Quello che i fisici cercano di fare e’ di trovare un modello (matematico)
che “spieghi l’esistenza ed il comportamento di tutto”: in altre parole
si vuole comprendere come “funziona” la Natura. Questo, in fin dei conti
e’ quello che fa ogni ricercatore che operi nel campo della scienza: trovare
un modello che spieghi il comportamento del soggetto in studio. Attualmente
la fisica fondamentale si basa su di un modello (il cosiddetto Modello
Standard) che e’ in grado di descrivere accuratamente certe situazioni
(e precisamente quelle di energia relativamente “bassa”), ma che e’ insoddisfacente
per vari motivi, sia teorici che sperimentali.
Il principale “difetto” teorico (noto da lungo tempo) e’ che il modello
non e’ in grado di “prevedere” tutto quello che ci si aspetta debba prevedere;
infatti le masse di molte particelle devono essere “modificate” in base
alle misure sperimentali. Il difetto sperimentale piu’ importante e’ quello
di prevedere massa nulla per i neutrini, mentre recenti esperimenti hanno
confermato che tali particelle hanno una massa diversa da zero. (Per la
cronaca l’esperimento italiano Gallex ha mostrato alcuni anni fa,
ma non in maniera inconfutabile, che il neutrino avrebbe dovuto avere una
massa. Nell’estate di quest’anno -1998- i giapponesi con il Super-Kamiokande
hanno posto la conferma definitiva).
Alla luce di questi problemi i fisici teorici sono da molto tempo alla
ricerca di un modello che “funzioni” meglio. Varie motivazioni spingono
quasi tutti i ricercatori a considerare che in questo nuovo modello le
quattro forze fondamentali debbano unificarsi ad energie abbastanza elevate.
che “spieghi l’esistenza ed il comportamento di tutto”: in altre parole
si vuole comprendere come “funziona” la Natura. Questo, in fin dei conti
e’ quello che fa ogni ricercatore che operi nel campo della scienza: trovare
un modello che spieghi il comportamento del soggetto in studio. Attualmente
la fisica fondamentale si basa su di un modello (il cosiddetto Modello
Standard) che e’ in grado di descrivere accuratamente certe situazioni
(e precisamente quelle di energia relativamente “bassa”), ma che e’ insoddisfacente
per vari motivi, sia teorici che sperimentali.
Il principale “difetto” teorico (noto da lungo tempo) e’ che il modello
non e’ in grado di “prevedere” tutto quello che ci si aspetta debba prevedere;
infatti le masse di molte particelle devono essere “modificate” in base
alle misure sperimentali. Il difetto sperimentale piu’ importante e’ quello
di prevedere massa nulla per i neutrini, mentre recenti esperimenti hanno
confermato che tali particelle hanno una massa diversa da zero. (Per la
cronaca l’esperimento italiano Gallex ha mostrato alcuni anni fa,
ma non in maniera inconfutabile, che il neutrino avrebbe dovuto avere una
massa. Nell’estate di quest’anno -1998- i giapponesi con il Super-Kamiokande
hanno posto la conferma definitiva).
Alla luce di questi problemi i fisici teorici sono da molto tempo alla
ricerca di un modello che “funzioni” meglio. Varie motivazioni spingono
quasi tutti i ricercatori a considerare che in questo nuovo modello le
quattro forze fondamentali debbano unificarsi ad energie abbastanza elevate.
Perche’?
Vediamo prima cosa si intende per “unificare”.
Le quattro forze sono: gravita‘ (che e’ un caso a se’), e poi
elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare
debole. Come si vede gia’ dal nome c’e’ una forza che e’ “formata”
gia’ di due parti: l’elettromagnetismo. In realta’ la forza e’ una, ma
per ragioni storiche e di semplicita’ di studio l’elettricita’ ed il magnetismo
sono talvolta considerati distinti. A partire dalle ricerche di Faraday
si inizio’ a capire che ci fossero dei lagami, ed infine si comprese che
sono due aspetti di un medesimo fenomeno (vedi una risposta
di Ernesto Placidi sull’argomento).
Molto tempo dopo siamo riusciti a capire che anche le due forze nucleari
formano un tutt’uno con l’elettromagnetismo (ad energia abbastanza alta).
Questo significa che in certe condizioni sperimentali (si potrebbe
dire, forzando un po’ i termini, “ad alta temperatura”) non c’e’
distinzione fra esse (come non c’e’ distinzione di direzione nell’acqua,
mentre a bassa temperatura la distinzione c’e’, poiche’ le molecole formano
un cristallo di ghiaccio con una certa orientazione spaziale).
Un motivo di “analogia” con quanto fatto sin qui spinge a credere che
ad energie (“temperature”) ancora piu’ elevate la distinzione scompaia
del tutto ed esista una descrizione “unificata” di tutte le forze. Al punto
dove siamo adesso c’e’ anche un altro “problema”, oltre ai difetti del
Modello Standard: la descrizione della gravitazione e quella delle altre
tre forze avvengono in maniera completamente diversa ed inconciliabile;
la gravitazione e’ continua, le altre sono discrete. Questa diversita’
(oltre a costituire un notevole problema tecnico per chi si sta occupando
in pratica del problema) e’ come se rappresentasse due modi di vedere il
mondo distinti e contrapposti, che dovranno essere conciliati per cercare
di capire cosa avviene in certe situazioni. In alcuni casi infatti (per
esempio in vicinanza di un buco nero, oppure negli istanti iniziali di
vita dell’universo) non si puo’ pretendere di analizzare la fisica considerando
solo una delle “due” forze (intendo la gravitazione e l’unificazione delle
altre tre), poiche’ nessuna delle due e’ trascurabile, (mentre per esempio
in un atomo e’ trascurabile la gravitazione, ed infatti il comportamento
di un atomo e’ compreso sin nei piu’ piccoli dettagli).
Che cosa conseguirebbe dall’unificazione delle forze? Molte cose, soprattutto
in astrofisica, poiche’ e’ nello Spazio che si possono raggiungere (o si
sono raggiunte in passato) le condizioni in cui l’unificazione si manifesta
direttamente. Potremo comprendere meglio il mondo in cui viviamo, e certamente
anche la nostra “storia”, in particola riguardo agli istanti iniziali di
esistenza dell’Universo. Oggi pero’ possiamo fare solo delle congetture
(in base alle nostre idee su di un modello che finora nessuno e’ stato
in grado di costruire). Sarebbe come se i greci (che avevano scoperto le
proprieta’ elettrostatiche dell’ambra e le proprieta’ magnetiche di un
minerale di ferro) avessero “previsto” lo sviluppo dell’elettronica odierna.
elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare
debole. Come si vede gia’ dal nome c’e’ una forza che e’ “formata”
gia’ di due parti: l’elettromagnetismo. In realta’ la forza e’ una, ma
per ragioni storiche e di semplicita’ di studio l’elettricita’ ed il magnetismo
sono talvolta considerati distinti. A partire dalle ricerche di Faraday
si inizio’ a capire che ci fossero dei lagami, ed infine si comprese che
sono due aspetti di un medesimo fenomeno (vedi una risposta
di Ernesto Placidi sull’argomento).
Molto tempo dopo siamo riusciti a capire che anche le due forze nucleari
formano un tutt’uno con l’elettromagnetismo (ad energia abbastanza alta).
Questo significa che in certe condizioni sperimentali (si potrebbe
dire, forzando un po’ i termini, “ad alta temperatura”) non c’e’
distinzione fra esse (come non c’e’ distinzione di direzione nell’acqua,
mentre a bassa temperatura la distinzione c’e’, poiche’ le molecole formano
un cristallo di ghiaccio con una certa orientazione spaziale).
Un motivo di “analogia” con quanto fatto sin qui spinge a credere che
ad energie (“temperature”) ancora piu’ elevate la distinzione scompaia
del tutto ed esista una descrizione “unificata” di tutte le forze. Al punto
dove siamo adesso c’e’ anche un altro “problema”, oltre ai difetti del
Modello Standard: la descrizione della gravitazione e quella delle altre
tre forze avvengono in maniera completamente diversa ed inconciliabile;
la gravitazione e’ continua, le altre sono discrete. Questa diversita’
(oltre a costituire un notevole problema tecnico per chi si sta occupando
in pratica del problema) e’ come se rappresentasse due modi di vedere il
mondo distinti e contrapposti, che dovranno essere conciliati per cercare
di capire cosa avviene in certe situazioni. In alcuni casi infatti (per
esempio in vicinanza di un buco nero, oppure negli istanti iniziali di
vita dell’universo) non si puo’ pretendere di analizzare la fisica considerando
solo una delle “due” forze (intendo la gravitazione e l’unificazione delle
altre tre), poiche’ nessuna delle due e’ trascurabile, (mentre per esempio
in un atomo e’ trascurabile la gravitazione, ed infatti il comportamento
di un atomo e’ compreso sin nei piu’ piccoli dettagli).
Che cosa conseguirebbe dall’unificazione delle forze? Molte cose, soprattutto
in astrofisica, poiche’ e’ nello Spazio che si possono raggiungere (o si
sono raggiunte in passato) le condizioni in cui l’unificazione si manifesta
direttamente. Potremo comprendere meglio il mondo in cui viviamo, e certamente
anche la nostra “storia”, in particola riguardo agli istanti iniziali di
esistenza dell’Universo. Oggi pero’ possiamo fare solo delle congetture
(in base alle nostre idee su di un modello che finora nessuno e’ stato
in grado di costruire). Sarebbe come se i greci (che avevano scoperto le
proprieta’ elettrostatiche dell’ambra e le proprieta’ magnetiche di un
minerale di ferro) avessero “previsto” lo sviluppo dell’elettronica odierna.