, ha condotto alla teorizzazione dell’antimateria (dovuta a Dirac).

Facciamo finta di star scoprendo noi stessi il concetto di antiparticella in questo momento, e ripercorriamo tutte le tappe logiche fondamentali in cui potremo apprezzare il ruolo fondamentale giocato dalla teoria di Einstein.

L’energia di una particella

Nella meccanica quantistica ordinaria l’energia di una particella libera avente una quantità di moto p e una massa m si trova inserendo dentro l’equazione di Schrödinger la soluzione di onda piana (che è il modo quantistico di dire “particella esente da forze”). Il risultato è

La relatività di Einstein impone invece che tale espressione matematica per l’energia sia solo la versione approssimata della seguente

c è la velocità della luce

nell’approssimazione di quantità di moto molto piccole rispetto all’energia di massa. Fin qui nessun problema, la Fisica funziona così: quella che oggi sembra la forma definitiva di un’equazione, sarà l’approssimazione della versione più completa scoperta in futuro.

Il vero problema nasce quando si tenta di rendere l’equazione di Schrödinger relativistica

Lo schema è lo stesso: l’equazione non relativistica è solo l’approssimazione di quella relativistica, la quale, ad oggi, è la “vera equazione del moto” in quanto rispetta il principio di relatività di Einstein.

Il principio di relatività cambia la struttura matematica dell’equazione di Schrödinger, e se si prova a calcolare l’energia di una particella libera inserendovi al suo interno una soluzione di onda piana, si ottiene stavolta l’energia in questa forma curiosa e problematica

“Scusa, ma dove sta il problema? Abbiamo appena detto che la vera energia di una particella è data da quell'espressione brutta con m e c al quadrato e così via, non siamo contenti che l'equazione relativistica di Schrödinger restituisca la stessa energia per la particella libera?"

Il punto è che la struttura matematica dell’equazione di Schrödinger relativistica ci pone ora dinanzi a due vie, perché non ci dà l’energia, ma l’energia al quadrato!

Prima o poi nella vita siamo stati tutti mazziati dalla seguente proprietà matematica:

Ora il gioco è lo stesso, per la prima volta in Fisica l’equazione del moto di una particella esente da forze ci impone che l’energia possa essere data sia da un numero negativo che da un numero positivo

“E che ci vuole? Buttiamo via la soluzione negativa come si fa a scuola. Non esistono particelle libere con energia negativa!"

Facciamo però l’avvocato del diavolo e scegliamo di ascoltare la matematica imposta dalla relatività ristretta (ha sempre portato bene nella storia della Fisica!). Facciamo finta che possa esistere una particella ad energia negativa.

Come si comporta una particella di energia negativa?

L’energia in meccanica quantistica è importante perché ci dice come si evolve, nel tempo, la dinamica di una particella. Tale evoluzione è descritta, in soldoni, da

è insomma un esponenziale di un certo numero (di Eulero) avente come esponente il prodotto tra il numero complesso “i”, l’energia “E” e il tempo “t”. Non soffermarti sul perché, non è questo il punto.

Concentrati solo sul fatto che l’evoluzione dipende dal prodotto tra energia e tempo.

Se l’energia di una particella è negativa, il prodotto viene mandato in:

Ed ora è il momento di dire la cruda verità: ai fisici non piace per niente il fatto che le particelle possano avere energie negative, perché ci sarebbero non pochi problemi riguardo alla stabilità stessa della materia (mancherebbe un limite inferiore all’energia, un fatto molto pericoloso perché la natura vuole sempre occupare stati a energia minore).

Ma allora è tutto da buttare?


Continuiamo a fare gli avvocati del diavolo. Forse c’è un modo interessante di interpretare quel segno meno nel prodotto.

Continuiamo a seguire ciò che ci ha insegnato la relatività ristretta sulla struttura spaziotemporale della nostra realtà.

Questione di interpretazione: lo spaziotempo di Einstein

Supponiamo di osservare due eventi (contrassegnati da “1″ e “2″) che accadono in due punti dello spazio e a due istanti di tempo diversi. Li annotiamo sul nostro taccuino come

Ipotizziamo che, secondo noi, l’evento 1 sia avvenuto prima dell’evento 2. Matematicamente chiediamo quindi che sia

Se un altro osservatore in moto con una velocità costante “v” rispetto a noi osserva gli stessi eventi, annoterà anche lui i due eventi sul suo taccuino usando le sue personalissime coordinate

Einstein ci ha insegnato a collegare le due descrizioni dello stesso evento con la seguente trasformazione:

dove “γ” è una quantità positiva che dipende dalla velocità, di cui non devi preoccuparti.

Preoccupiamoci invece di sottrarre le due equazioni di sopra per ottenere la differenza tra gli istanti di tempo dei due eventi rilevati dall’osservatore in moto, rispetto alle nostre coordinate (così per curiosità, perché non farlo?)

La matematica della relatività ci tenta di porre la seguente domanda “e se la differenza tra i due istanti di tempo per il secondo osservatore fosse negativa?”. Ciò si tradurrebbe in:

La seconda condizione è possibile se la velocità del secondo osservatore è tale che

A patto però, come dicono le regole di Einstein, che v non superi la velocità della luce. Cioè deve essere

L’ultima condizione ci dice che la distanza spaziale tra i due eventi deve essere maggiore della distanza percorsa da un raggio di luce (di velocità c) nel tempo che intercorre tra i due eventi stessi. Se gli eventi soddisfano questa particolare caratteristica, allora è possibile trovare un osservatore con una velocità v tale da rendere

ovvero l’ordine degli eventi è invertito per il secondo osservatore: secondo lui è successo prima l’evento “2″ dell’evento “1”.

In relatività ristretta è permesso che l’ordine temporale degli eventi possa essere invertito dal punto di vista di un osservatore in moto

“Aspetta un attimo, ma questo mi consentirebbe di vedere la gallina prima dell'uovo, no? Non c'è un problema di causa-effetto?"

Ottima osservazione, ma non c’è nessun problema! Infatti l’inversione temporale avviene solo per eventi che non possono essere connessi da alcuna relazione causale: non ci può essere trasmissione di informazioni tra eventi che distano nello spazio più della distanza percorribile dalla luce nel tempo che li separa! Lo abbiamo incluso tacitamente nella condizione:

“Ok...e quindi? Cosa c'entrano nella fisica gli eventi senza connessione causale? La fisica è fatta di causalità! Mi pare che tu stia a chiacchierare di metafisica!“

Ora interviene la meccanica quantistica!

Per il principio di indeterminazione di Heisenberg, è possibile che una particella si propaghi da un punto all’altro dello spazio anche se questi due punti non sono connessi causalmente.

Se una particella viene emessa in un punto A ed assorbita in un punto B (e tali punti non sono causalmente connessi per ipotesi) allora un osservatore che si muove con una certa velocità (calcolata sopra), vedrebbe l’assorbimento della particella nel punto B in un tempo che precede l’istante in cui viene emessa nel punto A.

Come si esce da questo paradosso?

L’interpretazione di Feynman-Stückelberg

Il fisico americano Richard Feynman

Torniamo al prodotto tra energia e tempo per quanto riguarda l’evoluzione temporale di una particella. Avevamo detto che se l’energia è negativa abbiamo

Immagina che io ti abbia bendato gli occhi e avessi messo il segno meno davanti al prodotto senza dirti a quale fattore è stato applicato. Potrei benissimo aver cambiato segno a “t” invece che all’energia, senza dirti nulla. Il risultato è a tutti gli effetti equivalente:

Matematicamente non cambia nulla, ma il risultato è rivoluzionario:

Una particella di energia negativa può essere pensata anche come una particella di energia positiva che si muove indietro nel tempo!

Questa è l’interpretazione di Feynman-Stückelberg, i quali volevano cancellare dall’esistenza il concetto di energia negativa. Dal punto di vista delle interazioni tra le particelle, la relatività prevede l’inversione temporale, come abbiamo discusso sopra.

“Ma che senso ha questa propagazione indietro nel tempo? A me pare ancora che si stia parlando di metafisica qui..."

Hai ragione. Infatti bisogna sedersi un attimo e ragionare su cosa significhi, dal punto di vista fisico, l’inversione temporale.

L’interpretazione dell’inversione temporale

Generalmente classifichiamo le particelle in base al modo in cui si comportano nelle interazioni fondamentali. In particolare ci interessa studiarne la traiettoria in una regione in cui è presente un campo elettromagnetico.

L’accoppiamento tra una particella e un campo elettromagnetico ha un nome tutto suo: la carica elettrica “q”.

La forza elettromagnetica su una carica “q” modifica la sua traiettoria accelerandola.

Le particelle descrivono traiettorie in una certa direzione, in base al segno della carica “q”, che può essere positivo o negativo.

Tra tutti i simboli dell’equazione appena scritta, concentriamoci solo sul tempo “τ“. Ci sono solo due termini che contengono il tempo esplicitamente, ed entrambi si trovano al denominatore ed appaiono come

Se invertiamo il tempo, otteniamo che il termine a sinistra non cambia (essendo un quadrato). Quindi cambia solo il secondo e si ha

Quindi sotto inversione temporale compare un segno meno globale per tutta l’equazione.
Ora immagina di nuovo che io ti abbia bendato gli occhi e avessi fatto spuntare fuori questo segno meno senza dirti che ho invertito il tempo. Potresti benissimo interpretare il segno meno in questo modo

Dal punto di vista sperimentale, l’effetto è quello di aver invertito il segno della carica elettrica. Le equazioni del moto relativistiche ci dicono che invertire il tempo si traduce, sperimentalmente, come il moto di una particella di carica elettrica opposta.

Una particella di energia positiva che si muove indietro nel tempo può essere interpretata come una particella di energia positiva, ma con carica opposta, che si muove avanti nel tempo.

Ecco che sparisce tutta la stranezza dell’inversione temporale! Ed ecco cosa ci ha insegnato la relatività ristretta applicata alla meccanica quantistica!

Le particelle ad energia negativa possono essere interpretate come delle particelle ad energia positiva che si muovono avanti nel tempo, ma che hanno carica opposta.

Oggi abbiamo un nome particolare per questo tipo di particelle che differiscono dalle particelle originali solo per il segno della carica elettrica e degli altri numeri quantici: le antiparticelle.

Una particella di energia negativa può essere interpretata come un’antiparticella di energia positiva che si muove, come tutte le altre particelle, avanti nel tempo. L’antiparticella differisce dalla particella solo per il segno della carica elettrica e di altri numeri quantici.

In questo modo abbiamo risolto anche il paradosso enunciato sopra:

Mettiamo che io veda una particella emessa in un punto A ed assorbita in un punto B. Come ci dice la relatività un altro osservatore potrebbe invece vedere una particella assorbita in B in un istante che precede la sua emissione nel punto A (se A e B non sono connessi causalmente). Ma ora sappiamo che ciò equivale ad osservare una particella di carica opposta che viene emessa in B ed assorbita in A. La causalità è salva.


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Come la particella di Majorana potrebbe rivoluzionare la Fisica

Perché il neutrino?

Le particelle più famose sono notoriamente:

ProtoneElettroneNeutrone
Carica elettrica: +1 -1 0
La carica è data in unità della carica elementare dell’elettrone.

le quali erano le uniche particelle note al tempo in cui si studiavano i primi meccanismi nucleari (agli inizi degli anni 30′). Furono proprio i primi esperimenti sui nuclei a suggerire l’esistenza di una nuova, inedita particella elementare.

Il decadimento beta dei nuclei
Negli esperimenti si notava che alcuni nuclei erano in grado di emettere spontaneamente degli elettroni, con il nucleo che di conseguenza finiva per trasformarsi in quello dell’elemento successivo nella tavola periodica.

 
“Aspetta rallenta un attimo, quindi gli elettroni stanno dentro al nucleo e poi vengono rilasciati? Non torna mica con il modellino dell'atomo che s'è fatto a scuola!"


No: gli elettroni non possono “vivere” dentro i nuclei, perché sono troppo leggeri. I nuclei sono abitati da protoni e neutroni. Quindi questa emissione doveva essere spiegata in un altro modo. La teoria proposta era questa:
Dentro al nucleo un neutrone può trasformarsi in un protone (ciò spiega l’aumento del numero atomico nucleare) al prezzo di produrre anche un elettrone (al fine di lasciare inalterata la carica elettrica originale).
La reazione dovrebbe quindi essere

Un neutrone nucleare si trasforma in un protone più un elettrone

Il protone rimane confinato nel nucleo, mentre l’elettrone riesce a sfuggire con una certa energia ben definita dal punto di vista teorico.

Sperimentalmente invece l’energia dell’elettrone era tutt’altro che ben definita, ma distribuita in un certo intervallo.

Questo poteva voler dire due cose: o l’energia totale non si conserva, o l’energia dell’elettrone viene un po’ distribuita anche in quella di una terza particella invisibile emessa nel decadimento

Nessuno vuole mai sacrificare il principio di conservazione dell’energia, ma allo stesso tempo negli esperimenti non si vedeva nessuna “terza particella”, quindi che alternative avevano i fisici?
Inoltre siccome il processo deve conservare la carica elettrica totale, partendo da un neutrone (che è neutro come dice il nome) e arrivando a un protone più un elettrone (la cui carica totale è nulla), l’aggiunta di una terza particella senza intaccare la carica totale sarebbe possibile solo se tale particella fosse neutra.


In sintesi la “terza particella” deve soddisfare questo identikit:

  • Deve essere neutra
  • Deve interagire poco con le altre particelle (il motivo per cui non la vediamo sperimentalmente)
  • Deve essere molto leggera (per spiegare i dati sperimentali).

Enrico Fermi propose il nome “neutrino” per ovvie ragioni (ma non perché è “figlio del neutrone”: sono particelle davvero molto diverse, non farti ingannare dal nome). La reazione completa è quindi

La reazione corretta con l’aggiunta del neutrino

Il problema della massa del neutrino

I dati sperimentali lasciavano presagire che il neutrino dovesse avere una massa piccolissima, e che dovesse essere strutturalmente analogo all’elettrone, ma con carica nulla.

Siccome le particelle vengono catalogate in base a come trasformano sotto le simmetrie, il neutrino trovò subito la sua perfetta catalogazione nel ruolo di “particella di spin 1/2 con massa molto piccola” .

Le particelle di spin 1/2 sono descrivibili con due blocchetti matematici fondamentali:

I campi L e i campi R

Non soffermarti sui loro nomi per ora, sappi solo che si riferiscono al modo in cui entrambi trasformano sotto la simmetria di Lorentz (per saperne di più leggi questo).

Solitamente le particelle di spin 1/2 come gli elettroni possono essere pensate come la composizione di questi due blocchetti L e R perché partecipano sia ai tipi di interazione L sia ai tipi di interazione R.

Ora un fatto importante:

Per costruire una particella di spin 1/2 massiva occorrono entrambe le componenti L e R

D’altra parte i neutrini, in tutti i processi noti, interagivano solo con la componente L. Questa fu una conferma del fatto che il neutrino dovesse avere una massa esattamente uguale a zero: infatti siccome interagisce solo con la parte L, e siccome non è possibile descrivere una particella massiva con solo la parte L senza una parte R (si otterrebbe una teoria che viola il principio di relatività), allora il neutrino poteva benissimo essere descritto con un unico blocchetto L e avere massa nulla.

Due piccioni con una fava: Ettore Majorana

Ogni particella ha la sua antiparticella (di uguale massa e con carica opposta): l’elettrone ha il positrone, il protone ha l’anti-protone e il neutrone ha l’anti-neutrone.

Le anti-particelle sono ciò che si ottiene quando si mischia la teoria quantistica con la teoria della relatività, per cui sono un qualcosa di abbastanza fondamentale.
Per questo motivo anche il neutrino doveva avere un’antiparticella: l’anti-neutrino. Se il neutrino interagisce solo tramite un campo L, l’anti-neutrino interagisce solo tramite un campo R. Tutto torna matematicamente.

“Non me la bevo mica questa! Una particella di uguale massa e carica opposta si chiama anti-particella...ma il neutrone non ha carica, come si fa a distinguerlo dall'antineutrone?"

Il neutrone ha una struttura interna composta da quark: è possibile distinguerlo dall’anti-neutrone con alcuni esperimenti ben congegnati. Però hai sollevato un dubbio interessante che potrebbe riguardare il neutrino:

Chi ci dice che neutrino e antineutrino non siano in realtà la stessa particella? Dopotutto sono neutri…

e dopotutto non hanno una struttura interna di quark (essendo fatti della stessa pasta degli elettroni).

Purtroppo c’è un problema: se sono la stessa particella, come mai interagiscono in modo diverso? Il neutrino interagisce solo come blocchetto L e l’anti-neutrino solo come R. Una bella gatta da pelare.

Poi arrivò il genio di Majorana e prese due piccioni con una fava:

È possibile costruire una teoria che rispetti il principio di relatività a partire da un blocchetto L e un blocchetto R, ma con quest’ultimo costruito a partire da un blocchetto L tramite il meccanismo della coniugazione di carica. Un neutrino può quindi essere descritto da

campo L + C ( campo L)

con “C” si intende il meccanismo della coniugazione di carica

questa costruzione impone che neutrino e anti-neutrino sono la stessa particella: quello che in precedenza era visto come anti-neutrino era in realtà la componente R costruita con “C(L)”.

La cosa più sorprendente dell’intuizione di Majorana era però un’altra: s’era detto poco fa che si possono costruire particelle di spin 1/2 massive solo se hanno entrambe le componenti L e R: ebbene ora il neutrino di Majorana le ha entrambe, quindi è possibile dargli una massa ed ottenere allo stesso tempo una teoria che rispetti il principio di relatività!

Il neutrino di Majorana ha una massa

Per anni il lavoro di Majorana fu trascurato perché la comunità scientifica era invece fermamente convinta che i neutrini dovessero avere massa nulla, e per distinguerli dai neutrini di Majorana, furono chiamati neutrini di Weyl del modello standard. In questo modello il neutrino e l’anti-neutrino sono particelle distinte.

Ettore Majorana 1906 – 1938 (morte presunta)

Inoltre i neutrini di Weyl permettevano matematicamente la conservazione di un certo “numero leptonico” (un numero quantico derivante da una simmetria accidentale, cioè non giustificata teoricamente), il quale era un concetto molto caro ai fisici dell’epoca.
Il neutrino di Majorana avrebbe invece distrutto la simmetria del numero leptonico, per via della sua struttura matematica (campo L più campo C(L)). Un prezzo alto da pagare.

Lo scacco matto: i neutrini hanno massa!

La svolta arrivò con la scoperta del meccanismo di oscillazione dei neutrini. La cosa più importante che devi sapere di questo meccanismo è che letteralmente non potrebbe avvenire se i neutrini avessero massa nulla:

L’oscillazione dei neutrini IMPLICA che i neutrini hanno massa!

Tale fatto era prettamente sperimentale e si traduce nella questione seguente: la massa c’è, ma di che massa si tratta?

Massa di Dirac o massa di Majorana?

  • Una massa di Dirac cioè un neutrino composto da campi L e R che però interagisce solo con L;
    e l’anti-neutrino (distinto dal neutrino) composto anche lui da L e R, ma che interagisce solo con R.
    Le componenti R e L di neutrino e anti-neutrino rispettivamente sarebbero sterili (non partecipano alle interazioni).
  • Una massa di Majorana cioè il neutrino e l’anti-neutrino sono la stessa particella.

La massa di Dirac manterrebbe conservato il numero leptonico, mentre la massa di Majorana no. La massa di Dirac implica l’esistenza di componenti sterili del neutrino (che non partecipano alle interazioni), un fatto abbastanza misterioso. La massa di Majorana non ha bisogno di misteriose componenti sterili.

Conseguenze: la fine di una simmetria

Come possiamo sapere se la massa dei neutrini è di Dirac o di Majorana? Basta cercare un processo di neutrini che comporti la violazione del numero leptonico. Un processo di questo tipo è noto come “doppio decadimento beta senza neutrini” ed è molto raro, cioé molto difficile da rilevare sperimentalmente (vedi esperimento CUORE).

Se si dovesse osservare tale processo si dimostrerebbe una volta per tutte che i neutrini sono particelle di Majorana (a quasi un secolo dalla sua prematura scomparsa) e si aprirebbero nuovi orizzonti oltre il Modello Standard delle particelle: ad esempio la violazione del numero leptonico potrebbe dare nuova linfa ai modelli cosmologici che cercano di spiegare perché ci sia più materia che anti-materia nel nostro universo!


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Come lo spin nasce dalla relatività

Lo spin è uno dei concetti più astratti da capire in un qualunque corso base di scienza dell’atomo. Spesso se ne dà una rappresentazione “intuitiva” o “semi-classica” come il risultato della rotazione della particella intorno al proprio asse, lasciando ai più curiosi tanti, troppi interrogativi.
Un secolo di teoria quantistica dei campi ci ha invece aiutato a comprendere che la “biglia rotante” è solo un’ approssimazione (seppur molto utile) di un concetto dietro al quale si cela praticamente tutta la struttura della nostra realtà: la relatività speciale.

La scoperta che le particelle hanno uno spin è uno dei trionfi della fisica sperimentale, ma come viene interpretato lo spin nella fisica teorica moderna?

Il principio di relatività e la simmetria di Lorentz

La fisica è fatta di fenomenologia, e tali fenomeni sono studiati dagli osservatori, che possiamo essere tutti noi. Possiamo prendere righello e compasso e tracciare la traiettoria di un corpo sulla nostra personalissima cartina di coordinate.
Un osservatore è detto inerziale se può concordare con tutti gli osservatori che si muovono con velocità costante rispetto a lui su un fatto molto semplice: un corpo esente da forze si muove di moto rettilineo uniforme.
Il punto però è che:

Non esiste un osservatore inerziale più speciale di altri

Se io uso la mia cartina di coordinate, e Pino (che si muove con velocità costante rispetto a me) usa la sua cartina di coordinate, dobbiamo concordare sulle leggi della fisica dei fenomeni che stiamo osservando, per cui deve esistere una trasformazione che colleghi le mie coordinate con le sue: una traduzione da una lingua all’altra che preservi la struttura delle leggi fisiche.

Questo è quello che ci disse Galileo con il suo principio di relatività

Due osservatori inerziali descrivono lo stesso fenomeno fisico usando le loro coordinate. La traduzione che lega i due set di coordinate si chiama “Trasformazione di Galileo” e lascia invariate in forma le leggi della fisica.

Dopodiché venne Einstein e si accorse che le trasformazioni di Galileo non lasciavano invariata la velocità della luce vista da osservatori inerziali, e siccome ciò era in conflitto con le leggi dell’elettromagnetismo, Einstein disse che la relatività di Galileo era solo un’approssimazione di un tipo di trasformazioni di coordinate molto speciale: le trasformazioni di Lorentz

Le trasformazioni di Lorentz lasciano invariata la velocità della luce vista da tutti gli osservatori inerziali dell’universo.

Esiste quindi una struttura matematica ben precisa che permette di tradurre un set di coordinate in un altro, e tale struttura matematica lascia invariate le leggi della fisica ed anche la velocità della luce: è la simmetria di Lorentz.


Le leggi di Newton non rispettano la simmetria di Lorentz, perché sono un’approssimazione che rispetta invece la simmetria di Galileo. La relatività di Einstein ci insegna quindi a teorizzare delle leggi che rispettino la simmetria di Lorentz.

La ricerca di leggi che rispettano la simmetria di Lorentz ci ha condotto a nuova fisica e risultati confermati sperimentalmente

Simmetrie e generatori: la teoria quantistica dei campi

Nella fisica ogni simmetria genera una quantità conservata, e tale quantità può essere interpretata, matematicamente, come il generatore della simmetria.

  • La simmetria per traslazioni implica la conservazione della quantità di moto. Matematicamente una traslazione nello spazio può essere generata dalla quantità di moto.
  • La simmetria per rotazioni implica la conservazione del momento angolare. Matematicamente una rotazione nello spazio può essere generata dal momento angolare.
  • La simmetria per traslazioni temporali implica la conservazione dell’energia. Matematicamente l’evoluzione temporale può essere generata dall’energia di un sistema.
  • …..

e così via.
La relatività di Einstein ha postulato che il mondo debba rispettare una simmetria molto speciale: la simmetria di Lorentz. In questo caso la quantità conservata è una sorta di combinazione tra momento angolare e quantità di moto, che diventano quindi i generatori matematici della simmetria.

Questi generatori soddisfano alcune regole di composizione matematica, e tale fatto permette di rappresentarli in alcuni spazi molti speciali di oggetti matematici. Tali oggetti possono poi essere usati per descrivere i campi delle particelle quantistiche.

Il punto è che gli oggetti che vivono negli spazi delle rappresentazioni dei generatori di simmetria, trasformano in un modo ben specifico sotto la simmetria di Lorentz: questo permette di classificarli.

Siccome i fisici classificano le cose in base a come si comportano sotto le simmetrie, questo fatto ha permesso di catalogare tutte le particelle rivelate sperimentalmente.

Lo spin

Le diverse rappresentazioni dei generatori della simmetria di Lorentz possono essere catalogati con degli speciali numeri interi o semi-interi

E sono questi numeri a decidere in che modo speciale deve trasformare l’oggetto delle rappresentazione
j-esima sotto la simmetria di Lorentz.

Il passo successivo è costruire, per ciascun oggetto che trasforma nel suo modo speciale, una teoria invariante di Lorentz: una teoria di campo i cui quanti di eccitazione sono proprio particelle che, sperimentalmente, interagiscono con il mondo proprio in base al numerino speciale j, altrimenti detto spin.

I campi costruiti con gli oggetti degli spazi j descrivono le particelle che conosciamo:

  • Le particelle con spin j=0: come il bosone di Higgs
  • Le particelle con spin j=1/2: come gli elettroni, i protoni ecc.
  • Le particelle con spin j=1: come il fotone.

Lo spin è quindi un modo per dire “come trasforma quella particella sotto simmetria di Lorentz”?

Le rappresentazioni j della simmetria continuano fino a infinito, nulla lo vieta. Tuttavia non abbiamo ancora osservato sperimentalmente particelle elementari con spin superiore a j=1.


PS. ho scritto un libro di testo che rappresenta proprio ciò che avrei desiderato leggere all’inizio dei miei studi di Fisica teorica, per renderla accessibile a tutti e insegnare le tecniche matematiche necessarie a una sua comprensione. Si chiama “L’apprendista teorico” , dai un’occhiata per vedere di cosa si tratta. Il libro è acquistabile su Amazon.

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Le radici quantistiche della Fisica classica: da dove arriva il principio di minima azione?

Probabilmente avrai sentito parlare delle proprietà degli oggetti quantistici, in particolare della doppia natura ondulatoria-corpuscolare delle particelle. Avrai anche sentito da qualche parte che il mondo macroscopico è solo un’approssimazione di quello quantistico, ma forse non ti è mai stato detto in che senso.

Anche il mondo macroscopico è misterioso!

La fisica macroscopica è dominata dal misteriosissimo principio dell’azione stazionaria, il cui enunciato è:

La traiettoria seguita da un corpo è tale da estremizzare il prodotto fra la differenza di energia cinetica e potenziale e il tempo impiegato a percorrere la traiettoria.

Una traiettoria che unisce i punti A e B per un corpo in caduta libera. La suddividiamo in varie porzioni e per ciascuna calcoliamo la differenza tra energia cinetica T e potenziale U, moltiplicando poi per il tempo impiegato ∆t.

In soldoni: una massa in caduta libera (e quindi sottoposta al potenziale gravitazionale) segue, come sappiamo, una traiettoria rettilinea dall’alto verso il basso.

Fin qui nulla di speciale, non può mica fare le piroette per aria un grave, giusto? Sì, però perché? Andiamo a vedere cosa ha di speciale questa traiettoria.

Se per ogni porzione piccolissima di questa traiettoria calcoliamo la differenza tra energia cinetica ed energia potenziale del grave, e poi moltiplichiamo tale differenza per il tempo impiegato a percorrere tale porzione, e poi sommiamo tutti i risultati delle singole porzioni, otteniamo un certo numero che chiamiamo “S”.

Tieni bene a mente questo numerino “S” dato che è molto speciale, calcolabile per qualsiasi traiettoria e sistema fisico. In sostanza è un’indicazione di quanto eccesso di energia cinetica rispetto all’energia potenziale abbiamo avuto nella traiettoria, e per quanto tempo lo abbiamo avuto.


Se ora immaginiamo di avere poteri soprannaturali per modificare la traiettoria del grave in qualsiasi modo preferiamo, e rifacciamo lo stesso calcolo, scopriamo che è letteralmente impossibile ottenere un valore più basso di quello ottenuto prima, che era “S”. La traiettoria naturale del grave è tale da rendere minimo il numero “S”.

Tradotto: puoi immaginare di far compiere al grave qualche piroetta in aria, prima di farlo cadere dal punto più alto al punto più basso, e il numerino ”S” che provi a calcolare risulterà sempre maggiore di quello ottenuto con la traiettoria rettilinea naturale.
Se invece fai compiere al corpo traiettorie molto vicine a quella naturale, il numero ”S” si discosterà pochissimo da quello originale, cioè ∆S=0.

I punti A e B possono essere uniti da tante traiettorie immaginarie. Il principio dell’azione stazionaria ci dice che la traiettoria effettivamente seguita in natura è quella che estremizza il numero “S”.

I fisici calcolano in questo modo le traiettorie dei corpi nella meccanica classica, cercando cioè quella che minimizza il numero “S”.

Il mistero:


Il motivo per cui ciò debba essere così è letteralmente un mistero: perché la natura fa seguire delle traiettorie che estremizzano o minimizzano quella quantità, e scarta tutte le altre traiettorie?


In che modo il principio più importante della fisica teorica ci è suggerito dalle leggi quantistiche?

La soluzione:

Procediamo per piccoli step. Forse avrai già visto da qualche parte questa immagine, riguardo il comportamento degli oggetti quantistici

Se pratichiamo due fori su una parete S2 e vi facciamo passare un fascio di oggetti quantistici, le loro posizioni di arrivo sullo schermo F si dispongono a strisce, con un pattern ben determinato di interferenza. Se la natura di tali oggetti fosse solo corpuscolare ci aspetteremmo invece, come suggeritoci dall’intuito, solo due strisce, in corrispondenza dei fori.

Questa figura di interferenza è dovuta al fatto che gli oggetti quantistici si comportano come onde, e le onde hanno un modo molto speciale di interagire con l’ambiente: in corrispondenza dei due fori vengono a crearsi due nuove versioni dell’onda incidente, che finiscono poi per interferire tra loro: dove l’interferenza è costruttiva sullo schermo F, osserviamo un massimo (striscia chiara), mentre dove l’interferenza è distruttiva osserviamo un minimo (striscia scura).

I fisici quantistici interpretano il comportamento ondulatorio dicendo “Ok, alla particella è associata una certa ampiezza di probabilità (l’ampiezza dell’onda), e l’ampiezza totale di probabilità di trovare la particella su F deve essere data dalla somma delle ampiezze dei due fori”. La probabilità si trova poi facendo il quadrato dell’ampiezza totale, per cui la probabilità di arrivo in F è

Il quadrato della somma è diverso dalla somma di quadrati. Il termine misto è responsabile dell’interferenza.

Che succede se pratichiamo tre fori invece che due? Indovinato, dobbiamo sommare anche la terza ampiezza e fare il quadrato della somma delle tre. Se invece usiamo quattro fori? La stessa cosa. Ormai dovrebbe essere chiaro.
E se volessimo essere malefici e usare due pareti invece che una sola?

La probabilità di arrivare in O si ottiene facendo il quadrato della somma delle ampiezze B1,B2,B3, ma la probabilità che la particella arrivi in B1,B2 o B3 è data anch’essa dal quadrato della somma delle probabilità di A1,A2,A3. Si può ripetere il ragionamento ricorsivamente aggiungendo altre pareti.

Il fascio di oggetti quantistici parte dalla sorgente S e deve attraversare ora ben due pareti: si “propaga” in maniera probabilistica da ciascun foro A1,A2,A3 verso ciascuno dei fori B1,B2,B3,B4, dai quali, nuovamente, si propagherà per essere raccolto dallo schermo nel punto O con una certa probabilità che dipende da tutte le combinazioni possibili delle probabilità precedenti.

Che succede se al posto di praticare solo tre o quattro fori, usiamo una parete con centinaia, migliaia di fori? Esattamente la stessa cosa: la particella arriverà in O con una probabilità data dalla combinazione di tutte le ampiezze e i modi possibili di arrivare a destinazione.
Concorderai con me che se pratichiamo migliaia e migliaia di fori, è come se stessimo facendo scomparire la parete, ed infatti è proprio qui che sorge l’intuizione di Richard Feynman:

Un oggetto quantistico può propagarsi da S ad O seguendo tutte le traiettorie immaginabili, cioè ciascuna traiettoria, nessuna esclusa, contribuisce alla probabilità che l’oggetto possa essere osservato in O.

Una particella quantistica può arrivare in O seguendo qualsiasi traiettoria immaginabile. Naturalmente certe traiettorie sono semplicemente più probabili di altre, in base al valore del numero ”S”, che assume un ruolo importante anche nella teoria quantistica.

Questa è una proprietà speciale del comportamento ondulatorio degli oggetti quantistici, ma in che modo si ripercuote sul mondo degli oggetti macroscopici?

Il punto cruciale è l’interferenza distruttiva: nel limite macroscopico in cui la scala di energia quantistica diventa molto piccola, sopravvivono solo quelle traiettorie che fanno variare poco il numerino “S” che abbiamo definito in precedenza, dato che l’interferenza distruttiva è tanto maggiore quanto più varia “S”.

Siccome la traiettoria naturale (macroscopica) coincide con il limite estremo del valore di ”S”, abbiamo che ”S” varia molto poco in corrispondenza di traiettorie vicine a quella naturale, che quindi sopravvivono nell’interferenza.
Le altre traiettorie hanno semplicemente una probabilità minuscola di compiersi in natura, per questioni essenzialmente probabilistiche-ondulatorie.

Da qualche parte nel tempo, presente o futuro, potrai osservare un sasso che, nell’atto di cadere da un punto più alto a un punto più basso, compie una traiettoria circolare, poi fa zig zag avanti e indietro, ed infine cade nel punto più basso.

Non hai mai visto una cosa simile accadere? Ti credo bene!
La probabilità che segua questa traiettoria al posto di quella naturale è, quantisticamente parlando, così minuscola che non basterebbe l’età dell’universo per osservarla.



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