Re:
MasslessMeson, 6/4/2011 8:39 PM:
Ci mancano un paio di cose per completare il puzzle: un grosso acceleratore di particelle, l'equazione più famosa di tutti i tempi, un vuoto che non è realmente vuoto, e l'arma di sterminio di massa preferita da Dan Brown.
(cont.)
Torniamo un attimo indietro, ad un microsecondo dopo l'inizio di tutto quanto. Abbiamo un universo caldo, denso, che ha appena cominciato ad espandersi finita l'inflazione, pieno fino all'orlo di energia e radiazioni in ogni direzione. Energia e radiazioni che adesso sono in condizioni tali per condensarsi, e diventare particelle. Diventare materia.
Nel 1928, Paul Dirac, che passerà alla storia come uno dei più grandi fisici di tutti i tempi, stava lavorando sulle sue equazioni nel tentativo di descrivere qualche strano fenomeno di meccanica quantistica (Per essere precisi, voleva descrivere il comportamento dell'elettrone compatibilmente con la relatività ristretta). Nelle sue equazioni c'era però una strana anomalia: saltava fuori una particella del tutto identica all'elettrone, ma con carica positiva, invece che negativa. Dirac tentò di tutto per toglierla dal suo modello, perché una cosa del genere non sembrava essere ragionevole; Ma le sue equazioni funzionavano talmente bene, che alla fine si convinse che, da qualche parte, nell'universo, il positrone doveva esistere. (E per quelle equazioni vinse il Nobel nel 1933, mica bruscolini).
Qualche anno prima, Einstein aveva tirato fuori l'equazione più famosa di tutti i tempi: E=mc^2 . Ora, quel segno di uguale lì in mezzo, significa che non soltanto che la materia e l'energia sono sostanzialmente la stessa cosa, ma che ci deve essere un modo per trasformare l'una nell'altra.
Negli acceleratori di particelle, come l'LHC del Cern, il ciclosincrotrone che doveva far finire il mondo, singole particelle vengono portate a velocità molto prossime a quelle della luce: in pratica, un protone a Ginevra ha una temperatura di 10,000,000,000,000 °C. Il nucleo del sole è "solo" a 15.000.000 di gradi celsius.
Max Planck, altro mostro sacro della storia della fisica, ci ha insegnato che l'energia è quantizzata. Ciò significa che Zenone aveva torto, e non possiamo prendere un quantitativo arbitrariamente piccolo di energia in un continuum, perché ci sono dei "pacchetti" inseparabili, i quanti. Sì può fare un analogia con le monete: nel coniare le monete, il metallo fuso viene pressato in delle matrici: a seconda della matrice, sarà un centesimo, 50 cent, un euro etc.
Ogni moneta è diversa: ha un suo valore, una sua forma, determinate proprietà: ma tutte sono ricavate da metallo fuso. L'energia è come il metallo fuso, e la natura stessa ci fornisce delle matrici: a seconda della quantità di energia avremo protoni, elettroni, neutroni e tutte le altre particelle.
Ora, quando una moneta viene stampata da un foglio di metallo caldo, quello che resta sul foglio è il buco. Quel buco è, sostanzialmente, l'antimoneta. Non puoi produrre una particella senza produrre un antiparticella, e, rimettendola insieme, sia la particella (la moneta), che l'antiparticella (il buco), scompaiono, e ridanno l'energia iniziale (il metallo fuso).
Sì, ma, di fatto, cos'è un' antiparticella? É una particella elementare, come può essere un elettrone, che però ha caratteristiche opposte alla particella normale (tranne la massa che resta uguale). L'antiparticella dell'elettrone, ad esempio, è il positrone, che è grosso come un elettrone ma invece di avere una carica elettrica negativa, la ha positiva.
Il processo per cui le particella e antiparticella collidono e ritornano ad essere energia è l'annichilazione, che piace tanto a Dan Brown, quella cosa che sostanzialmente farebbe funzionare la bombazza ad antimateria in Angeli e Demoni ( se non fosse che Dan Brown non capisce un cazzo neppure di fisica e quindi ha completamente sbagliato a scalare dimensioni ed esplosione).
Ma torniamo un attimo a Dirac e ai suoi pucciosi amici: nel 1932, Carl Anderson, stava lavorando con delle camere a nebbia. Le camere a nebbia sono stati i primi rilevatori di particelle inventati: sostanzialmente erano dei cilindroni pieni di gas raffreddato all'inverosimile, e le particelle che ci passavano lasciavano delle scie di condensa nella camera ermetica. Nel 32, Anderson, che doveva portarsi questi apparati in cima alle montagne perché l'unica fonte di energia abbastanza potenti erano i raggi cosmici che bombardano la terra dallo spazio in ogni istante di ogni giorno, riesce a vedere la scia di una particella positivamente carica delle dimensioni di un elettrone, e finalmente individua il positrone. Per questa impresa Anderson vinse un Nobel nel 1936.
Ma se abbiamo detto che ogni volta che uso l'energia per stampare una particella, ho anche un'antiparticella, perché diavolo nell'universo ho soltanto materia invece che antimateria ?
Boh, nessuno sa per bene come è successo che l'universo abbia preferito la materia all'antimateria. Ma sappiamo cosa deve essere successo, in linea di massima. Non ci vuole un genio: se ci fossero esattamente la stessa quantità di materia e antimateria ogni volta, si annichilerebbero di continuo e l'universo sarebbe un posto molto meno vivibile. Fondamentalmente, perché si possano creare le condizioni per avere più materia che antimateria, ci sono 3 condizioni, le condizioni di Sakharov, dal nome del Russo che negli anni 60 per primo si mise lì a macinare le equazioni per dimostrare che era possibile che un sistema producesse materia e antimateria a ritmi diversi. Se vuoi giocare a fare Dio e costruire un universo come il nostro, devi:
1 Essere in grado di creare e distruggere barioni (I barioni sono un nome figo che usano i fisici per intendere protoni, neutroni, ed altre particelle che sono composte da 3 quark. L'elettrone invece è un leptone, perché non lo puoi smontare ulteriormente in quark.)
2 Non essere all'equilibrio termico
3 Fare il mondo che particelle ed antiparticelle non siano perfettamente uguali.
Ok, la 2nda viene facile: l'universo è in espansione, quindi, necessariamente, non è all'equilibrio termico. Come facciamo con il resto ? Beh, a conti fatti, non è neppure necessario essere tanto divini.
Abbiam detto che protoni e neutroni sono composti da quark. Il protone ha carica +1, e il neutrone zero, perché il protone è composto da due quark up e un down, mentre il neutrone da un up e due down. Un quark up ha carica +2/3, mentre un quark down ha carica -1/3. Siccome le antiparticelle hanno caratteristiche opposte, un antiquark up avrà carica -2/3, e un antiquark down avrà carica +1/3. Sì, sta diventando complicato, ma resistete per un istante.
Noi vogliamo più materia che antimateria, quindi non ci resta altro da fare che avere più quark che antiquark. Come si fa?
Abbiamo un sacco di energia. Sostanzialmente, tutta l'energia possibile: il che significa che possiamo creare ogni particella possibile. Ci basta che esista una particella, che chiameremo particella SuperFashion, che abbia una carica di +4/3. Siccome ha una carica di più +4/3, significa che può decadere o in 2 quark up, o un positrone (+1) e un quark antidown (-1/3). E la particella SuperFashion avrà necessariamente la sua gemella malvagia, l'AntiSuperFashion, che decadrà o in due antiup, o in un elettrone e un quark down.
Se la particella SuperFashion diventa 2 up 50% delle volte e 1 positrone e un antidown l'altro 50% delle volte, allora per avere un universo come il nostro ci serve che l'AntiSuperFashion diventi due antiup il 49.99997% delle volte, e un elettrone e un down il 50.00003%. In pratica, abbiamo bisogno che non sia tutto perfettamente simmetrico. Abbiamo bisogno di una violazione della simmetria CP, una violazione delle simmetrie di base nell'universo. Ora, senza addentrarsi in che cosa sono queste varie simmetrie, è possibile avere una violazione CP ? Yeah, è possibile. A dirla tutta abbiamo molti diversi esempi di violazione CP!
Abbiamo quindi il nostro universo di prima, caldo, denso, che ha appena cominciato ad espandersi finita l'inflazione, pieno fino all'orlo di energia e radiazioni in ogni direzione, ma che ha appena un po' di più di materia che di antimateria. E mentre l'universo si espande, beh, sostanzialmente c'è più spazio, e quindi la roba non si schianta più così spesso. E oltre ad espandersi, stai raffrendando tutto quanto, e quindi, finalmente, quando l'universo ha circa 10 microsecondi d'età, si può formare il primo protone stabile. Gioite tutti quanti, perché siete tutti discendenti di quel singolo protone. Quel protone spezza sufficientemente l'equilibrio perché, gradualmente l'universo cominci a rotolare in un pendio scosceso verso il suo stadio attuale.
Ok, abbiamo deciso che vogliamo particelle e non antiparticelle nel nostro universo: ora è giunto il momento di assemblare qualcosa di più complesso.
(cont.)