In attesa dell’inflazione … autunnale

Per parlare di origine dell’Universo è necessario entrare a fondo nel Modello Standard, dove non possono che mescolarsi la fisica relativistica e la meccanica quantistica. Tuttavia, vi è una netta differenza tra queste due teorie che a volte si stringono in un abbraccio caloroso e a volte sembrano essere inconciliabili.

La relatività speciale prima e quella generale poi sono in qualche modo entrate abbastanza “facilmente” nelle conoscenze di chi cerca di avvicinarsi ai misteri del Cosmo. Probabilmente questa percezione dipende dalla relativa semplicità esplicativa dei concetti fondamentali sintetizzati dal grande Einstein. La costanza della velocità della luce, la deformazione dello spazio-tempo, le lenti gravitazionali, e molte altre conseguenze sono descrivibili con schemi e figure vicine alla realtà quotidiana, anche se in modo estremamente approssimativo. Attraverso questo tipo di approccio non è troppo complicato spingersi fino ai primi istanti dopo il Big Bang. Inoltre, dobbiamo tener presente che essa lavora sulle grandi strutture, sui fenomeni macroscopici che più o meno tutti possono ammirare. La meccanica quantistica ha il suo regno, invece, nell’infinitamente piccolo, dove è impossibile perfino cercare di “guardare” senza alterarne le caratteristiche.

Le cose cambiano, quindi, se si vuole andare più indietro, di infinitesime frazioni di secondo, che sono, però, i momenti decisivi per spiegare tutto ciò che ne deriva e la realtà macroscopica odierna del Cosmo. Uno di questi punti fondamentali è l’inflazione, necessaria per comprendere alcuni concetti base del modello esplicativo corrente: l’omogeneità “quasi” perfetta del Cosmo e l’apparente impossibilità di uno scambio globale di informazioni; la piattezza dell’Universo osservabile, che sembra una caso troppo fortuito per non essere legato a un preciso fenomeno espansivo; la mancanza di certe particelle che dovrebbero esserci e non ci sono e che implicano una dilatazione improvvisa di uno spazio originario ben più piccolo. Si potrebbero spiegare questi meccanismi abbastanza bene, con le solite accettabili approssimazioni, ma rimarrebbe aperto un problema che la fisica relativistica non può spiegare: come e perché vi è stata l’inflazione.

Potrei farvela accettare come atto di fede, ma andrebbe contro lo stile di questo sito, dove si cerca di spiegare tutto ciò che è possibile, a costo di essere ripetitivi e magari un po’ pedanti. E’ necessario, allora, introdurre la meccanica quantistica e concetti completamente alieni ai più (o noti solo per sentito dire), come l’effetto tunnel, il principio di indeterminazione, il vuoto non vuoto, la simmetria e la sua rottura, e cambiare completamente le proprie idee su quella popolazione numerosa ed eterogenea che è formata dalle particelle elementari. La stessa conformazione dell’atomo, uno degli schemi più descritti nelle scuole di ogni ordine e grado, si sgretola e ci fa entrare in un mondo quasi fantastico dove ciò che esiste in realtà potrebbe non esistere e ciò che sembra non esistere è invece concreto e riproducibile. La stessa freccia del tempo viene messa in discussione e perde un po’ del suo significato così evidente nella vita di tutti i giorni, abituati come siamo a vivere in mezzo a sistemi complessi, tendenti chiaramente alla massima entropia come ci insegna il secondo principio della termodinamica.

La meccanica quantistica ne esce fuori come un qualcosa che tutti conoscono “di vista”, ma che ben pochi hanno compreso. Essa viene descritta veramente solo nelle Università e difficilmente si trovano articoli esplicativi alla portata di tutti. Eppure, quasi ogni giorno si parla nei giornali di bosoni più o meno nascosti, di acceleratori di particelle, di neutrini che viaggiano attraverso tunnel “fittizi” e di molte altre problematiche che potrebbero essere riassunte con una classica frase: “Fa fine e non impegna”.

Perché è così difficile spiegare la meccanica quantistica e si tende ad accettare solo alcune delle sue conseguenze? Non certo perché è un argomento nuovo e ancora da verificare. Sapete tutti molto bene che alcune proprietà da essa descritte sono ormai utilizzate comunemente nella tecnologia di tutti i giorni. Lo stesso Sole ci mostra quotidianamente l’effetto tunnel, uno dei concetti più contrari alla logica umana. Solo accettando questo processo è possibile superare le barriere nucleari e ottenere la fusione dell’idrogeno.

La meccanica quantistica nasce prima della stessa relatività di Einstein e lui stesso ne ha dato contributi fondamentali. Ricordiamo che il grande scienziato così amato da tutti NON ha preso il Nobel per la sua teoria più conosciuta (la relatività), ma per la spiegazione dell’effetto fotoelettrico, strettamente legato alla fisica dei quanti. Il vero grande problema di questa disciplina così vera e così misteriosa è la difficoltà di esprimerla attraverso figure semplici e immediate. Se è facile descrivere l’orbita di un elettrone attorno al nucleo atomico, non è altrettanto semplice descrivere un orbitale atomico, e via dicendo. La conseguenza di questa difficoltà descrittiva, lasciata più alle parole e alle formule che ai disegni e agli schemi, è forse la vera grande ragione della diffusione saltuaria, discontinua e molto parziale che fa conoscere nomi e cognomi, ma vieta una visione globale dell’intera teoria.

Partendo dall’inflazione vorrei, quindi, con l’aiuto di Red e non solo, cercare di entrare nel vivo della meccanica quantistica e provare a darne una versione, magari molto approssimata, ma semplice e intuitiva. Non so se sarà possibile, ma è bello provarci.

Si potrebbe cominciare in vari modi, magari scegliendo una trattazione storica oppure una basata su alcuni assiomi e sulle loro conseguenze. Probabilmente ne farò un mix. Voi sapete quanto io stimi il grandissimo Richard Feynman, Premio Nobel nel 1965. Non solo perché è stato un fisico tra i più limpidi del secolo scorso, ma anche per il suo amore e per le sue parole intense e profonde sul vino e la sua visione etica ed estetica che ne fanno una specie di simbolo dell’evoluzione dell’uomo attraverso il processo della fermentazione. “Tutta la vita è fermentazione”, diceva, e aveva proprio ragione. Voglio allora seguire il suo consiglio e cominciare proprio da quello che per lui è stato il vero inizio della meccanica quantistica moderna: l’esperimento di Young e le sue conseguenze.

La dimostrazione della natura ondulatoria della luce ha velocemente portato alla scoperta della doppia natura delle particelle, corpuscolare e ondulatoria. La parola definitiva è stata proprio data da Einstein con la semplice spiegazione dell’effetto fotoelettrico. Vedremo, quindi, il nostro  amato Albert sotto una veste del tutto nuova. Capiremo che relatività e meccanica quantistica sono cresciute assieme e che la seconda non è certo da considerarsi una novità dei giorni nostri, ancora poco conosciuta. O -almeno- cercheremo di farlo capire…

Questo articolo è solo una presentazione che esce nei giorni più vacanzieri dell’anno. Solo a settembre inoltrato si inizierà con il primo articolo vero e proprio, quello dedicato all’esperimento di Young. Poi descriveremo meglio l’inflazione. Dopo di che, piano piano e con la massima semplicità possibile, vedremo di collegare due estremi che alla fine dovrebbero toccarsi e unirsi. La fine del 2013 si annuncia interessante e stimolante. Sicuramente molto di più della fine (del mondo) del 2012.