“Tutto è quantizzato!” o per ora quasi tutto. Comunque questa è la frase che da secoli si sta cercando di dimostrare veritiera in fisica. Il quanto, da definizione, è la parte minima, discreta e indivisibile, di una certa grandezza. Di conseguenza, qualcosa è “quantizzato” quando non è continuo ed è divisibile in minime parti. In questo articolo avverrà una riflessione su quali sono stati i progressi in questo campo e quali, invece, sono i misteri irrisolti.
- Materia. Nel modello standard, le particelle elementari appartenenti alla materia sono nel gruppo dei fermioni. Quest’ultimo può essere diviso in quark e leptoni. I quark sono, inoltre, separati in 6 diversi sapori (suddivisione minore) i quali sono: up, down, charm, strange, top, bottom. Nei leptoni sono compresi elettroni, muoni e tauoni, e ad ognuno di questi corrispondono un neutrino e un’antiparticella. Ad esempio, ai tauoni corrispondono anche antitauoni e neutrini tauonici.
- Energia. Il gruppo di particelle dedicato alle forze è chiamato dei bosoni. In questo paragrafo si discuteranno le 3 forze (elettromagnetismo, interazione nucleare debole e forte) descritte dal Modello standard delle 4 forze fondamentali esistenti, escludendo la forza di gravità. Il quanto della forza elettromagnetica fu scoperto da Albert Einstein nel 1905 mentre studiava l’effetto fotoelettrico, e si chiama fotone. Poi, la forza nucleare forte è divisibile in minima parte fino al gluone (nome che deriva dal termine glue, ovvero colla). Infine, per l’interazione nucleare debole furono scoperti i bosoni W e Z, prodotti del decadimento radioattivo.
Fino a questo punto si hanno conoscenze ben definite grazie agli acceleratori di particelle presenti a Ginevra al laboratorio di fisica CERN, ma da questo momento in avanti si parlerà unicamente in linea teorica.
- Spazio e tempo. Per questo paragrafo dovremo parlare della figura di Max Planck e in particolare della sua introduzione di un sistema di unità di misura chiamato “unità naturali” che comprende due misure importanti: la Lunghezza di Planck e il Tempo di Planck, che corrispondono rispettivamente a 1,62 x 10 elevato alla -35 metri e 5,39 x 10 elevato alla -44 secondi. Il significato fisico della Lunghezza di Planck non è ancora chiaro, mentre quello del Tempo di Planck è il tempo che la luce nel vuoto impiega a percorrere una distanza pari all’omonima Lunghezza, nonché il lasso di tempo più piccolo misurabile e considerato utile. Le considerazioni potrebbero finire qua ma, se a tutto questo aggiungessimo la teoria delle stringhe, di cui ho trattato nell’articolo “Teoria del tutto”, allora potremmo affermare che la Lunghezza è la dimensione minima che una stringa può avere e, di conseguenza, diventa il quanto dello spazio, poiché qualsiasi lunghezza minore non avrebbe alcun significato. Infine, anche il Tempo di Planck diventerebbe il quanto del tempo, poiché sarebbe il periodo in cui si percorre lo spazio minimo alla velocità massima, pari alla velocità della luce nel vuoto.
- Gravità. Questa forza rimane più aliena e misteriosa delle altre per svariate ragioni, una delle quali è che questa forza sembra non essere quantizzata. Dato il successo nel quantizzare le altre 3 forze, sembra naturale che quest’ultima segua lo stesso corso, tuttavia non esistono prove dell’esistenza dei gravitoni, l’ipotetico quanto della gravità. Esistono teorie che ipotizzano la presenza dei gravitoni, come la Teoria delle stringhe, e invece altre che accettano l’esistenza ma non la richiedono, come ad esempio la Teoria di gravità quantistica a loop.
Ricapitolando, nell’ultimo secolo si sono fatti passi da gigante nella fisica delle particelle, e le scoperte continuano ancora oggi. Non abbiamo idea quanto siamo vicini a raggiungere la conoscenza totale di ciò che ci circonda, però grazie a strumenti sempre più innovativi possiamo fare continuamente nuove scoperte.