Elettrodinamica quantistica (QED) e particelle virtuali

A molti di noi la meccanica quantistica appare una materia complessa, appannaggio di pochi appassionati, e dei fisici  di professione che hanno le chiavi per sopravvivere ai passaggi e alle conoscenze necessarie per penetrare la materia che governa il mondo che ci riguarda.

Molti, quindi, la scansano senza neanche interrogarne la natura e la considerano un pochino “strana” e lontana dalle inferenze legate a come funzionano le cose. Se la realtà quotidiana viene vista come un luogo meraviglioso, misterioso, di certo questo non è molto tranquillizzante per tutti coloro che sono abituati a vedere le cose in un modo, determinato, tradizionale, “tranquillizzante”…

Che la materia sia formata da particelle dotate di un minimo di energia è cosa nota. Solo che non tutti sanno che questo punto può applicarsi anche al vuoto: ed è proprio nella fisica quantistica che questo luogo riesce a diventare un vibrante centro di attività di particelle virtuali capaci di comparire per brevissimi istanti, per poi sparire di nuovo.

Ma andiamo per ordine per non perdere nessun passaggio 🙂

Prendiamo una scatola vuota e spendiamo un pizzico di tempo ad osservarla, cercando di pensare alle sue possibile caratteristiche: quanto è grande, cosa potrebbe contenere, cosa si potrebbe nascondere nei suoi angoli visibili solo con un minimo di accorgimenti? Se abbiamo un po di tempo, noteremo che dal punto di vista di un’analisi di fisica, misurare l’energia in essa contenuta ci dirà che il livello d’indeterminazione al suo interno è (quasi) pari a zero: in altre parole, non abbiamo rilevato nessuna particella.

Se andiamo di corsa, e abbiamo solo qualche secondo di tempo, noteremo che come in pochi altri casi della vita, meno tempo dedichi a una cosa e più rilevanti sono i risultati ottenuti. Se iniziano a sorgere punti interrogativi è più che normale, ci sono passata anch’io 🙂 Quello che volevo mettere in evidenza è che la scatola in questione potrebbe contenere al suo interno delle particelle! solo che considerando il rapidissimo intervallo in cui esse compaiono e scompaiono, noi non riusciamo a vederle direttamente… Eppure, sempre come in pochi casi della vita, siamo avvantaggiati dal conoscere una regola che ne guida il comportamento: ogni particella dell’universo ha un proprio equivalente in antimateria.

In questo caso la massa è la stessa, cambia solo la carica che è – come ci si aspetta – opposta. Quando queste due particelle entrano in contatto, le due si annichilano (perdonate il tecnicismo, ma non so mai chi legge i miei post e non vorrei mancare di puntualità:-), ovvero scompaiono, trasformando però quella che era la loro massa in energia. Ed ecco come nella nostra scatola, di cui aumenta lievemente l’energia, si ha modo di osservare la comparsa di particelle virtuali. Una coppia elettrone-positrone da al sistema un’energia pari a due masse di elettrone, moltiplicate per la velocità della luce al quadrato.

Questo tipo di particelle è alla base della QED, la teoria scientifica conosciuta anche come elettrodinamica quantistica, capace di descrivere le profonde interazioni fra luce e materia, e quelle fra elettroni e campi elettrici o magnetici in termini di emissioni o assorbimento di fotoni.

Tempo fa, vi avevo già parlato dei diagrammi di Feynman. I famosi schemi che il famoso fisico e divulgatore scientifico statunitense, Richard Feynman, creò come strategia di calcolo facilitato per rappresentare le storie di due particelle interagenti. Il più semplice fra questi rappresenta un elettrone che si trova in un campo elettrico o magnetico:

le linee rette riguardano l’elettrone che si muove nello spazio definito, mentre quella ondulata rappresenta un fotone originatosi da un campo elettromagnetico. Perdendo un po’ di tempo ho trovato un’immagine abbastanza chiara da mostrare possibili combinazioni…

feynman diagrams.jpg

Come noterete i movimenti e le posizioni sono continuamente variabili: l’elettrone può viaggiare nello spazio in una direzione x, per poi virare verso un altro punto y dopo che ha interagito con il fotone proveniente da un campo elettromagnetico, emettendo (in linea ipotetica) un fotone virtuale capace di scomparire dopo brevissimi istanti di tempo.

Mi fermo un attimo, ok? scusate ma il passaggio è abbastanza delicato e richiede qualche chiarimento in più. In gergo tecnico si dice che le particelle virtuali si disallineano dalle leggi fondamentali della fisica poiché  si originano e scompaiono così rapidamente da riuscire a violare l’indeterminazione energia-tempo, per riassorbire poi il fotone originato dal campo elettromagnetico.

Le probabilità che una particella ha di comparire diminuiscono all’aumentare della sua massa, quindi una coppia virtuale di protone e antiprotone ha meno possibilità di comparire rispetto a quella di un elettrone e un positrone. Questo perché, come ricorderete, un protone ha una massa di circa duemila volte maggiore di un elettrone. Quando si parla di QED, il discorso si concentra sempre – irrimediabilmente – su scambi di particelle. Ritornando ai due elettroni presenti nella nostra scatola, noi sappiamo che quando si respingono a vicenda lo fanno “prestandosi” un fotone: uno lo emette e l’altro lo assorbe. Questo processo continuo altera il loro moto, e il fenomeno diventa una forza capace di separare le due particelle che generano un’alterazione misurabile; seppur minima e capace di esistere per tempi brevissimi!

Ricordiamoci anche che la meccanica quantistica, di cui la QED fa parte, ci dice che se non conosciamo lo stato esatto di una particella, questa si trova in una combinazione (sovrapposizione) di tutti i suoi stati possibili. Immaginatevi quindi i salti mortali che devono fare i fisici mentre calcolano gli effetti di un elettrone che interagisce con un campo elettromagnetico. Quindi, in un certo senso, quando una particella si sposta dal punto A al punto B non fa altro che seguire – contemporaneamente – tutti i possibili percorsi. Certo, direte voi, il fotone (reale) che può essere assorbito rimane solo uno, e fino a qui nessun problema. Solo che l’emissione (e il riassorbimento) di un fotone virtuale capace di trasformarsi in una coppia elettrone – positrone è una possibilità che non si può escludere, e che i diagrammi di Feynman permettono di calcolare in modo abbastanza incoraggiante!

Beh, il loro “padre”, immortalato nel suo ufficio sembra avere un buon umore, no?

richard feynman

Appare ottimista, sicuro di sé, pieno di energie da dedicare alle espressioni matematiche che governano il comportamento delle particelle subatomiche :-))

Forse è anche per questo che è diventato uno degli scienziati più famosi al mondo. Del resto,  in un sondaggio condotto fra ben 130 fisici di fama mondiale selezionati dalla rivista britannica Physics World nel 1999, Feynman fu considerato fra i dieci più grandi fisici di tutti i tempi!

Ma ritorniamo al nostro discorso e proviamo a fare un passettino in avanti verso l’argomento che è oggetto di questo post. Ammettiamolo, osservare un elettrone capace di interagire con un singolo fotone è un evento abbastanza raro… Difatti, il momento in cui viene rilevato richiama al fisico un risultato che riguarda un gran numero di ripetuti incontri e scontri capaci di variare (anche se leggermente) la quantità di energia presente nel sistema.

I principi della QED servono anche a dire se queste particelle virtuali esistono nei termini previsti dai fisici teorici, che tuttavia non sono esentate dall’esser “immortalate” dai fisici sperimentali capaci di rilevare minime alterazioni fra gli stati ammessi dal sistema. Comunque, a rigor di logica scientifica, perfino una mancata osservazione è un punto importante, da cui partire quindi per dirigere la nostra comprensione della realtà.

Quindi, non appena inizierete a studiare questa parte del vostro programma di fisica, o vi imbattete nella divulgazione scientifica legata alla QED, ricordate anche che la semplicità e la chiarezza del sistema sono punti che possono portare a risultati stabili, a lungo termine. Infatti, come immaginerete, gli eventi che possono accadere sono infiniti, così come possono esistere infiniti diagrammi di Feynman.

In concreto, però, più è complesso il sistema analitico e meno preciso sarà il risultato del calcolo. Ecco perché è importante selezionare solo ciò che porta a raggiungere le condizioni sperimentali che, in quanto frutto di una pianificazioni, permettono poi di essere precisi. Questo vale anche nel momento in cui si arriva al punto di traslare tutte queste nozioni in termini sperimentali, gli unici capaci di darci risultati quantitativi: siano questi aspettati o meno.

Ci vediamo al prossimo post!

LH

 

 

 

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