DIZIONARIO DI FISICA MODERNA (A - G)

Acceleratore di particelle del CERN

 A

ACCELERATORE DI PARTICELLE

L'acceleratore, o macchina acceleratrice, di particelle è un dispositivo capace di conferire elevate energie a particelle subatomiche cariche, elettroni, protoni, ecc, mediante l'azione di campi elettrostatici o elettromagnetici. Sono acceleratori elettromagnetici i ciclotroni, i betatroni e i sincrotroni, in cui le particelle vengono accelerate lungo traiettorie spiraliformi o circolari, a differenza degli acceleratori elettrostatici, detti anche acceleratori lineari, in quanto in essi le particelle vengono accelerate lungo traiettorie rettilinee.

ADRONE

Denominazione di una classe di particelle elementari, mesoni e barioni, che, a differenza dei leptoni, del fotone e dei bosoni vettori intermedi, sono soggette alle interazioni forti.

ADRONIZZAZIONE

Processo di produzione di adroni; è un fenomeno caratteristico della cromodinamica quantistica, consistente nella materializzazione in adroni di uno stato costituito da quark, antiquark e gluoni.

ANNICHILAZIONE

Processo nel quale una particella e la corrispondente antiparticella, per esempio un protone e un antiprotone, interagiscono dando luogo a particelle più leggere. Più in generale, ogni processo per cui una massa si trasformi integralmente in energia.

ANTIATOMO

E' chiamato antiatomo di un dato atomo quello costituito da antiparticelle delle particelle che costituiscono l'atomo in questione: positroni, quindi, in luogo di elettroni e, nel nucleo, antiprotoni e antineutroni in luogo di protoni e neutroni.

ANTIBARIONE

Denominazione generica delle antiparticelle dei barioni; sono tali l'antiprotone, l'antineutrone e gli antiperoni.

ANTIDEUTONE

Nucleo di antimateria costituito da un antiprotone e un antineutrone.

ANTIELETTRONE

Altro nome del positrone, in quanto antiparticella dell'elettrone.

ANTIFERROELETTRICITA'

Proprietà di alcune sostanze solide di presentare, al di sotto di una determinata temperatura critica, una disposizione alternativamente antiparallela dei momenti elettrici dipolari molecolari, con una polarizzazione macroscopica praticamente nulla (al limite, nulla allo zero assoluto).

ANTIFERROMAGNETISMO

Particolare caso di ferromagnetismo con struttura di momenti magnetici elementari uguali e quasi antiparalleli (al limite, antiparalleli allo zero assoluto), tali che la loro composizione dà luogo a momenti magnetici molto piccoli (al limite, nulli allo zero assoluto).

ANTILEPTONE

Denominazione generica delle antiparticelle dei leptoni, cioè i tre antineutrini (antineutrino elettronico, antineutrino muonico e antineutrino tauonico), il positrone, il muone positivo e il tauone positivo.

ANTIMATERIA

Complesso dei sistemi costituiti da una o più antiparticelle: in linea di principio, per ogni sistema di particelle costituente la materia ordinaria, nuclei, atomi, ..., possono esistere sistemi altrettanto stabili in cui ciascuna particella è sostituita dalla corrispondente antiparticella. L'universo osservato fino a oggi è composto essenzialmente da materia ordinaria e l'antimateria può essere osservata soltanto per poche particelle alla volta, con appositi esperimenti condotti mediante acceleratori di particelle; il motivo dell'assoluta prevalenza della materia sull'antimateria nell'universo osservato non è ancora chiaro.

ANTINEUTRINO

Denominazione delle antiparticelle dei neutrini: antineutrino elettronico, antineutrino muonico e antineutrino tauonico.

ANTINUCLEONE

Denominazione generica delle antiparticelle dei nucleoni, cioè l'antiprotone e l'antineutrone.

ANTIPARTICELLA

Ogni corpuscolo elementare costituente l'antimateria (quale il positrone, l'antiprotone, l'antineutrone), che corrisponde a una delle particelle ordinarie (per esempio l'elettrone, il protone, il neutrone) con cui ha in comune talune grandezze caratteristiche, come la massa, lo spin e la vita media, distinguendosene invece per altre, uguali ma di segno contrario, come la carica elettrica e il momento magnetico intrinseco.

ANTIQUARK

In fisica delle particelle, denominazione generica delle antiparticelle dei quark.

ANTISIMMETRICO

In meccanica quantistica, detto della funzione d'onda relativa a sistemi composti di due o più particelle identiche di spin semintero.

ANTROPICO (PRINCIPIO)

In fisica il principio antropico è un principio introdotto in diverse forme per giustificare il fatto che i valori assunti da alcune costanti fondamentali (masse e cariche delle particelle elementari, costanti di accoppiamento delle interazioni, massa totale dell'universo, ecc) sono proprio quelli necessari allo sviluppo della vita nell'universo: secondo tale principio, queste costanti non possono avere se non valori vicini a quelli che noi osserviamo, perché altrimenti non si sarebbero sviluppati esseri in grado di compiere queste osservazioni.

ATOMO

Nella filosofia naturale dell'antichità, nell'ambito delle dottrine della limitata divisibilità della materia, ciascuna delle particelle semplici (invisibili, inalterabili e indeformabili) di cui è costituita ogni sostanza, le quali, muovendosi nel vuoto, urtandosi reciprocamente e componendosi in vario modo (erano infatti immaginate con ganci e protuberanze), danno luogo alle cose così come appaiono: gli atomi di Leucippo, di Democrito, di Epicuro, di Lucrezio.

Nella storia del pensiero moderno, la componente ultima della materia, oggetto di varie ipotesi speculative elaborate originariamente da alcuni scienziati e filosofi (Giordano Bruno, Galileo, ecc) in contrapposizione alle dottrine scolastico - aristoteliche, poi da altri (Gassendi, Hartsoeker, ecc, e infine Newton) sviluppate per spiegare, in forma essenzialmente geometrico - meccanica, le proprietà fisiche dei corpi nonché vari fenomeni naturali (teorie corpuscolari della luce, del calore, dell'elettricità) in alternativa alle concezioni (Cartesio, Leibniz, ecc) in base alle quali la materia è continua, suddivisibile all'infinito, estesa in tutto lo spazio e sede di movimenti ondulatori o comunque di processi di propagazione continua. L'atomo di Boscovich, dal nome del matematico e fisico dalmata R. G. Boscovich, 1711-1787, era concepito come punto materiale privo di estensione, circondato da forze attrattive e repulsive con le quali si vorrebbe spiegare l'impenetrabilità, la diversa densità e l'attrazione reciproca dei corpi materiali.

In una formulazione più recente e tuttora valida, l'atomo chimico è la parte più piccola di ciascun elemento, che rimane inalterata nelle reazioni chimiche (pur potendo subire trasformazioni fisiche quali la disintegrazione, l'eccitazione, ecc) ed è caratterizzata dal suo peso o meglio dalla sua massa (peso atomico, massa atomica, diversi da elemento a elemento) e da alcune proprietà di affinità chimica o di legame. Fra le interpretazioni di tipo ancora speculativo, tendenti a collegare proprietà chimiche e fisiche degli atomi, rientrano gli atomi di Dalton (dal nome dello scienziato inglese J. Dalton, 1766-1844), supposti circondati da un'atmosfera di fluido calorico che sarebbe responsabile dell'azione repulsiva tra atomi della stessa sostanza; gli atomi-vortice, atomi che, nell'ipotesi formulata dal fisico inglese W. Thomson, Lord Kelvin (1824-1907), sarebbero costituiti da vortici chiusi ad anello formatisi nell'etere (inteso come mezzo continuo e omogeneo, sede della propagazione delle azioni elettromagnetiche).

Nella fisica e nella chimica contemporanee, il termine passa a indicare, dopo la scoperta dell'elettrone, la configurazione stabile di masse e di cariche elettriche elementari, positive e negative, nella quale consiste la struttura intima della materia: l'atomo di ciascun elemento consta di un nucleo (in cui si concentrano la carica positiva e la massa, a sua volta formato da protoni, carichi positivamente, e neutroni, elettricamente neutri), e di elettroni, in moto attorno al nucleo; il numero dei protoni (numero atomico, che varia da elemento a elemento) uguaglia quello degli elettroni, sicché l'atomo risulta neutro. Lo studio teorico rigoroso della struttura atomica è possibile solo utilizzando la meccanica quantistica, nella quale viene meno il concetto classico di traiettoria e gli elettroni atomici sono descritti in termini di funzione d'onda. Si ha così una rappresentazione dell'atomo profondamente diversa da quella usuale della meccanica classica, ma che fornisce una descrizione esauriente e coerente dei fenomeni atomici. I modelli atomici sono schematizzazioni volte a descrivere la struttura dell'atomo e quindi a spiegarne le proprietà osservabili: in tal senso si parla di atomo di J. J. Thomson, di atomo di E. Rutherford, con riferimento ai nomi degli scienziati che hanno formulato tali schematizzazioni; in particolare l'atomo di Bohr (dal nome del fisico danese N. Bohr, 1885-1962) è una teoria della struttura atomica in base alla quale gli elettroni possono occupare solo particolari orbite permesse, corrispondenti a determinati livelli energetici. L'atomo eccitato è quello in cui gli elettroni occupano livelli energetici più alti (si parla allora di "stati eccitati") di quelli occupati normalmente ("stato fondamentale"); l'atomo esotico, che ha il nucleo o uno degli elettroni sostituito da un'altra particella (particella esotica), per esempio un elettrone sostituito da un muone (atomo muonico), da un mesone K (atomo kaonico), ecc; atomo idrogenoide, atomo ionizzato quasi interamente, conservando soltanto uno dei suoi elettroni; atomo ionizzato, quello che ha un numero di elettroni minore oppure maggiore del numero atomico, risultando quindi elettricamente carico.

ATTRATTORE

Luogo dei punti dello spazio delle fasi a cui tende nel tempo la traiettoria di un sistema complesso, quali che siano le condizioni iniziali (si dice, quindi, che il sistema è "attratto" da questo insieme di punti). Per esempio, per i sistemi dissipativi, che tendono a raggiungere uno stato di equilibrio ben determinato, l'attrattore è in generale costituito da un solo punto; per i sistemi che hanno un moto periodico è invece costituito in genere da una curva chiusa che il sistema ripercorre all'infinito con la frequenza propria. L'attrattore strano è caratteristico di particolari sistemi, la cui traiettoria si aggroviglia, si ripiega su se stessa, mescolandosi in modo estremamente confuso e caotico, senza mai passare due volte per lo stesso punto. È stata la scoperta di questi attrattori (attraverso l'uso del calcolatore elettronico nella simulazione numerica della legge di evoluzione dei sistemi considerati) che ha fatto parlare per la prima volta di caos deterministico, mentre lo studio delle loro proprietà geometriche ha messo in evidenza che essi sono da considerarsi come oggetti frattali, con le caratteristiche proprietà di autosomiglianza e di invarianza di scala.

AUTOENERGIA

In fisica delle particelle, parte dell'energia di una particella dovuta all'interazione delle varie sue parti. Nella teoria dei campi quantizzati, la parte dell'energia di una particella derivante dai processi virtuali di emissione e assorbimento di altri tipi di particelle.

AUTOFUNZIONE

In meccanica quantistica, e con riferimento a un operatore relativo a una grandezza fisica, la funzione d'onda che costituisce un autostato dell'operatore stesso.

AUTOSTATO

In meccanica quantistica, ogni stato dinamico la cui funzione d'onda (o il cui vettore di stato) è un'autofunzione (o un autovettore) di un operatore relativo a una grandezza fisica.

B

BANDA

In fisica atomica, la banda di livelli energetici o banda di energia è un insieme di livelli energetici contigui; tali insiemi, alcuni dei quali hanno una denominazione particolare (banda di conduzione, banda di valenza), sono separati da intervalli di energia, detti bande proibite, corrispondenti a livelli energetici non possibili per gli elettroni.

In spettroscopia, si dice a bande uno spettro costituito da gruppi di righe così vicine una all'altra da dar l'impressione di fasce pressoché continue; sono, in genere, di questo tipo gli spettri molecolari.

BARIONE

In fisica delle particelle, denominazione degli adroni di spin semintero (nucleoni, iperoni e altre particelle più pesanti), introdotta in quanto i nucleoni sono più pesanti dei mesoni e leptoni più comuni.

BARIONICO (NUMERO)

Il numero barionico, di un nucleo o di un sistema di particelle, è il numero che si ottiene attribuendo il valore +1 a ogni barione presente nel nucleo o nel sistema stesso, -1 a ogni antibarione, zero a ogni altra particella, e effettuando la somma algebrica; il principio di conservazione del numero barionico è il principio, posto in dubbio dalle teorie più recenti, secondo il quale in ogni reazione nucleare il numero barionico dello stato finale è uguale al numero barionico dello stato iniziale.

BARN

In fisica nucleare, unità di misura della sezione d'urto in processi nucleari, pari a 10^-24 cm².

BEAUTY (BOTTOM)

In fisica delle particelle elementari, numero quantico di sapore di quark, detto anche bottom e indicato con il simbolo b o B, nonché del quark che lo porta.

BECQUEREL

Unità di misura SI dell'attività di un radioisotopo (simbolo: Bq); corrisponde a una disintegrazione al secondo.

BETA (PARTICELLE)

Le particelle o raggi beta sono particelle emesse dai nuclei di certe sostanze radioattive, costituite da elettroni veloci: ionizzano i gas che attraversano e sono leggermente deviate dagli atomi che incontrano (l'emissione di una particella beta è dovuta alla trasformazione, detta decadimento beta, di un neutrone del nucleo in un protone); la radioattività beta è la radioattività associata all'emissione di elettroni da parte di nuclei atomici.

BETATOPICO (NUCLEO)

In fisica nucleare, sono detti betatopici due nuclei che abbiano uguale numero di massa e differiscano di una unità nei numeri atomici, cosicché l'uno possa pensarsi derivato dall'altro in conseguenza dell'emissione di una particella beta.

BETATRONE

Macchina atta ad accelerare elettroni sino a far loro raggiungere velocità paragonabili a quella delle particelle beta naturalmente emesse dalle sostanze radioattive; è principalmente usata per ricerche sui raggi X e gamma e sulle loro applicazioni in fisica nucleare, medicina, biologia, metallurgia.

BEVATRONE

In fisica nucleare, protosincrotrone, cioè sincrotrone per protoni, capace di fornire protoni con energia dell'ordine di alcuni GeV.

BINEUTRONE

Particella elementare neutra e con numero di massa circa 2, di qui il nome, di cui è stata ipotizzata l'esistenza per spiegare determinati fenomeni nucleari.

BOOTSTRAP

In fisica delle particelle elementari, modello per il quale ogni particella è costituita da una sovrapposizione di tutte le altre.

BOSONE

Classe di particelle di spin intero che obbediscono alla statistica di Bose - Einstein e per le quali non vale il principio di esclusione di Pauli. Sono dette bosoni intermedî le particelle W± e Z° che propagano le interazioni deboli tra i quark e i leptoni.

Il bosone di Higgs è una particella scalare (ossia di spin nullo) elementare, non ancora osservata ma essenziale nel modello standard delle particelle elementari, dove rappresenta il fattore di conferimento della massa.

BRADIONE

In teoria della relatività, denominazione generica delle particelle (elettroni, neutrini, ecc), che si muovono a velocità inferiore a quella della luce.

C

CAMPO

Con significato generico il campo è la regione di spazio dove è definita una grandezza fisica; nella fisica moderna, è la grandezza funzione del punto (per esempio, la temperatura in un fluido, la forza agente su una carica o su una massa puntiforme), descritta da una variabile scalare, spinoriale, vettoriale o tensoriale definita in funzione delle coordinate in una certa regione dello spazio. Si parla, a seconda dei casi, di campo scalare, campo spinoriale, campo vettoriale, campo tensoriale; in particolare, di campo di forza, per esempio il campo elettrico (campo vettoriale il cui vettore è la forza agente per unità di carica), il campo gravitazionale, il campo magnetico. In generale si possono avere campi stazionari, o statici, cioè costanti nel tempo, oppure variabili , cioè dipendenti dal tempo. I campi vettoriali possono essere irrotazionali, se è identicamente nulla la circuitazione del campo, ovvero, per un campo di forza, se si annulla il lavoro della forza lungo un cammino chiuso (campo conservativo); o solenoidali, quelli le cui linee di flusso sono chiuse, ovvero che non hanno sorgenti. La teoria dei campi è lo studio delle proprietà generali delle grandezze descrivibili come campi.

CAOS

In matematica e in fisica, pur mantenendo un collegamento metaforico con il suo significato ordinario, il termine ha assunto un'importanza crescente, specialmente nello studio dei sistemi complessi: si dice che un sistema tende al caos quando le sue leggi di evoluzione comportano, dopo un certo caratteristico intervallo di tempo, comportamenti del tutto imprevedibili e irregolari, mancando qualsiasi forma di correlazione tra stati successivi. In particolare, si parla di caos deterministico per indicare una proprietà di sistemi retti da leggi di evoluzione perfettamente deterministiche, tali però che una minima differenza nelle condizioni iniziali produce evoluzioni enormemente diverse; dato che le condizioni iniziali, nei sistemi reali, sono sempre affette da una seppur minima incertezza, lo stato dei suddetti sistemi finisce per essere assolutamente imprevedibile dopo un certo intervallo di tempo, dando luogo al cosiddetto effetto farfalla. A differenza del caos deterministico, il caos stocastico riguarda comportamenti irregolari e imprevedibili, derivanti non dalla dinamica intrinseca del sistema stesso, ma da agenti perturbatori esterni che agiscono in maniera del tutto casuale e non correlata.

CARICA

La carica elettrica, anche quantità di elettricità o, più raramente, massa elettrica, è grandezza fisica caratteristica dei corpi elettrizzati: sua unità di misura è il coulomb (C). Carica positiva, carica negativa sono espressioni con le quali si designano le due specie di carica, dette in passato, rispettivamente, vetrosa e resinosa (in quanto caratteristiche, la prima, del vetro elettrizzato, la seconda dell'ambra) e ipotizzate per spiegare il comportamento dei corpi elettrizzati: essi infatti si attraggono o si respingono a seconda che posseggano cariche di specie diversa oppure della stessa specie. La carica elementare, o quanto di elettricità, è la carica elettrica (negativa) di un elettrone, che è uguale in valore assoluto alla carica (positiva) di un protone, ma è di segno opposto; la carica puntiforme è la carica posseduta da un corpo le cui dimensioni lineari siano molto piccole rispetto alle distanze tra esso e gli altri corpi; invece la carica indotta è la carica elettrica che si manifesta sulla superficie di un conduttore esposto all'azione di un campo elettrico; infine la carica magnetica è sinonimo poco usato di massa magnetica o polo magnetico. In fisica delle particelle, carica blu, rossa, gialla di un quark sono sinonimi di colore.

CASCATA (PROCESSO A)

In fisica il termine qualifica fenomeni o processi in cui si verificano eventi in successione; in particolare, il processo di moltiplicazione cui dà luogo una particella (protone, elettrone, fotone) primaria, di sufficiente energia: protoni, fotoni in cascata, o anche cascata di fotoni, ecc; in condizioni adatte l'energia può essere ceduta, in successivi processi elementari, a un certo numero di particelle (secondarie), che a loro volta con analoghi processi cedono la propria energia ad altre particelle (terziarie) e così di seguito.

CATODICO (RAGGIO)

I raggi catodici sono una forma particolare di radiazione, composta da cariche elettriche elementari negative (elettroni), che si propaga rettilineamente all'interno di un tubo a vuoto nella direzione che va dal catodo all'anodo, quando tra questi esiste una sufficiente differenza di potenziale e la pressione del gas all'interno del tubo è abbastanza bassa; il tubo a raggi catodici, o semplicemente tubo catodico, è un'ampolla di vetro di forma allungata, contenente in genere un gas inerte, nel quale i raggi catodici emessi da un catodo vengono accelerati da un anodo e colpiscono uno schermo trattato con una sostanza fluorescente determinandovi una macchia luminosa: il tubo catodico, perfezionato con l'aggiunta di dispositivi per la focalizzazione e la deflessione dei raggi mediante campi elettrici o magnetici esterni, è parte costitutiva di svariati strumenti e apparecchi, per esempio dell'oscillografo a raggi catodici e del televisore.

CATTURA

Processo in virtù del quale una molecola, un atomo, un nucleo si associano una particella; i processi di cattura hanno particolare importanza nella fisica nucleare e danno luogo a una categoria di reazioni nucleari appunto dette reazioni di cattura.

CHARM

In fisica delle particelle, denominazione di uno dei sapori di quark e del relativo numero quantico, di simbolo c.

CHARMONIO

In fisica delle particelle, famiglia di mesoni costituiti da un quark c e da un anti-quark c; spettro del charmonio è l'insieme dei valori delle masse dei costituenti del charmonio.

CHIRALITA'

La proprietà delle strutture chirali di non essere sovrapponibili alla propria immagine speculare. In fisica delle particelle, per tale proprietà, posseduta dalle particelle di spin 1/2 si parla di chiralità positiva oppure negativa a seconda che lo spin sia parallelo oppure antiparallelo al momento.

CICLOTRONE

In fisica nucleare, acceleratore di particelle cariche pesanti (protoni, particelle alfa, ecc.) in cui un campo elettrico alternato, di frequenza opportuna, imprime accelerazioni ripetute alle particelle che si muovono su una spirale di raggio crescente; può produrre fasci di particelle con energia fino a qualche centinaio di MeV. Ciclotrone a modulazione di frequenza è sinonimo di sincrociclotrone. La frequenza di ciclotrone è la frequenza del moto circolare uniforme che una particella carica assume in un campo magnetico trasversale uniforme nel quale essa venga lanciata.

COLLASSO

In astrofisica il collasso gravitazionale di una stella o, genericamente, di un sistema materiale in equilibrio radiativo, è la situazione in cui le azioni attrattive gravitazionali interne non sono più equilibrate dalla pressione di radiazione a causa di una minore efficienza dei processi di irraggiamento (per le stelle, reazioni termonucleari) e si ha una rapida contrazione delle dimensioni, sino al passaggio della materia nel cosiddetto stato degenere, nel quale, venendo meno le normali strutture atomiche, si ha un enorme addensamento delle particelle subatomiche, e, quindi, uno straordinario aumento della densità, accompagnato, nel caso di una stella giunta alla fase finale della sua evoluzione, dalla emissione di un'enorme quantità di energia sotto forma di radiazioni gravitazionali ed elettromagnetiche o di parte del materiale che costituisce la stella: risultato finale di tale processo potrebbe essere la formazione, a seconda del valore della massa residua della stella, di un buco nero o di una stella di neutroni.

In meccanica quantistica il collasso della funzione d'onda è il passaggio di un sistema microscopico da uno stato in cui una grandezza fisica del sistema può assumere valori diversi secondo una distribuzione di probabilità a uno stato in cui tale grandezza assume un valore definito: passaggio provocato da un qualunque processo di misura della grandezza in questione, che necessariamente interferisce col sistema che si vuole osservare.

COLORE

In fisica delle particelle è detto colore, o carica di colore (colore blu, rosso, giallo, carica blu, rossa, gialla), un ipotetico numero quantico associato ai quark che ne caratterizza le reciproche interazioni e altre proprietà specifiche: per esempio, la possibilità che due quark, identici per quanto riguarda gli altri numeri quantici, e che quindi per il principio di esclusione di Pauli non potrebbero trovarsi nello stesso stato, si accoppino per formare un'altra particella.

COMPLEMENTARITA'

Nella meccanica quantistica, il principio di complementarità è quello secondo il quale i fotoni e i quanti in genere, nonché le particelle elementari, danno luogo a fenomeni di duplice aspetto, corpuscolare e ondulatorio, con contraddizione solo apparente, dal momento che i due aspetti non si manifestano mai simultaneamente, ma appaiono piuttosto come complementari l'uno all'altro.

CONFINAMENTO

In fisica dei plasmi s'intende l'applicazione di opportuni campi magnetici esterni che mantengono le particelle cariche veloci costituenti un plasma ad alte temperature dentro una limitata zona di spazio, riducendo la spontanea diffusione delle particelle verso le pareti del contenitore, dove la ricombinazione tra elettroni e ioni risulta rapidissima; tale tecnica è nota come confinamento magnetico per distinguerla da un'altra tecnica che per lo stesso scopo, volto a ottenere reazioni di fusione nucleare, utilizza processi di implosione (confinamento inerziale). In fisica delle particelle, il confinamento dei quark descrive il fatto che i quark non possono trovarsi che nell'interno di un adrone, per cui è impossibile isolare un quark separandolo dagli altri che costituiscono un adrone, in quanto la forza attrattiva tra i quark è tanto maggiore quanto maggiore è la loro distanza. In fisica nucleare, il confinamento chimico è una tecnica per ottenere l'innesco di reazioni nucleari di fusione a temperatura ordinaria (cosiddetta fusione nucleare fredda), basata sulla proprietà di alcuni metalli di assorbire gli isotopi dell'idrogeno.

CONIUGAZIONE (DI CARICA)

In fisica delle particelle elementari, la coniugazione di carica è un'operazione che trasforma una particella nella corrispondente antiparticella.

CONSERVATIVO (CAMPO)

In fisica, un campo conservativo è un campo vettoriale che deriva da un potenziale monodromo; la denominazione deriva dal fatto che l'energia totale di un corpo soggetto alle sole azioni del campo, e in moto nel campo stesso, si conserva, durante il moto, invariata. La forza conservativa è quella di un campo di forza conservativo, quale, tipicamente, una forza centrale dipendente dalla sola distanza, e quindi una forza gravitazionale, elastica, tra cariche elettriche puntiformi.

CONSERVAZIONE

Con riferimento a una grandezza, a una proprietà fisica e simili, è il mantenersi invariato nel corso di determinate azioni, trasformazioni, reazioni: conservazione della massa, dell'energia, conservazione della carica elettrica, conservazione della quantità di moto.

CONTINUO (SPAZIO - TEMPORALE)

Il continuo spazio-temporale, nelle teorie relativiste, è lo spazio a quattro dimensioni (o cronotopo), di cui la quarta è il tempo.

CORRISPONDENZA (PRINCIPIO DI)

In fisica il principio di corrispondenza è quello che asserisce che le leggi della meccanica quantistica assumono la stessa forma delle leggi della fisica classica quando entrano in gioco transizioni tra stati caratterizzati da numeri quantici aventi valori molto elevati e poco diversi tra loro.

CREAZIONE (DI COPPIE)

Formazione di particelle dovuta a trasformazione di energia in materia; la creazione di coppie è il processo per cui un fotone di elevata energia, attraversando la materia, si annichila originando una coppia elettrone-positrone.

CROMODINAMICA QUANTISTICA (QCD)

In fisica delle particelle, la cromodinamica quantistica è la teoria dell'interazione e dell'accoppiamento tra quark nella quale interviene in modo determinante l'ipotesi di esistenza del colore, cioè del numero quantico che caratterizzerebbe proprietà specifiche dei quark.

CRONOTOPO

Spazio a quattro dimensioni (le tre coordinate spaziali più il tempo) che si immagina nella teoria della relatività con l'intento di mettere in luce il legame tra le misure spaziali e temporali.

CURIE

Unità di misura della radioattività (simbolo Ci), definita come la quantità di un qualsiasi nuclide radioattivo che presenta un numero fisso, molto elevato (3.7 ∙ 1010), di disintegrazioni al secondo, corrispondente all'incirca alla radioattività di 1 g di radio. Nell'uso pratico, più che il curie sono adoperati i sottomultipli microcurie e picocurie.

E

ECCITONE

In fisica, denominazione di una coppia elettrone-lacuna in uno stato eccitato di un cristallo elettricamente neutro.

EFFETTO COMPTON

Fenomeno consistente nel fatto che, se una lamina di materiale contenente elementi a basso peso atomico viene investita da un fascetto di raggi X, parte dei raggi diffusi ha una lunghezza d'onda maggiore di quelli incidenti, mentre si ha simultaneamente emissione di elettroni.

EFFETTO DOPPLER (ASTROFISICA)

Nella propagazione per onde, fenomeno, scoperto per le onde sonore, ma che si verifica anche per le onde elettromagnetiche (radioonde, luce, ecc), che consiste nell'apparente variazione di frequenza delle onde emesse da una sorgente in moto relativo rispetto a un osservatore: se la distanza tra sorgente e osservatore diminuisce, quest'ultimo attraversa un maggior numero di superfici d'onda, le quali gli appaiono più addensate, con conseguente impressione di una maggiore frequenza della sorgente (l'inverso accade se l'osservatore e la sorgente si allontanano tra loro); tale effetto è rappresentato, nel caso delle onde luminose, dal fatto che nello spettro di galassie distanti dalla nostra è rilevabile uno spostamento verso il rosso, cioè verso frequenze più basse, il che è considerato una prova che le galassie si allontanano tra loro, e che l'universo è in espansione.

ELETTRODEBOLE (TEORIA)

In fisica, inerente alla teoria unificata delle interazioni elettromagnetiche e deboli: forza elettrodebole, interazioni elettrodeboli.

ELETTRODINAMICA

Parte dell'elettrologia che ha per oggetto lo studio delle mutue azioni tra circuiti percorsi da corrente (azioni elettrodinamiche) e, più in generale, delle interazioni tra cariche in moto e campi elettromagnetici. Con riferimento a quest'ultima accezione, è detta elettrodinamica classica quella in cui non s'introduce la quantizzazione del campo elettromagnetico: in particolare, elettrodinamica relativistica classica, quando le cariche si muovono con velocità prossima a quella della luce ed elettrodinamica quantistica quella in cui le cariche e i campi elettromagnetici sono trattati su basi quantistiche.

ELETTRONE

In fisica, particella elementare leggera, portatrice di una carica elettrica negativa, costituente la carica elementare, o quanto di elettricità, e di cui tutte le cariche elettriche osservate sono multipli interi (a parte il segno); viene detto anche elettrone negativo quando vi sia possibilità di equivoco con la sua antiparticella, l'elettrone positivo o positrone. Gli elettroni appartengono alla famiglia dei leptoni e possiedono una carica di 1.602∙10^-19 coulomb e una massa di 9.1083∙10^-31 kg, pari a circa 1/1840 della massa dell'atomo di idrogeno; sono dotati di spin semintero e, distribuiti in orbite attorno a un nucleo carico di elettricità positiva, formano con esso l'atomo. Con elettrone di conduzione si denomina l'elettrone al cui moto, in seno a un mezzo materiale, è dovuta la conducibilità termica ed elettrica del mezzo stesso; è detto anche libero, in quanto ha la possibilità di passare in continuazione da un atomo all'altro, in contrapposizione all'elettrone legato, che è invece fortemente vincolato al nucleo dell'atomo. Gli elettroni ottici sono gli elettroni delle orbite esterne di un atomo in quanto capaci di dar luogo a emissione di energia nel campo visibile. Infine gli elettroni di valenza sono quelli dello strato più esterno dell'atomo, responsabili dei vari tipi di combinazione chimica.

ELETTRON-VOLT

Unità di misura dell'energia (detta anche voltelettrone), largamente usata in fisica atomica, nucleare e subnucleare, e indicata con il simbolo eV; equivale a 1.6∙10^-19 joule, pari al lavoro fatto dalle forze di un campo elettrostatico quando un elettrone si sposta da un punto a un altro tra i quali esista una differenza di potenziale di un volt.

ELETTROSINCROTRONE

Sincrotrone specificamente destinato ad accelerare elettroni mediante un campo elettrico applicato di frequenza fissa.

ELICITA'

Nella fisica delle particelle, la proiezione dello spin di una particella lungo la direzione del suo impulso.

ENTROPIA

In termodinamica, funzione di stato di un sistema la cui variazione nel passaggio del sistema da uno stato a un altro può essere calcolata, considerando una trasformazione ideale reversibile tra i due stati, come somma dei rapporti tra le quantità di calore scambiate con l'ambiente in ogni tratto della trasformazione e le temperature assolute alle quali avvengono gli scambi (in generale, considerando tratti infinitesimi, e quindi quantità di calore infinitesime, la somma è espressa sotto forma di integrale): l'entropia si misura quindi in calorie o in joule per grado Kelvin. Nelle trasformazioni reali, irreversibili, di un sistema isolato, in base al secondo principio della termodinamica, la variazione dell'entropia è sempre positiva, e l'entropia tende quindi a un massimo, al quale corrisponde la cessazione di ogni ulteriore evoluzione spontanea del sistema (principio che, applicato all'intero universo, ha dato luogo all'ipotesi di una sua morte termica): l'entropia può considerarsi come un indicatore temporale (freccia del tempo) poiché assegna un verso alla successione degli stati del sistema. In meccanica statistica, l'entropia è funzione crescente della probabilità dello stato macroscopico di un sistema, e precisamente risulta proporzionale al logaritmo del numero delle configurazioni microscopiche possibili per quello stato macroscopico: la tendenza all'aumento dell'entropia di un sistema isolato corrisponde dunque al fatto che il sistema evolve verso gli stati macroscopici più probabili; essendo in generale la probabilità di uno stato inversamente proporzionale al suo grado di organizzazione e di ordine, l'entropia è anche considerata una misura del disordine e dell'indifferenziazione di un sistema, e come tale viene assunta anche al di fuori del campo strettamente fisico.

Nella teoria dell'informazione, quantità media d'informazione contenuta in un insieme statistico di messaggi, che formalmente è l'opposto dell'entropia termodinamica.

ESOTICO (ATOMO)

In fisica nucleare, il termine è usato con il significato traslato di singolare, irregolare: per esempio, atomo esotico (o strano), atomo in cui uno degli elettroni dell'orbita più esterna sia stato artificialmente sostituito da una opportuna particella di carica negativa e di massa maggiore di quella elettronica; ciò permette di realizzare orbite elettroniche più prossime al nucleo e di ottenere informazioni sulla struttura di quest'ultimo e sulla natura delle forze nucleari.

ESPANSIONE (DELL'UNIVERSO)

 In astronomia, l'espansione dell'Universo è la teoria che, formulata nel 1923, ha trovato negli ultimi decenni importanti conferme, fondata sulla constatazione che le righe dello spettro della luce emessa dalle altre galassie presenta uno spostamento verso il rosso proporzionale alla distanza delle galassie stesse, indizio del fatto che esse si allontanano dalla nostra e fra loro.

F

FARFALLA (EFFETTO)

In fisica e nella teoria dei sistemi complessi, l'effetto farfalla è la denominazione metaforica corrente della proprietà, presentata dai sistemi soggetti a caos deterministico, di rispondere in modo abnorme e imprevedibile a una piccola alterazione delle condizioni iniziali: la locuzione deriva dall'asserzione che il battito d'ali di una farfalla in India può essere la causa di un uragano nel Mar dei Caraibi, asserzione con la quale si esprime in forma paradossale il carattere caotico del sistema atmosferico e la conseguente impossibilità di principio di effettuare previsioni meteorologiche attendibili oltre una certa data.

FASCIA (DI VAN ALLEN)

Nella fisica dello spazio le fasce di radiazione o di Van Allen, dal nome del fisico americano J. A. Van Allen che le ha scoperte, sono due regioni di forma toroidale che hanno per asse comune quello magnetico terrestre e la cui distanza media dalla superficie terrestre è rispettivamente di circa 3000 km per la prima e di 18.000 km per la seconda; sono caratterizzate da una elevata densità di particelle cariche ad alta energia, le cui radiazioni risultano nocive per l'organismo umano.

FERMIONE

Termine con cui, in fisica, si indicano le particelle elementari di spin semintero che obbediscono alle leggi della statistica di Fermi: elettroni, neutroni, protoni, ecc.

FERROMAGNETISMO

Caratteristica del ferro e delle altre sostanze (nichel, cobalto e molte loro leghe) che, al di sotto di una determinata temperatura (temperatura di Curie), presentano una grande capacità di magnetizzarsi, con una magnetizzazione che cresce al crescere del campo magnetizzante, peraltro raggiungendo un valore massimo (di saturazione), di cui conservano la maggior parte se si rimuove il campo magnetizzante, restando così stabilmente magnetizzate (fenomeni dell'isteresi magnetica e della magnetizzazione residua, caratteristici di esse); tali materiali sono quindi adatti per costruire sia potenti elettromagneti sia magneti permanenti, dando pertanto luogo a molte importanti applicazioni (soprattutto macchine elettriche generatrici, motrici e trasformatrici).

FERTILE (ISOTOPO)

In fisica nucleare, isotopi di certi elementi chimici (torio, uranio) non adatti a essere utilizzati direttamente come combustibile nucleare ma che si trasformano in materiale fissile, cioè combustibile, per assorbimento di neutroni.

FERTILITA'

In fisica nucleare, il numero di neutroni che si liberano in media per ogni neutrone termico assorbito da un combustibile nucleare.

FERTILIZZAZIONE

In fisica nucleare, processo di conversione di materiale fertile in materiale fissile.

FISSILE (NUCLIDE)

In fisica nucleare, detto di nuclide suscettibile di scindersi per fissione; con significato più specifico, di materiale contenente nuclei che subiscono la fissione per azione di neutroni di qualunque energia.

FISSILITA'

In fisica nucleare, proprietà dei nuclidi, appunto detti fissili, suscettibili di subire una reazione di fissione.

FISSIONE

Reazione nucleare consistente nella divisione di un nucleo pesante in due nuclei di elementi più leggeri, o più raramente in tre (fissione ternaria), le cui masse sono dello stesso ordine di grandezza, generalmente accompagnata dall'emissione di neutroni, di raggi gamma o, raramente, di piccoli frammenti nucleari carichi (frammenti di fissione); a seconda del tipo di neutrone (rispettivamente neutrone termico e neutrone veloce) scagliato contro il nucleo per dare inizio alla reazione, può distinguersi in fissione termica e fissione veloce (quest'ultima interessa nuclei molto pesanti); la fissione si dice poi a catena quando le particelle prodotte sono in grado di dare origine a nuovi processi di fissione. La fissione spontanea, quella che può prodursi in taluni nuclei pesanti senza apporto di energia dall'esterno.

FLAVOUR

Nella fisica delle particelle, termine corrispondente a quello italiano sapore, con cui si indica uno dei numeri quantici che distinguono i quark.

FONONE

Quanto di energia associato a un'onda elastica in analogia col fotone, che è il quanto di energia associato a un'onda elettromagnetica.

FOTINO

In fisica delle particelle elementari, ipotetica particella che rappresenta il partner supersimmetrico del fotone.

FOTOELETTRONE

Elettrone emesso dalla superficie di un corpo per effetto fotoelettronico esterno, o liberatosi in seno a una sostanza per effetto fotoelettronico interno.

FOTOFISSIONE

Processo di fissione nucleare provocato da fotoni di grande energia (raggi gamma).

FOTOIONIZZAZIONE

Fenomeno in virtù del quale fotoni di sufficiente energia, interagendo con gli atomi di un mezzo materiale, estraggono dalla loro orbita elettroni periferici, dando quindi luogo alla creazione di elettroni liberi (fotoelettroni) e di ioni positivi (fotoioni).

FOTOMAGNETICO (EFFETTO)

L'effetto fotomagnetico è un'anomalia magnetica dei protoni e dei neutroni prodotti da deutoni disintegrati a opera di raggi gamma.

FOTONE

Quanto di energia elettromagnetica (detto anche quanto di radiazione); più precisamente, la particella, priva di massa, di carica elettrica nulla e spin 1, di cui è costituita la radiazione elettromagnetica, e che, in elettrodinamica quantistica, è il mediatore delle interazioni elettromagnetiche tra particelle cariche.

FOTONEUTRONE

Neutrone prodotto in una reazione fotonucleare (per esempio nella fotodisintegrazione dei deutoni).

FOTOPROTONE

Protone prodotto in una reazione fotonucleare (per esempio, nella fotodisintegrazione di deutoni).

FRECCIA (DEL TEMPO)

Freccia del tempo è una nozione introdotta per significare che, in relazione all'irreversibilità di molti fenomeni fisici, che procedono spontaneamente nel verso nel quale cresce l'entropia dei sistemi da essi interessati, v'è anche da considerare un'anisotropia del tempo, segnalata appunto dalla detta freccia orientata nel verso dell'entropia crescente.

FUSIONE

Reazione nucleare nel corso della quale nuclei leggeri si uniscono, ridistribuendo i propri nucleoni tra i prodotti della reazione stessa, uno dei quali è comunemente più pesante dei nuclei di partenza, a condizione che essi abbiano energia cinetica (energia di fusione) superiore alle forze elettrostatiche di repulsione che si manifestano tra di loro; per ottenere tale condizione è necessario portare le particelle interagenti a temperature molto elevate, donde il nome di reazione termonucleare correntemente dato alla reazione di fusione. Accanto a questa fusione «calda» si considera anche la possibilità di ottenere una fusione fredda, cioè a temperatura ambiente, ricorrendo a processi di confinamento per via chimica di atomi di idrogeno in determinate sostanze (per esempio, palladio) oppure ricorrendo a processi di catalisi.

G

GAMMA (RAGGIO, EFFETTO)

L'effetto gamma è l'emissione secondaria di elettroni da parte di un metallo investito da ioni positivi (per esempio, da parte del catodo di un tubo a scarica); i raggi gamma sono radiazione elettromagnetica ad altissima frequenza emessa da nuclei radioattivi, derivante da transizioni fra due livelli energetici nucleari (per estensione, con la stessa espressione sono indicati anche i fotoni di alta energia).

GAP (ENERGETICO)

Con accezione specifica, in fisica dello stato solido, gap di energia (o energetico) è l'insieme dei livelli energetici (formanti una banda) interdetti ai costituenti fisici di un sistema (elettroni, ecc) e compresi tra due bande di livelli consentiti.

GAUGE

Termine con cui viene indicata una particolare scelta o convenzione in base alla quale determinati enti acquistano certe proprietà. In elettrodinamica, la scelta riguarda le componenti del potenziale vettore in relazione ai campi elettrico e magnetico, che altrimenti sarebbero indeterminate. In fisica delle particelle elementari, si chiamano teorie di gauge, per analogia con l'elettrodinamica, teorie che risultano invarianti per trasformazioni di gauge dei potenziali elettrodinamici; esse sono basate su una simmetria locale detta simmetria di gauge, nella quale compaiono campi vettoriali detti campi di gauge. L'importanza di tali teorie deriva dal fatto che si pensa che tutte le interazioni esistenti in natura siano esprimibili come teorie di gauge, nelle quali i campi di gauge rappresentano i campi di forza nelle interazioni.

GEIGER (CONTATORE)

Denominazione abbreviata, nell'uso corrente, del contatore di Geiger, rivelatore di particelle ionizzanti inventato e messo a punto dal fisico tedesco H. Geiger.

GHOST

Campo o particella fittizia che viene introdotta per motivi formali (per esempio, nella quantizzazione di certe teorie di gauge).

GIROMAGNETICO (RAPPORTO)

Detto di fenomeni in cui fatti magnetici sono legati a moti di rotazione, o di rivoluzione, e anche di grandezze connesse con tali moti: rapporto giromagnetico, di una particella animata da un moto di rivoluzione o di rotazione, rappresenta il rapporto tra il momento angolare e il momento magnetico.

GLUINO

In fisica delle particelle, ipotetica particella che rappresenta il partner supersimmetrico del gluone.

GLUONE

In fisica delle particelle, particella priva di massa appartenente alla classe dei bosoni e dotata di spin unitario, che rappresenta, nella teoria della cromodinamica quantistica, il quanto che propaga le interazioni forti tra quark.

GOCCIA (MODELLO A)

In fisica nucleare, modello a goccia, modello del nucleo atomico secondo il quale quest'ultimo è assimilato a una goccia liquida, carica positivamente.

GRAVITAZIONALE (ONDA)

Onda gravitazionale, campo che, propagandosi nel vuoto a velocità pari a quella della luce, induce nei corpi materiali che investe una distribuzione di sforzi di tipo tensoriale la cui direzione giace nel piano ortogonale alla direzione di propagazione (tale fenomeno è previsto dalla teoria della relatività generale e non ha ancora ricevuto definitiva conferma sperimentale).

GRAVITINO

In fisica teorica, particella elementare che rappresenta il partner supersimmetrico del gravitone.

GRAVITOMAGNETICO (EFFETTO)

Effetto gravitomagnetico, fenomeno, analogo al magnetismo generato da una carica elettrica in moto, previsto dalla relatività generale nel caso di una massa in movimento; si sta cercando di rivelarlo sperimentalmente.

GRAVITONE

Quanto di energia gravitazionale (così detto per analogia col fotone, che rappresenta il quanto di luce).

GUSCIO (ELETTRONICO)

Il guscio elettronico è l'insieme degli elettroni di un atomo che hanno lo stesso numero quantico principale, cioè lo stesso livello energetico, le cui orbite costituiscono una struttura stratiforme intorno al nucleo atomico.

PRINCIPIO ANTROPICO O CREAZIONISMO EVOLUTIVO?

Escher e i giochi di costruzione

Da circa quattro secoli a oggi, in conseguenza della forte scossa alla posizione centrale della Terra e dell'uomo nell'universo, provocata prima dalla scoperta del moto del nostro pianeta intorno al sole, e poi da quelle successive, che relegavano, a loro volta questa stella in posizione periferica rispetto al centro della Galassia, e collocavano quest'ultima, quale membro non particolarmente significativo, nel moto d'insieme di espansione di tutte le galassie nel cosmo, si era sempre più affermato, come assioma indiscusso, il cosiddetto principio copernicano, secondo il quale la posizione dell'osservatore terrestre non poteva e non doveva risultare privilegiata in alcun senso. Codesto dogma veniva ad assumere la sua forma più pregnante nella teoria cosmologica dello stato stazionario, in voga intorno al 1950, secondo la quale non solo qualsiasi osservatore non poteva pretendere a una posizione particolare nello spazio, ma così pure nel tempo, risultando inimmaginabile, in questo quadro teorico, un qualsivoglia riferimento cronologico preferenziale.

Ora, all'alba degli anni settanta del secolo scorso, questo estremo copernicanesimo è stato posto in dubbio, dapprima dal fisico americano Robert Dicke, in quanto appare insostenibile considerare l'osservatore come assolutamente estraneo a quanto osserva: poiché, con il solo fatto di osservare, egli viene inserito nel cosmo, e può esercitare la sua funzione solamente se posto in condizioni adatte allo sviluppo della vita.

L'avvio a questo genere di considerazioni è avvenuto nel modo seguente. È ben noto come una gran parte delle leggi della fisica, macro e microscopica, dipenda, da un lato, da un certo numero di costanti universali: velocità della luce c, costante di gravitazione G, costante di Planck h, carica e massa dell'elettrone, massa del protone, e così via, tutte dotate di un valore accuratamente misurato e ben definito; d'altronde, per diverse di esse, da un certo numero di parametri che appaiono costanti nella nostra epoca, ma che in un lungo intervallo di tempo sono da pensarsi variabili: tra questi, la costante di Hubble, nella legge dell'espansione cosmica, il cui inverso è dell'ordine di grandezza della vita dell'universo, e, nello stesso ordine d'idee, le dimensioni stesse del cosmo, e in particolare l'età del Sole, quella della Terra e via dicendo. In linea molto generale e del tutto teorica, le leggi della fisica rimarrebbero qualitativamente le stesse qualora tali costanti fossero cambiate.

Però furono notate, fra alcune di queste costanti, relazioni numeriche molto semplici, come la costante di struttura fine, che mette in relazione note costanti universali e che vale 1/137, le quali hanno dato luogo a speculazioni intese a giustificare questi particolari rapporti fra esse. In seguito a un primo lavoro del fisico australiano Brandon Carter, iniziò a prevalere l'idea che tali relazioni fossero invece una conseguenza del cosiddetto principio antropico, secondo il quale le costanti fisiche possono avere solo i valori che hanno, o valori che da questi differirebbero di molto poco, perché, in caso contrario, l'universo non si sarebbe prestato a generare gli essere umani che stanno compiendo le osservazioni, e la cui esistenza è indispensabile affinché qualcosa dell'universo venga di fatto conosciuto dal proprio interno. Del resto se si calcola la probabilità che le 19 costanti universali siano così ben sintonizzate da produrre questo universo, viene fuori che essa vale solo uno su 10 elevato alla 229, cioè un numero incredibilmente piccolo. Si direbbe quindi, secondo i sostenitori di questo principio, che il nostro cosmo sia "antropico", confezionato a misura d'uomo.

Questa idea generale, espressa inizialmente da Carter, si può formulare secondo due diverse sfumature d'intensità. Nella sua prima forma attenuata, detta principio antropico debole, viene asserito che la posizione dell'osservatore nell'universo non può essere qualsiasi, nei riguardi sia dello spazio sia del tempo, perché la scelta delle sue coordinate spazio-temporali nel cosmo deve essere tale da rendere possibile la vita, laddove e quando egli appare. Questa ipotesi pone a priori un forte condizionamento sulle costanti di seconda specie, relative ai connotati dell'universo. Per esempio, non sarebbe stato possibile che i cosmologi avessero scoperto che l'età dell'universo, inverso della costante di Hubble, fosse molto più breve o molto più lunga di quella effettivamente misurata, la quale è dell'ordine di grandezza dei tempi caratteristici per l'evoluzione delle stelle di massa media sulla sequenza principale del diagramma di Hertzsprung-Russell. In effetti, la possibilità dell'esistenza di pianeti come il nostro, e quindi di esseri viventi, dipende dalla formazione degli elementi pesanti, quali il carbonio e l'ossigeno, il calcio e il ferro, che sono fabbricati dalle stelle nel corso della loro evoluzione: in una durata cosmica troppo breve, gli elementi pesanti non avrebbero avuto il tempo di formarsi in quantità sufficiente; altresì, in una durata troppo lunga, le stelle sarebbero in media troppo invecchiate per svolgere la parte che spetta al Sole nel regolare la vita sulla Terra.

Proponendo un altro esempio concettuale, supponiamo che la gravità fosse molto più intensa: in tal caso, a parità di tutto il resto, le stelle sarebbero più piccole che nel nostro universo e brucerebbero più rapidamente il loro combustibile nucleare per opporsi al collasso gravitazionale. Se la gravità avesse un'intensità abbastanza grande, le stelle esaurirebbero la loro sorgente di energia nucleare prima che forme di vita complessa, come gli esseri umani, avessero il tempo di evolversi.

In questa prospettiva, un universo infinito potrebbe essere suddiviso in "domini", soggetti a leggi fisiche diverse. Questi domini potrebbero essere separati fra loro spazialmente, fuori dalla portata degli strumenti osservativi terrestri, o temporalmente: in un certo qual modo potrebbero essere forse anche "precedenti" al Big Bang. Oppure potrebbero esistere in un qualche superspazio pluridimensionale, collegato al nostro cosmo da cunicoli spazio-temporali. Forme di vita simili alla nostra esisterebbero solo in domini in cui le stelle avessero una vita abbastanza lunga da permettere l'evoluzione di organismi complessi, e dove anche le condizioni fossero appropriate.

Vi è una seconda formulazione, molto più drastica, nota come principio antropico forte, quando si asserisce che non solo le costanti di seconda specie, ma pure quelle di prima specie, che i fisici considerano costanti fisiche in senso assoluto, come la velocità della luce o la costante di Planck, non avrebbero potuto essere molto diverse da quanto viene sperimentalmente misurato.

La versione forte del principio antropico suggerisce che l'universo non abbia avuto scelta su come emergere dal Big Bang, costruito appunto, come ho scritto prima, su misura per noi. Alcuni fisici, e in particolare l'americano John Archibald Wheeler, hanno collegato quest'asserzione con idee della teoria quantistica, secondo le quali nulla sarebbe reale fino a quando non viene osservato: in altri termini, la realtà fisica del nostro universo dipenderebbe dalla presenza di osservatori intelligenti, consapevoli della sua esistenza; sarebbe solo l'osservazione ad assicurare che le interazioni fondamentali e le costanti di natura abbiano i valori che conosciamo.

Altri vedono, nelle "coincidenze" che permettono l'esistenza della vita nell'universo, una prova che esso sia opera di un "architetto intelligente". A questo livello, la controversia sulla cosmologia antropica è una variazione sul vecchio argomento del disegno intelligente, usato per "dimostrare" l'esistenza di Dio: secondo questo argomento, che ha avuto il suo paladino più influente nel teologo inglese William Paley, gli organismi viventi sono troppo complicati per poter avere avuto origine per caso. Secondo l'argomentazione contraria, rappresentata poco dopo dal naturalista inglese Charles Darwin, la complessità degli organismi viventi sarebbe il prodotto dell'evoluzione per selezione naturale, la quale ha adattato gli organismi al loro ambiente, senza alcun bisogno della mano di Dio.

Fatto molto interessante, questo argomento contrario è stato ora esteso all'ambito della cosmologia, grazie anche all'opera del fisico-matematico americano Lee Smolin. Questi ha sostenuto che, quando un universo neonato si stacca dal proprio genitore attraverso un buco nero, le leggi della fisica nel "nuovo" universo possono essere leggermente diverse da quelle vigenti nel "vecchio" universo. Queste differenze nelle leggi della fisica potrebbero fornire la materia prima a una selezione naturale al livello degli universi stessi, cosicché gli universi più efficienti nella produzione di buchi neri, in grado quindi di produrre altri universi simili a se stessi, avrebbero la meglio in una specie di lotta cosmologica per la conquista dello spazio.

Secondo quest'argomentazione saranno avvantaggiate dal processo di selezione le leggi della fisica che favoriscono la conversione della materia in molti buchi neri. Smolin sostiene che il nostro universo sia con molta probabilità un prodotto finale di un tale processo evoluzionistico, e che le leggi della fisica, che ci sembrano così ben adattate a permettere la nostra esistenza, siano in realtà sintonizzate in modo fine alla produzione di buchi neri e di un maggior numero di universi neonati.

La nostra esistenza potrebbe essere quindi una conseguenza parassitica del fatto che tali leggi permettano casualmente l'esistenza del carbonio e degli altri elementi su cui si fonda la vita come la conosciamo.

ALGORITMO DI GROVER

Dobbiamo risolvere il seguente problema: cercare in un database di N nomi in ordine sparso il numero di un amico. Classicamente necessitiamo di una media di N/2 passi per ottenere il risultato, quindi un numero di passi della stessa cardinalità N, O(N).

Grover, dei Bell Laboratories, nel 1996 riuscì a trovare la soluzione in O(√N) passi tramite computazione quantistica.

Dato un sistema con N = 2^L stati, ciascuno sia etichettabile con stringhe ad L bit S₁, S₂, …Lo stato che ci interessa è S_m.

L’algoritmo è il seguente:

a) Partiamo con un registro ad L qubit nello stato | 0 > = | 00...0 >.

b) Applichiamo la trasformata di Hadamard per generare una sovrapposizione di tutti i possibili stati:

c) DO i = 1, √N.

d) Applichiamo l’operatore U_m definito da:

U_m | i > = - | i > per  i = m,

U_m | i > = | i > altrimenti.

e) Applichiamo l’operatore "diffusione" di Grover, che corrisponde ad una riflessione di tutte le ampiezze intorno alla loro media. Poiché il segno dell’ampiezza  è stato invertito, l’operazione amplifica quest’ampiezza rispetto alle altre:

U_DG = U_HU₀U_H

f) ENDDO

g) A questo punto la misura fornisce con alta probabilità lo stato S_m.

Inizio della simulazione

Settaggio

Selezione stato qubit

Avanzamento della simulazione (spin lungo l'asse z)

Ricerca dello stato prescelto

Risultato finale

AI FISICI PIACE IN GRUPPO

È noto dai tempi dei Babilonesi e, didatticamente, dalle prime classi delle scuole superiori, che esiste una semplice formula algebrica che ci consente di determinare le soluzioni di qualsivoglia equazione di 2° grado:

e precisamente:

Formule algebriche, che consentono il calcolo delle soluzioni di qualsiasi equazione di 3° e 4° grado, furono "escogitate" nel XVI secolo da alcuni matematici italiani, quali Niccolò Fontana, detto Tartaglia, Gerolamo Cardano e Ludovico Ferrari. I matematici, invogliati dalle formulazioni algebriche dei loro colleghi o costretti dai frequenti mal di testa delle rispettive mogli, tentarono invano di proseguire il cammino intrapreso finché, alla fine del Settecento e agli inizi dell'Ottocento, Paolo Ruffini e Niels Abel non decretarono la completa inammissibilità di soluzioni algebriche per equazioni dal 5° grado in su.

Pochi anni dopo questa scoperta, il giovane, poco più che ragazzo, matematico francese Evaristo Galois, morto in duello a soli 21 anni per difendere l'onore di una donna, risolse questo annoso problema introducendo il concetto di gruppo di permutazioni delle soluzioni, dove per permutazione degli elementi di un insieme s'intende la semplice modalità di ridisposizione. Galois scoprì che i gruppi alterni, formati dalle permutazioni ottenute con un numero pari di scambi, che contengono più di 4 elementi sono semplici, cioè "fattorizzabili" solo con se stessi e con il gruppo unitario (costituito di un unico elemento). Da qui l'impossibilità di trovare formule algebriche per risolvere equazioni di grado superiore al 4°.

Ma la teoria dei gruppi, una volta avviata, non si fermò più e non interessò solo la matematica pura. A metà dell'Ottocento Augusto Bravais, studiando i cristalli dei minerali, introdusse il concetto di gruppo di simmetria, in cui particolari trasformazioni geometriche, come le rotazioni nel piano o nello spazio, lasciano invariati poligoni e poliedri regolari. Gruppi di simmetria particolarmente interessanti sono quelli inerenti alle infinite rotazioni del cerchio e della sfera, gruppi continui come quelli di Lie, che andremo ora ad esaminare.

Prima di procedere ecco un breve excursus sul concetto di gruppo.

Un gruppo è un insieme non vuoto G di elementi generici fra i quali è definita un'operazione binaria * tale che:

a) G è chiuso rispetto all'operazione *, cioè se x, y sono elementi di G, anche z = x * y è un elemento di G;

b) l'operazione * è associativa, ossia se x, y, z sono elementi di G, si ha: x * (y * z) = (x * y) * z;

c) in G esiste un elemento unità (neutro) e tale che, se x appartiene a G, si abbia: x * e = e * x = x;

d) ogni elemento x di G ammette in G un inverso x' per cui risulti: x * x' = x' * x = e.

Ritornando ai gruppi continui di trasformazioni, essi furono classificati, per la prima volta nel 1874, dal matematico norvegese Marius Sophus Lie. Li possiamo definire come quei gruppi continui di trasformazioni, che ammettono un sistema di coordinate locali rispetto al quale le operazioni interessate sono analitiche.

Benché un gruppo di Lie coinvolga operazioni analitiche, essendo continuo quindi infinito, è sempre possibile delinearne gli elementi costitutivi specificando un numero finito di parametri, peculiarità detta dimensione del gruppo. Il gruppo delle rotazioni del cerchio, isomorfo al gruppo delle matrici unitarie U(1), ha dimensione 1, perché basta specificare solo l'angolo di rotazione. Invece il gruppo delle rotazioni della sfera, isomorfo alle matrici speciali ortogonali SO(3), ha dimensione 3, perché bisogna specificare sia la longitudine, sia la latitudine che l'angolo di rotazione.

In effetti la classificazione di tutti i gruppi semplici di Lie portò alla definizione di 4 famiglie infinite, formate tutte da gruppi i cui elementi sono matrici quadrate a N righe ed N colonne, distinguibili in base alle proprietà di queste ultime e degli spazi in cui "lavorano". Inoltre ci sono 5 gruppi, cosiddetti sporadici, che non rientrano in alcuna delle 4 famiglie, chiamati G₂, D₄, E₆, E₇ ed E₈, aventi dimensione, rispettivamente. 14, 52, 78, 133 e 248.

La teoria dei gruppi di Lie è oggi il linguaggio che permette di esprimere le teorie unificate di campo della fisica delle particelle e svelare tutta la loro bellezza. I fisici teorici hanno scoperto che le forze elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte rispettano particolari simmetrie di rotazione di fase dei campi, necessarie per definire gli operatori di campo, detti anche operatori di creazione ed annichilazione, di scambio di carica delle particelle e di scambio di cariche di "colore" nei quark, e che le proprietà di queste simmetrie sono descritti dai gruppi di Lie U(1) per il campo elettromagnetico (QED o elettrodinamica quantistica), SU(2) per il campo nucleare debole ed SU(3) per quello forte (QCD o cromodinamica quantistica). Le rispettive dimensioni di questi gruppi sono 1, 3 e 8, corrispondenti al numero di bosoni (particelle messaggere) che trasmettono queste forze: un fotone, 3 bosoni deboli (W⁺, W^- e Z⁰) e 8 gluoni.

Il primo tentativo di descrizione matematica di queste simmetrie fu compiuto dal fisico cinese Chen Ning Yang e dal fisico americano Robert Mills nel 1954, i quali adoperarono il gruppo SU(2) per la descrizione di alcune simmetrie delle interazioni forti, anziché deboli, come più tardi si sarebbe appurato, riassunta nelle celeberrime, per i fisici teorici, equazioni di Yang-Mills.

Il secondo tentativo fu effettuato dal fisico americano Murray Gell-Mann, all'inizio degli anni sessanta, che utilizzò il gruppo SU(3) per la determinazione delle simmetrie di sapore, anziché delle cariche di "colore", dei quark e che gli valse il premio Nobel per la fisica nel 1969.

L'identificazione, alla fine degli anni sessanta, di SU(2) x U(1) come gruppo caratteristico della teoria elettrodebole da parte dei fisici americani Sheldon Glashow, Steven Weinberg e del fisico pakistano Abdus Salam fruttò loro il premio Nobel per la fisica nel 1979 e spianò la strada ai tentativi di unificazione delle forze in natura tramite teorie quantistiche dei campi che utilizzassero appropriati gruppi di Lie. Voglio specificare che SU(3) fu riclassificato, all'inizio degli anni settanta dallo stesso Weinberg e dai fisici americani Frank Wilczek e David Gross, come il gruppo caratteristico della cromodinamica quantistica, conosciuta con l'acronimo QCD, quindi come gruppo di simmetria per trasformazioni che coinvolgevano lo scambio di cariche di "colore" tra gluoni e quark.

In quegli anni si respirava un'aria di crescente fiducia nella possibilità di usare i principi dei gruppi di simmetria per sviluppare teorie sempre più ardite. La dimestichezza di Gell-Mann con la teoria dei gruppi di Lie lo condusse a prevedere l'esistenza delle cariche frazionarie dei quark, sebbene tutte le particelle note fino ad allora possedessero carica intera. Quando, qualche anno dopo, gli acceleratori iniziarono a fornire le prime prove evidenti dell'esistenza di queste ipotetiche particelle, il trionfo di questa teoria in fisica quantistica si palesò a tutti.

Finalmente i tasselli del gigantesco puzzle, che risponde al nome di fisica delle particelle elementari, cominciavano ad incastrarsi bene e tuttavia i fisici continuavano ad avvertire un sospeso disagio intellettivo, tormentati dall'evidenza osservativa che l'universo fosse pieno di "assenza" di simmetria, ad iniziare dalla differenza di massa tra particelle appartenenti alla stessa famiglia: i fotoni, bosoni di massa nulla, vettori dell'interazione elettromagnetica, ed il tripletto dei "pesantissimi" bosoni intermedi W⁺, W^- e Z⁰, messaggeri dell'interazione debole.

Per queste particelle, previste dalla teoria unificata elettrodebole, SU(2) x U(1), di Glashow-Salam-Weinberg, la differenza di massa venne attribuita ad una rottura spontanea della simmetria, avvenuta durante il processo di raffreddamento dell'universo primordiale, così come accade con i magneti elementari delle sostanze ferromagnetiche che, al di sotto di una temperatura critica, si allineano in coppie che, gradualmente, si compattano in piccoli domini magnetici.

Alle altissime temperature iniziali, subito dopo il Big Bang, le particelle erano essenzialmente identiche e le interazioni deboli ed elettromagnetiche si manifestavano in un'unica forza, trionfalmente verificata nel 1983 dal fisico italiano Carlo Rubbia, premio Nobel per la fisica l'anno successivo. Il meccanismo di rottura della simmetria però comportava l'esistenza del cosiddetto bosone di Higgs, demiurgo della comparsa di particelle massive, in accordo con l'evidenza sperimentale. Sappiamo tutti che questa questione è all'ordine del giorno nelle comunità dei fisici che lavorano presso i più potenti acceleratori di particelle.

Il progresso verso l'unificazione finale delle forze in natura transita dunque attraverso la determinazione di un appropriato gruppo di Lie che contenga il prodotto SU(3) x SU(2) x U(1),  teoria divenuta nota come Modello Standard. Il minimo gruppo semplice di Lie, che soddisfi matematicamente al requisito, è il gruppo SU(5), a 24 dimensioni, ma non sembra appropriato fisicamente, perché apre questioni di non semplice soluzione: la grande unificazione (GUT) basata su di esso prevede infatti fenomeni dubbi quali un decadimento troppo veloce del protone e l’esistenza di monopoli magnetici.       

Il gruppo di Lie su cui oggi si punta per una teoria unificatrice, che comprenda anche la gravità, mette in gioco il massimo gruppo sporadico E₈ combinato con se stesso: E₈ x E₈ e, avendo dimensione doppia di 248, prevede l'esistenza di 496 bosoni di campo, di cui sono noti soltanto i 12 già citati.

Una teoria unificata di tutte le forze richiede certamente idee nuove e ardimentose. Un'eccitante possibilità sembra derivare da un'insolita simmetria, denominata SUSY, da SUperSYmmetry (supersimmetria), che trasforma i bosoni, i mediatori delle forze in gioco, a spin intero, nei fermioni, quali leptoni e quark, di spin semi-intero, costituenti fondamentali della materia e viceversa. Cercando di unificare particelle con peculiarità così diverse, questa simmetria, oltre ad ipotizzare l'esistenza di partner supersimmetrici da ambo le parti, fa intravedere anche la possibilità di integrare la gravitazione con le altre forze esaminate.

Infine le più recenti ricerche nel campo della fisica teorica prospettano la sostituzione delle particelle elementari, come oggetti fondamentali, con entità unidimensionali chiamate "stringhe", che "agiscono" in spazi pluridimensionali, un quadro che farebbe entrare, se fosse vero, in una teoria di campo quantistica anche la gravità.     

STRUTTURE FONDAMENTALI

TEORIA

 

Il modello quantistico dell’energia dei sistemi materiali con cui Planck ha interpretato lo spettro di emissione del corpo nero, il modello quantistico dell’energia della radiazione elettromagnetica con cui Einstein ha interpretato l’effetto fotoelettrico, il modello atomico a energie definite e costanti con cui Bohr ha descritto la struttura dell’atomo e interpretato gli spettri di emissione delle sostanze, hanno portato alla conclusione che la radiazione elettromagnetica presenta anche aspetti corpuscolari. Le onde elementari, costituenti la radiazione elettromagnetica, sono, cioè, trattabili come proiettili di radiazione (quanti o fotoni); proiettili d’impulso pari al rapporto tra la loro energia e la velocità della radiazione nel vuoto, p = E/c. La loro energia è misurata dal prodotto della frequenza della radiazione per la costante di Planck, E = hν, la quale misura, numericamente, la minima quantità d’energia fisicamente esistente; ogni altra quantità potendo essere solo multipla intera di essa.

In particolare, a proposito degli spettri atomici, quando un elettrone, eccitato ad un livello elettronico di energia maggiore di quella che gli compete naturalmente, ritorna al suo stato originario, emette una radiazione elettromagnetica di frequenza proporzionale al salto energetico subito. Ad emissioni continue degli atomi costituenti i corpi si deve attribuire l’esistenza dei cosiddetti spettri di emissione. Viceversa, quando una radiazione penetra in una sostanza, può suscitare quelle stesse eccitazioni energetiche che l’hanno prodotta. Ne risulta un suo parziale o totale assorbimento, in conseguenza del quale la radiazione, analizzata dopo il suo passaggio nel materiale assorbente, può mancare di alcune sue componenti; gli spettri così ottenuti sono detti spettri di assorbimento.

L’idea che la radiazione ammetta un comportamento corpuscolare è stata capovolta da de Broglie, il quale affermò che le particelle, costituenti la materia ordinaria, dovevano avere un comportamento ondulatorio, λ = h/p = h/mv.

Il tentativo di localizzare le particelle subatomiche comporta, inevitabilmente, per la struttura stessa della realtà, un’indeterminazione della loro quantità di moto. Heisenberg intuì per primo questa realtà e ne diede una sintetica formulazione, dimostrando che il prodotto dell’incertezza con la quale può essere determinata la quantità di moto di una particella per l’incertezza con la quale può essere determinata la sua posizione, non può essere minore di una quantità costante, avente l’ordine di grandezza del quanto elementare di Planck, Δp∙Δx ≥ h.

Il difetto di massa delle reazioni nucleari e i processi d’annichilazione tra particelle e corrispondenti antiparticelle confermano la relazione di Einstein, secondo la quale a un’energia E è associabile una massa m pari a E/c².

A conclusione di tutto quanto osservato, si può asserire che l’ente materia-energia si manifesta in modo duplice, essendo talvolta descrivibile come onda e talvolta come particella.  

PROBLEMI

 

Problema n. 1

La radiazione solare investe la Terra in ragione di 2 cal/(cm²min). Supponendo che la lunghezza d'onda media della radiazione solare sia λ = 5400 Å, calcolare il numero di fotoni equivalenti a tale energia.

Soluzione

Energia di un fotone:

E = hf = hc/λ = 3.68·10^-19 J;

ora è:

N_f = Q/E = 2.27·10¹⁹ fotoni.

Problema n. 2

Sapendo che l'energia necessaria a far uscire un elettrone dal sodio è E_Na = 2.3 eV, dire quale debba essere la massima lunghezza d'onda della radiazione capace di produrre emissione fotoelettrica nel sodio.

Soluzione

E_Na ≤ hc/λ,

quindi:

λ ≤ hc/E_Na = 5400 Å.

Problema n. 3

Un elettrone passa da un livello energetico nel quale la sua energia è E₁ = 0.85 eV ad un altro nel quale la sua energia vale E₂ = 10.2 eV. Determinare la lunghezza d'onda della radiazione emessa.

Soluzione

ΔE = E₂ - E₁ = hc/λ,

quindi:

λ = hc/(E₂ - E₁) = 1328 Å.

Problema n. 4

Calcolare la lunghezza d'onda di un protone da E = 10 Mev.

Soluzione

Quantità di moto di un protone:

p = m_pv,

quindi:

E = ½m_pv² = p²/2m_p;

lunghezza d'onda di de Broglie:

λ = h/m_pv = h/p;

perciò da:

p = (2m_pE)^1/2,

si ottiene:

λ = h/p = h/(2m_pE)^1/2 = 9.056·10^-15 m.

Problema n. 5

Dire quale dovrebbe essere la superficie della "vela" di un'astronave per vincere la forza gravitazionale del sole ad una distanza d = 10¹¹ m, supponendo che la massa dell'astronave sia m = 10³ kg e che la radiazione solare invii sulla superficie della vela 2 cal al minuto per ogni cm², in condizioni d'incidenza normale.

Soluzione

Legge di gravitazione universale:

F = GmM_S/d² = 12.677 N;

impulso trasferito sull'unità di superficie della vela al secondo:

p = E/c = 4.64·10^-6 Ns/m²,

quindi, in definitiva, la superficie della vela dovrebbe essere:

S = F/p = 2.732·10⁶ m².

Problema n. 6

Calcolare la frequenza emessa dall'annichilimento di una coppia elettrone-positrone.

Soluzione

Equivalenza massa-energia di Einstein:

E = 2m_ec²;

si ha anche:

E = hf = hc/λ,

quindi:

f = 2m_ec²/h = 2.473·10²⁰ Hz

e

λ = h/p = h/2m_ec = 1.213·10^-12 m.