Giocare con il bosone di Higgs

Senza dubbio la ricerca e la probabile scoperta della particella chiamata bosone di Higgs ha avvicinato un vasto pubblico alle ricerche svolte in fisica delle particelle. Proprio oggi mi è capitato tra le mani questo articolo, in cui viene descritto un gioco di carte da fare con carte speciali che assomiglia al famoso gioco Memory (quello in cui le carte sono a faccia in giù sul tavolo e bisogna trovare le coppie di carte uguali).
A differenza della classica edizione di Memory, qui abbiamo un mazzo completamente diverso, un mazzo in cui sono raffigurate le particelle elementari (quark e leptoni). L’idea del gioco è quella di girare le carte a coppie cercando di trovare le coppie per cui si hanno due particelle la cui unione può dare vita ad una nuova particella non elementare o descrivere un processo di interazione; per esempio un elettrone e un positrone danno vita ad un fotone, mentre alcune combinazioni di quark possono dare vita a quelle particelle chiamate barioni, mesoni e adroni (in questo caso sarebbe possibile girare anche più di due carte).
Inoltre vi è la svolta del gioco: trovare la combinazione uguale all’evidenza osservativa dell’esistenza del bosone di Higgs. Chi la trova vince la partita, alla faccia di tutti gli altri partecipanti. Non è facile trovare la combinazione prodotta dal decadimento del bosone di Higgs perché si tratta di ben quattro carte. Quindi dovrete armarvi di pazienza e buona memoria.

Ora spendiamo qualche riga riguardo al bosone di Higgs. Questa tanto ricercata particella è la particella che i fisici teorici (in particolare Peter Higgs) hanno ipotizzato esistere per spiegare perché le particelle hanno una massa. Infatti la teoria della fisica delle particelle (chiamata Modello Standard) non permette che nelle equazioni che descrivono il comportamento delle particelle ci siano termini legati alla massa delle particelle stesse. Questo è dovuto al fatto che le equazioni devono essere invarianti rispetto ad alcune simmetrie e la presenza di termini di massa non permette ciò. Per questo è stato proposto il meccanismo di Higgs per il quale serve, appunto, il bosone di Higgs.
Questo in parole davvero povere, insomma.

Ultimo appunto. Perché viene chiamata la particella di Dio? La risposta è che è stata fatta una cattiva traduzione dall’inglese. Infatti in un libro il bosone di Higgs è stato chiamato “goddamn particle” ovvero la particella “maledetta” nel senso che non si riusciva a trovarla. A qualche editore questo appellativo non è piaciuto ed ecco che quindi si è passati a “the God particle” che letteralmente vuol dire “la particella Dio” marcando il fatto che il bosone di Higgs è responsabile della massa delle altre particelle. Già questo vuol dire travisare l’interpretazione dell’autore, ma in Italia si è andati oltre con una traduzione più celestiale e sicuramente suggestiva (e, fatemi aggiungere, remunerativa!), cioé “la particella di Dio”. Il resto della storia lo sapete tutti.

Comunque, per concludere, il gioco di cui vi ho parlati sopra potrebbe essere abbastanza carino. Se ci giocate fatemi sapere se “trovate” il bosone di Higgs.

Due cose sul Big Bang

Gli scienziati, si sa, studiano l’universo e provano a capire com’è fatto elaborando teorie e facendo misure ed esperimenti. La teoria che prova a spiegare la storia dell’universo dal suo inizio è la teoria del Big Bang.
Ora non voglio entrare nei dettagli di questa teoria ma piuttosto parlare di due questioni principali a volte male interpretate da molti.
La prima questione è il “bang”. Va bene, diciamolo pure subito: non c’è stato nessun bang. Voglio dire con ciò che il Big Bang non è stata un’esplosione. La maniera più semplice per capire questa cosa è mettersi bene in testa, una volta per tutte, che con Big Bang i fisici intendono l’inizio dello spazio e del tempo. Prima del Big Bang i concetti di spazio e tempo come li conosciamo oggi non esistevano. Dunque, qualunque cosa sia avvenuta durante il Big Bang, di sicuro non si è trattato di un’esplosione dato che un’esplosione (o almeno l’idea di esplosione a cui pensiamo tutti quando si parla di Big Bang) necessita di uno spazio in cui propagarsi. Spazio che, prima del Big Bang, non esisteva. Quindi niente botto, mi dispiace.
Infatti la teoria del Big Bang è una teoria che descrive un universo in espansione, in cui la distanza tra gli oggetti aumenta nel tempo all’inizio e poi, a seconda di quanta roba c’è nell’universo si possono avere svariati modelli in grado di descrivere l’andamento delle cose.

Detto questo, potete capire benissimo che il modo migliore di definire il Big Bang è un’espansione dello spazio e non un’esplosione nello spazio.

Perciò quando e se vi capita di vedere in televisione uno di quei filmati divulgativi in cui il Big Bang viene rappresentato con un’esplosione con tanto di rumore del botto, ebbene ora sapete che dovrete essere un po’ più scettici.
La seconda questione è molto, parecchio più delicata. E riguarda il cos’è il Big Bang. Per ora quello che sappiamo è che si tratta di una singolarità fisica prevista dalle equazioni della Relatività Generale quando esse sono applicate al tentativo di descrivere l’universo e la sua storia. Singolarità in fisica è una parola che crea parecchi grattacapi ai fisici. In particolare nel caso del Big Bang si ottiene qualcosa con densità infinita e in cui, come abbiamo già detto, i concetti di spazio-tempo come siamo abituati a pensarli perdono di significato. Dunque questo è un bel problema.
Il periodo di tempo che intercorre tra la singolarità e l’istante in cui le teorie attuali cominciano a funzionare è chiamato tempo di Planck ed è qualcosa di davvero infinitesimo, del tipo circa un dieci milioni di miliardi di miliardi di miliardesimo di secondi! Per ora ci dobbiamo accontentare, poi magari un giorno si riuscirà a comprendere cosa è accaduto in questo brevissimo istante, chissà.

Lo so che avevo detto solo due questioni, ma permettetemi di aggiungerne una. Molti fanno questa domanda quando incontrano un astrofisico: cosa c’era prima del Big Bang?
Probabilmente questa domanda è posta per curiosità o per mettere in difficoltà l’astrofisico o a volte (ed è questo il caso più grave) per far finire il discorso su binari religiosi che non hanno nulla a che fare con la scienza. Infatti la scienza si basa sul metodo scientifico ideato da Galileo Galilei.
Per chi non lo sapesse, anche se immagino che voi lo sappiate già, l’idea centrale del metodo scientifico è l’esperimento. Ovvero, possiamo fare tutte le teorie che ci pare, anche bellissime quanto bruttissime ma l’unico giudice insindacabile della scienza è l’esperimento che può rigettare la nostra ipotesi oppure no. Se la rigetta allora ci vuole una nuova teoria. Se invece non la rigetta allora ciò non vuol dire che la nostra teoria è esatta. Vuol dire piuttosto che la nostra teoria non è sbagliata; infatti magari è stata solo una coincidenza che il nostro esperimento sia stato in accordo con la teoria. Per questo bisogna fare tanti esperimenti (o comunque una serie statisticamente valida di misure). Tuttavia non potremmo mai dire che la nostra teoria è giusta anche se facessimo lo stesso esperimento tutti i giorni!
Comunque, tornando al Big Bang, siccome prima di esso lo spazio e il tempo in cui viviamo non esistevano, allora qualunque cosa ci sia stata prima del Big Bang non può essere verificata sperimentalmente da noi, la cui storia inizia al momento del Big Bang.

Per ora ci fermiamo qua. Prossimamente magari parleremo delle prove a sostegno della teoria del Big Bang e anche dei problemi che la incalzano. Per il momento ricordiamoci che non c’è stato nessun botto.

Cos’è l’energia?

Certo, l’argomento non è dei più semplici ma ci provo.

Cominciamo con il dire la verità. L’energia è un numero. In particolare è un numero associato ad un sistema fisico. Perché un numero è così importante? Perché, in alcuni casi, questo numero non può cambiare in un sistema (in particolare se il sistema è isolato).

Per capire quello che accade immaginate di essere in una sala d’attesa di un ufficio con altre 99 persone. Ognuno di voi prende il numerino per entrare. Siccome siete arrivati per ultimi vi tocca il numero 100. Dopo una fase di calma i nervi cominciano a saltare perché l’ufficio ancora non apre. Allora vi sarà la persona anziana che chiede al giovane di fare cambio di numero. E magari il giovane accetta. Oppure ci sarà la mamma con cinque figli che si stanno annoiando e iniziano a piangere. A quel punto sicuramente qualche buon uomo farà passare avanti la signora. Insomma il punto è che probabilmente le persone in fila si scambiano i posti e dunque la composizione della fila cambierà. Tuttavia 100 persone c’erano prima e 100 persone ci sono alla fine. Nulla è cambiato anche se il nostro sistema-fila ha subito delle modifiche. Dunque possiamo dire che l’energia è come il numero di persone; se il sistema non ha contatti con un ambiente esterno quel numero non cambia anche se magari internamente il sistema subisce delle modifiche.

Ovviamente noi abbiamo supposto che dopo la centesima persona non vi fosse più la possibilità di prendere il numerino. Ma questa è un’ipotesi che rende il ragionamento semplice. In realtà sappiamo che in un ufficio c’è gente che va e viene e la fila cambia sia disposizione che volume. Ma in questo caso vi sarebbe interazione con ambienti esterni e quindi il sistema non sarebbe più isolato e l’energia, questo importante numero, non si conserverebbe più.
Voi vi chiederete: ma come è possibile che si tratti solo di un numero? Si parla di energia ovunque in differenti contesti. Verissimo. Questo proprio perché l’energia è un numero! Infatti nell’esempio di sopra abbiamo associato l’energia al numero di persone in fila; non credo vi potevate immaginare un qualcosa del genere. L’energia può assumere differenti forme, ma alla fine della fiera, se si conserva abbiamo che tutte queste differenti forme, sommate, danno sempre come risultato il numero che avevamo all’inizio.

Il punto è che, per un sistema isolato, l’energia è una di quelle cose chiamate “integrali primi del moto”. In soldoni vuol dire che è una quantità che non cambia anche se il sistema cambia internamente. Praticamente abbiamo dato un nome a ciò che abbiamo detto finora.
Ve ne sono altri di integrali primi del moto, alcuni famosi altri meno, ma in generale dipende dal sistema considerato.

In particolare, l’energia è legata all’omogeneità del tempo. Cosa vuol dire? Vuol dire che se abbiamo un sistema fisico in cui non crea alcuna differenza scegliere un istante piuttosto che un altro allora abbiamo la conservazione dell’energia. Infatti se il sistema isolato noi possiamo buttare un occhio alla nostra fila in qualunque momento e vedremo sempre 100 persone in fila.
Tutte queste proprietà del numero energia lo rendono perfetto per la descrizione di un sistema fisico e infatti spessissimo si parla dell’energia in fisica. Molto frequentemente, per esempio, si parla di alte energie, insomma un qualcosa di distruttivo e pericoloso. Come può essere pericoloso un numero?
Ottima domanda. Ma la risposta è sempre la stessa. L’energia non è qualcosa di indipendente ma è associato a qualche caratteristica delle particelle che formano il sistema. Per esempio l’energia può essere associata alla velocità delle particelle o alla loro posizione in un campo di forze.

Se una particella si muove con una certa velocità e si trova in un sistema isolato senza campi di forze, allora niente potrà modificare la velocità di quella particella. Dunque il numero energia sarà associato alla velocità della particella. Oppure se una pallina è momentaneamente bloccata ad una molla compressa, noi sappiamo che non appena rilasceremo la molla la pallina schizzerà via più o meno velocemente a seconda di quanto avevamo compresso la molla. In questo caso dunque il numero energia sarà associato alla compressione della molla. O ancora se un vaso di fiori cade dall’ultimo piano di un palazzo sicuramente farà più danni di uno che cade dal piano terra. Quindi in questo caso possiamo associare il numero energia all’altezza del vaso rispetto al suolo.

Insomma, spero sia chiaro che l’energia sia solo un numero. Un numero che è un indicatore delle potenzialità del nostro sistema fisico. Un numero che descrive sinteticamente un sacco di caratteristiche fisiche del nostro sistema. Però, ricordatevi, solo un numero.