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La scienza in mostra.

Si è svolta a Torino dal 7 aprile al 7 luglio la mostra scientifica “Esploratori dell’Universo, viaggio nel cuore della materia”, composta di due sezioni: “La scienza accelera!“, a cura del CERN (European Organization for Nuclear Research), sulla cosmologia e i costituenti fondamentali della materia, in cui in particolare vengono illustrati gli esperimenti realizzati con il LHC (Larg Hadron Collider), il più grande acceleratore di particelle esistente, situato a Ginevra. La seconda sezione, denominata “L’invisibile meraviglia” e organizzata dall’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), è dedicata alla fisica delle particelle elementari, cioè dei costituenti fondamentali della materia, e alle sue connessioni con i problemi cosmologici.
Complessivamente quindi la mostra fa il punto sulla ricerca fondamentale in due direzioni: la struttura della materia e quella dell’Universo, cioè nel mondo microscopico e in quello macroscopico, facendone la sintesi e mostrando inattesi collegamenti tra i due campi di indagine.

Teoria e risultati
Per spiegare le proprietà della materia la fisica moderna ricorre alla meccanica quantistica, mentre per interpretare i fenomeni che si verificano nell’Universo su grande scala utilizza la teoria della relatività generale.
Riguardo il primo campo di indagine l’immagine che ne risulta è la seguente. La materia è composta da atomi, questi da nuclei ed elettroni, il nucleo a sua volta di protoni e neutroni, e questi di subparticelle. Si dimostra che i mattoni fondamentali dell’edificio atomico sono solo quattro, detti fermioni: due leptoni e due quark, oltre alle corrispondenti antiparticelle, in tutto otto particelle. Di questi componenti fondamentali ne esistono tre tipi, diversi solo per la massa: in tutto dodici particelle e altrettante antiparticelle corrispondenti, che costituiscono la cosiddetta antimateria. La materia ordinaria è composta esclusivamente dalle particelle della prima famiglia, antiparticelle escluse. Esse sono l’elettrone, il neutrino elettronico, i quark “up” e “down”. Questi ultimi formano i protoni e i neutroni. Le altre due famiglie compongono un tipo di materia effimera in quanto altamente instabile, prodotta dagli acceleratori di particelle e che è esistita solo nei primi istanti di vita dell’universo.

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Sulla materia agiscono quattro forze: quella gravitazionale, quella elettromagnetica, l’interazione forte e quella debole. La prima su scala atomica è trascurabile rispetto le altre che sono state descritte come aspetti particolari di un’unica forza nella teoria detta di “grande unificazione”, o “modello standard”. La teoria è di tipo quantistico in quanto l’interazione tra due particelle avviene mediante le scambio di una quantità finita di energia, quantità che ha il carattere di una particella, detta quanto del campo di forze agente. Quindi al catalogo delle particelle occorre aggiungere i quanti di campo: uno per quello elettromagnetico, il fotone; tre per l’interazione debole, i bosoni vettori; e infine otto gluoni per l’interazione forte. In tutto altre dodici particelle, dette bosoni.

Per il secondo campo di indagine, la cosmologia, si è giunti alle seguenti conclusioni. L’universo non è sempre esistito, ma è comparso circa 20 miliardi di anni fa in uno stato iniziale di densità infinita, stato in cui tutta la materia e l’energia si trovavano concentrate in un unico punto geometrico. Cioè l’universo è nato come una sola megaparticella che ha cominciato subito a decadere generando tutta la materia ed energia esistenti. Cioè da quel momento ha iniziato ad espandersi a ritmo accelerato, espansione contrastata dalla forza gravitazionale, l'unica attiva su scala cosmica che quindi costituisce l’interazione che tiene insieme l’universo. Infatti, se a livello atomico la gravità è trascurabile, al contrario su scala astronomica è preponderante. La gravità è stata la prima delle forze fondamentali ad essere scoperta ad opera di Newton, teoria poi generalizzata da Einstein nella relatività generale.
E’ sorprendente il fatto che esista collegamento molto stretto tra fisica atomica e cosmologia. Ciò accade per il fatto che le condizioni della materia esistenti nei primi attimi di vita dell’universo sono quelli ricreati dagli acceleratori di particelle, nei quali vengono prodotti urti ad altissima energia tra le particelle. Quindi i risultati di tali esperimenti sono utilizzati sia per indagare le proprietà delle particelle elementari, che per verificare le ipotesi della cosmologia sull’origine dell’Universo, in particolare quelle della teoria del “big bang” (grande esplosione).

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Le fotografie riproducono diversi tipi di rivelatori che nell’acceleratore di particelle circondano a strati concentrici il luogo della collisione. Tali strumenti misurano i diversi parametri che caratterizzano i prodotti dell’urto tra particelle, prodotti che sono altre particelle. Il primo strato è costituito da rivelatori di traccie, che registrano le traiettorie; poi vi sono i calorimetri che ne misurano l’energia; infine i magneti che deflettono le traiettorie, permettendo la misurazione della quantità di moto. I risultati vengono inviati a numerosi centri di calcolo che ricostruiscono gli eventi registrati, selezionano automaticamente quelli interessanti, - estremamente rari rispetto al numero enorme di collisioni prodotte dall’acceleratore: un centinaio su un miliardo al secondo, - il cui studio è affidato a numerosi gruppi di lavoro.
Qui si può intuire che cosa sia oggi l’indagine scientifica, un’impresa che coinvolge per un solo esperimento migliaia di specialisti, investimenti colossali e tempi prolungati. E’ quella che viene chiamata “big science”, un’impresa collettiva che per le dimensioni materiali e sociali trova un parallelo solo nella costruzione delle piramidi nell’antico Egitto e in quella delle cattedrali gotiche.

Problemi teorici aperti

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Finora, pur essendo il processo di unificazione della fisica andato molto avanti, dalla unificazione di elettromagnetismo ed ottica operata da Maxwell nel 1862, tuttavia manca l’ultimo e decisivo passo, l’unificazione della gravità con le forze atomiche, cioè la fondazione di una “teoria del tutto”, che darebbe infine alla fisica una forma adeguata, cioè unitaria.
Nell’ambito di questo processo la situazione attuale è la seguente. Si è riusciti ad unificare la forza debole con l’elettromagnetismo, creando la teoria unificata elettrodebole. Successivamente è stato sviluppato il “modello standard”, in cui accanto alla teoria elettrodebole è stata creata una teoria dell’interazione forte, separata dalla prima ma molto simile. Il modello standard viene considerato praticamente come una teoria unitaria, quella della “grande unificazione”, teoria che ha riscosso grandi successi sul piano sperimentale, ma è insoddisfacente per diversi aspetti. In primo luogo perché esclude la relatività generale, ma anche perché presenta caratteri arbitrari. Come la presenza di tre famiglie di fermioni, differenti solo per la massa. Oppure quella di 18 costanti fisiche il cui valore deve essere dedotto dagli esperimenti, ciò che fa apparire la teoria “calibrata” sugli esperimenti che dovrebbero verificarla. Inoltre le masse delle particelle vengono generate mediante un meccanismo che appare incompleto, cioè aggiunto “ad hoc”, e non verificato sperimentalmente.
Ma il limite più inquietante del modello standard è la sua complessità formale, che contraddice quello che finora è stato il principio fondamentale della scienza da Copernico in poi, la semplicità della natura. Cioè la spiegazione non può essere più complicata dei fenomeni che deve comprendere. Si tratta di un principio logico, quello del riduzionismo, che è tale se si propone di ridurre l’apparente infinita complessità fenomenica ad una realtà più profonda ed essenzialmente semplice.

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Per quanto concerne la cosmologia il principale problema irrisolto è il fatto che la materia visibile non basta a tenere insieme l’Universo conosciuto. Si ipotizza perciò che esista una “materia oscura”, di natura ignota, che fornisca la “massa mancante”. L’alternativa è che la gravità su grandi distanze abbia un comportamento imprevisto. Inoltre, il fatto che l’espansione sia accelerata induce a ipotizzare che esista una “energia oscura” che agisca come una forza repulsiva sulla materia, cioè che esista una sorta di gravità negativa. L’idea più accreditata è che si tratti di una “energia del vuoto”, già prevista dalla teoria quantistica, che considera il vuoto come uno spazio popolato da particelle “virtuali”, che si formano spontaneamente come coppie di particelle ed antiparticelle e che si annichilano in tempo brevissimo, prima che possano essere osservate. Cioè prevede per il vuoto un livello di energia leggermente superiore allo zero. Ma per questa spiegazione dell’energia oscura esistono difficoltà teoriche non superate e soprattutto mancano finore prove sperimentali.

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Applicazioni

Le difficoltà precedenti non impediscono alle precedenti teorie di raccogliere successi, sia come previsioni confermate, che nelle applicazioni. Le teorie quantistiche soprattutto hanno rivoluzionato la fisica e la tecnologia moderne. Diamo solo due esempi particolarmente significativi.

L’energia nucleare. La questione degli usi bellici dell'energia nucleare pone il problema dell’uso della scienza, questione che qui non è possibile affrontare. Si può anche affermare però che poichè la vera ricchezza è la disponibilità di energia, l’energia nucleare, essendo una fonte di energia illimitata, promette di risolvere alla radice il problema economico e quindi politico fondamentale dell’umanità. Per questo è necessario solo risolvere il problema tecnico connesso, anche perché la soluzione è a portata di mano. Infatti vi sono due modi per ottenere energia nucleare, la fissione e la fusione, e finora è stata usata solo la prima, la reazione a catena intrinsecamente pericolosa in quanto nella fissione il fuoco atomico una volta che se ne è perso il controllo è impossibile da spegnere. Inoltre produce una quantità di scorie radioattive, difficili da smaltire in quanto rimangono attive per tempi geologici. L’altra tecnologia, quella della fusione, invece è perfettamente controllabile, produce scorie in misura incomparabilmente minore, anzi in certi casi non produce nessuna radioattività. Il problema è piuttosto quello tecnico, in quanto si tratta di riprodurre sulla terra le condizioni di pressione e temperatura esistenti nel nucleo del sole, o altre equivalenti. Attualmente si è arrivati a progettare la realizzazione di un reattore sperimentale che dimostri la fattibilità tecnica (quella teorica è da tempo confermata, si tratta della equivalenza tra massa ed energia espressa nella famosa equazione E = mc² , emblema della scienza contemporanea). Cioè si tratta di realizzare una reazione in cui l’energia prodotta sia superiore a quella spesa per creare le condizioni di innesco.

Esami medici. Utilizzando la fisica dell’atomo sono stati realizzati metodi ed apparecchiature che rendono possibile un esame assolutamente non invasivo degli organismi viventi, strumenti che hanno dato un forte impulso alla biologia, ma si sono dimostrati di grande utilità nella diagnostica di molte patologie. Si tratta di varie tecniche.
TAC: Tomografia assiale computerizzata, che utilizza i raggi X;
NMR: Risonanza magnetica nucleare, che opera mediante campi magnetici;
PET, che utilizza i positroni, cioè l’antiparticella dell’elettrone.

Influenze culturali.

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Ma le teorie scientifiche hanno anche un altro tipo di applicazione, diversa da quelle pratiche ma non meno importante. Infatti le teorie della fisica moderna, come sempre, non sono rimaste rinchiuse nei laboratori e negli studi degli specialisti, ma hanno influenzato tutta la cultura contemporanea.
Le teorie quantistiche hanno prodotto in alcune loro conseguenze una nuova visione del mondo. In particolare il principio di indeterminazione di Heisenberg con la sua concezione probabilistica della realtà fisica ha messo in crisi il determinismo del positivismo ottocentesco.
La cosmologia non ha per sua natura applicazioni pratiche, ma proprio per questo è una scienza fondamentale per determinare la visione di un’epoca riguardo la realtà complessiva e quindi il posto dell’uomo nell’Universo. In questo senso la cosmologia è sempre stata una scienza monopolio del potere religioso, e quindi indirettamente di quello politico, che di esso facevano un potente strumento di condizionamento ideologico delle classi subalterne. La scienza moderna ha strappato a tali istituzioni questo monopolio. Non a caso la nascita della modernità è segnata dal grande conflitto tra scienza e religione, che ha avuto nel processo e nella condanna di Galileo il suo tragico battesimo, scontro che a posteriori si è risolto a favore della scienza.
Modernamente il sistema copernicano è stato ampliato ad una visione complessa dell’Universo, quadro caratterizzato dalla enorme ampiezza delle sue dimensioni e della sua estensione nel tempo, dal numero sterminato di corpi celesti (cento miliardi di galassie, ognuna formata da cento miliardi di stelle, per le quali sembra sempre più evidente il fatto che ognuna sia accompagnata normalmente da un corteo di pianeti). Il tutto collocato in uno schema evolutivo del cosmo sintetizzato nella teoria del Big Bang. Un panorama del cosmo di questo tipo pone problemi circa la posizione dell’uomo nell’Universo che la religione non è più in grado di affrontare e cui nemmeno la scienza può supplire per il suo carattere avalutativo, ma di fronte al quale anche la filosofia arretra sgomenta. Ma questo è un compito fondamentale ed ineludibile che la scienza pone al pensiero moderno.

Per approfondimenti:

Le Scienze, Quaderno n. 117, Cosmologia, 2000
Le Scienze, Quaderno n. 118, Simmetria e realtà, 2001

Luglio, 2010 - Valerio Bertello