E se la massa fosse fatta di vuoto?
Scienza e Fisica Quantistica
Scienza e Fisica Quantistica
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Una nuova teoria suggerisce la possibilità che la massa sia una proprietà emergente dalle fluttuazioni di un vuoto quantistico tridimensionale non-locale
Davide Fiscaletti
Questo articolo è tratto da Scienza e Conoscenza 73.
Sulla base del senso comune abbiamo sempre associato l’idea di massa alla consistenza tangibile. A scuola ci è stato insegnato che la materia non è continua, ma discreta, fatta di corpuscoli elementari. Oggi però, le scoperte della scienza moderna hanno demolito tutti i nostri pregiudizi sull’universo fisico, insegnandoci che, scendendo nelle profondità della materia la nostra realtà tangibile, materiale è fatta di fantasmi intangibili, nel senso che le particelle elementari che compongono ogni atomo non solo fluttuano nel vuoto, ma danno luogo a uno zoo di particelle diverse, molte delle quali caratterizzate da proprietà del tutto assurde.
Il Modello Standard della fisica delle particelle, la teoria fondamentale che identifica le particelle elementari e specifica il modo in cui interagiscono, implica che le particelle elementari della materia – gli invisibili grani ultimi di materia invocati dagli atomisti greci – debbono essere rimpiazzate da campi quantistici e, come tali, risultano essere vibrazioni o fluttuazioni elementari dei campi. La fisica teorica del XX secolo ha sostituito la nozione di spazio “vuoto” con l’idea di un vuoto quantistico unificato come mezzo fondamentale che sottende le forme osservabili di materia, energia e spazio-tempo.
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Come conseguenza delle teorie dei campi quantistici e della cosmologia, il vuoto fisico emerge come un sistema unificato che governa i processi che si svolgono nel micro e nel macromondo, che si manifesta su tutte le scale spazio-temporali. Le particelle reali come elettroni, positroni, fotoni, e così via, così come tutti i corpi macroscopici, sono cioè eccitazioni quantistiche ondulatorie di questo mezzo.
Oggi sappiamo che la massa dell’elettrone è composita, nel senso che può essere vista come la somma di una massa “nuda” (l’ipotetica massa che l’elettrone avrebbe se potesse essere spogliato del campo elettromagnetico) e di una massa elettromagnetica, creata dall’energia delle innumerevoli interazioni tra l’elettrone e il suo stesso campo elettromagnetico, con emissione e assorbimento di fotoni virtuali che lo “rivestono”.
In modo analogo, nell’ambito della cromodinamica quantistica o QCD (quel capitolo del Modello Standard che si occupa delle interazioni nucleari forti tra i costituenti degli adroni) scopriamo che nei protoni e neutroni solo una piccola parte è dovuta alla massa reale dei quark u e d che li compongono, mentre la maggior parte della loro massa è dovuta all’energia delle interazioni tra i quark e i gluoni che li costituiscono.
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Nel Modello Standard, inoltre, tutte le particelle elementari, comprese quelle della materia come i quark e gli elettroni, devono la propria massa all’interazione con il campo di Higgs. A seconda di come le particelle interagiscono con il bosone di Higgs acquisiscono masse differenti. L’introduzione del bosone di Higgs – che va considerata di per sé un po’ ad hoc, astrusa ed artificiale – permette di rompere la simmetriapresente nelle equazioni del Modello Standard, di differenziare le particelle sulla base della loro massa. Da alcuni anni ha fatto molto scalpore la scoperta dei quanti di questo campo, le cosiddette particelle di Higgs, in alcuni esperimenti eseguiti nel più grande acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider (LHC) del Cern di Ginevra.
Nonostante l’osservazione sperimentale dei quanti del campo di Higgs, va tuttavia enfatizzato che questa, di fatto, non risolve – ad un livello fondamentale – il problema del perché effettivamente le particelle della materia ordinaria hanno una massa, la questione dell’introduzione ad hoc del campo di Higgs rimane.
La massa delle particelle, vista come intensità dell’interazione con il campo di Higgs, di fatto deve essere inserita “a mano” nella teoria. Per quale motivo il campo di Higgs dovrebbe avere proprio quella forma? Il Modello Standard non è in grado di spiegarlo. E non è in grado di spiegare, per esempio, perchè il quark d interagisce con il campo di Higgs in maniera più intensa rispetto al quark u, facendo sì che la massa del neutrone sia lievemente maggiore di quella del protone.
Possiamo concludere che la massa, nell’impianto strutturale del mondo, ha perso il suo primato, costituisce cioè una proprietà secondaria: ciò che riconosciamo come massa è in realtà una manifestazione fisica di una più fondamentale energia quantistica, un comportamento di più fondamentali campi quantistici. Ma nell’ambito del Modello Standard corrente, sono presenti numerosi problemi e inghippi dai quali non si riesce a venire fuori...
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