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Il ‘nuovo mondo’ di Frank Wilczek

Il libro che voglio segnalare oggi è “La Leggerezza dell’essere – La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” di Frank Wilczek, edito da Einaudi. Wilczek, che si occupa di cromodinamica quantistica  ed è premio Nobel per la Fisica, comincia il libro affermando che l’Universo non è più quello di un tempo e non è ciò che sembra.

Si tratta di un viaggio nel cuore della struttura della materia e delle sue componenti elementari, come elettroni e quark, durante il quale ci si pone interrogativi su cosa è, ad esempio, la massa. Ricordiamo che la prima definizione scientifica della massa risale al 1687 quando Newton, nei suoi Principi matematici della filosofia naturale, affermava che la massa è una sorta di misura della densità di materia contenuta nei corpi. Oggi, le moderne conoscenze sul concetto di massa sono alquanto più complicate rispetto alla definizione data da Newton e sono descritte dal modello standard mediante le leggi della meccanica quantistica. Per ogni tipo di particella elementare, o composta, possiamo scrivere l’equazione di Newton, F = ma, che correla la forza, la massa e l’accelerazione. Tuttavia, la massa, come di solito la intendiamo, va al di là dell’equazione di Newton. Per esempio, la teoria della relatività speciale  prevede che le particelle senza massa viaggiano nel vuoto alla velocità della luce e che invece le particelle che hanno massa si muovono più lentamente e perciò con una velocità che può essere calcolata se conosciamo la loro massa. Le particelle elementari hanno una sorta di massa intrinseca, detta massa a riposo , e quelle che hanno massa a riposo nulla sono le particelle senza massa, come ad esempio i fotoni. Per una particella complessa, come il protone, la massa a riposo dei costituenti e la loro energia cinetica, relativa al moto, e l’energia potenziale, relativa alle interazioni, contribuiscono alla massa totale della particella. E’ noto che massa ed energia sono correlate così come descritto dalla famosa equazione di Einstein, E = mc². Un esempio di come l’energia contribuisce alla massa si può vedere nella forma di materia a noi più familiare costituita dai protoni e dai neutroni che formano i nuclei atomici, i pianeti, le stelle, gli esseri viventi e tutto ciò che vediamo. Queste particelle costituiscono circa il 4% circa della massa-energia presente nell’Universo. Il modello standard ci dice che i protoni e i neutroni sono composti da particelle più elementari, chiamate quark, che sono a loro volta legate grazie all’interazione di particelle senza massa chiamate gluoni. Sebbene i quark vi si muovono all’interno, noi osserviamo il protone come un oggetto coerente che ha una massa intrinseca che è data dalla somma delle masse e delle energie dei suoi costituenti. Perciò il modello standard ci permette di calcolare le masse dei protoni e dei neutroni dall’energia cinetica dei loro costituenti. Dunque, il 4% circa dell’intero Universo è composto dall’energia del moto dei quark e dei gluoni che sono presenti nei protoni e neutroni e che costituiscono la materia ordinaria che conosciamo. E tutto il resto cos’è? Finora non lo sappiamo e l’ignoranza dei fisici su questo argomento ha fatto nascere termini come materia scura o energia scura che costituiscono insieme il 96% di ciò di cui è fatto il nostro Universo. La fisica contemporanea viene qui raccontata da uno dei suoi massimi esponenti che, indagando la struttura della materia, nella sua più profonda essenza, cerca di fornirci un quadro coerente e un nuovo mondo che sarà soggetto a verifiche sperimentali soprattutto con gli esperimenti presso LHC.

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cromodinamica quantistica | gluoni | materia scura | meccanica quantistica | modello standard | particelle elementari | quark | relatività generale | struttura della materia

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