Di che cosa è fatta la materia?

Il tavolo, l'aria, il nostro corpo, la Terra e le stelle sembrano costituiti da qualcosa che chiamiamo materia.

La materia ordinaria possiede massa, inerzia e una struttura spaziale e può assumere forme e stati differenti. Può essere solida, liquida, gassosa o presentarsi in stati molto più complessi. Può combinarsi, trasformarsi, emettere radiazione e partecipare a processi nei quali vengono create o distrutte particelle.

Ma che cos'è realmente?

È composta da piccole parti indivisibili? È costituita da campi? La massa è una sostanza? Che differenza esiste tra materia ed energia? Se le particelle possono essere create e distrutte, in che senso rappresentano i mattoni fondamentali della realtà?

La fisica ha progressivamente scomposto la materia in molecole, atomi, nuclei, protoni, neutroni, quark ed elettroni.

Più volte ciò che era stato considerato elementare si è rivelato composto. Oggi, però, quark e leptoni non mostrano alcuna struttura interna osservata e sono trattati come particelle elementari nel Modello Standard.

La teoria quantistica dei campi ha infine modificato profondamente la domanda. Le particelle non vengono più considerate semplicemente come minuscole palline solide. Nel formalismo della teoria sono descritte come eccitazioni quantizzate di campi che si estendono nello spaziotempo.

La materia appare così meno simile a una sostanza compatta e più simile a una struttura dinamica di campi, eccitazioni, relazioni, simmetrie e interazioni.

Per comprendere questa trasformazione dobbiamo tornare alle prime domande della filosofia naturale.

La ricerca del principio fondamentale

I primi filosofi greci cercarono un principio originario, chiamato archè, dal quale derivassero tutte le cose.

Talete individuò questo principio nell'acqua. Anassimene lo identificò con l'aria. Anassimandro propose invece l'ápeiron, un principio indefinito o illimitato dal quale emergono gli opposti.

Queste proposte possono apparire ingenue dal punto di vista della scienza contemporanea, ma introdussero un cambiamento fondamentale.

I fenomeni naturali non venivano più spiegati soltanto attraverso racconti mitologici o interventi divini. Si cercava un principio comune capace di rendere intelligibile la molteplicità del mondo.

La domanda era:

come possono tutte le cose differenti derivare da una realtà fondamentale?

È una domanda che, in forme matematiche e sperimentali completamente diverse, continua ad accompagnare anche la fisica delle particelle.

Empedocle e gli elementi

Empedocle sostenne che la materia fosse costituita da quattro elementi fondamentali: terra, acqua, aria e fuoco.

Le cose differenti derivavano dalle diverse proporzioni e combinazioni di questi elementi, mossi da due forze cosmiche simbolicamente indicate come Amore e Contesa.

I quattro elementi non corrispondono agli elementi chimici moderni. Rappresentavano qualità e forme generali della materia.

L'idea importante consisteva nel spiegare il cambiamento senza richiedere che qualcosa nascesse dal nulla o scomparisse completamente.

Gli elementi rimanevano, mentre le loro combinazioni mutavano.

Senza attribuire a Empedocle un'anticipazione della chimica moderna, possiamo riconoscere un'interessante analogia concettuale con un principio che riapparirà nella scienza: fenomeni differenti possono derivare dalla riorganizzazione di componenti più fondamentali.

Quando una sostanza brucia o reagisce chimicamente, la materia non scompare semplicemente. Gli atomi vengono riordinati in nuove molecole e l'energia viene trasferita e trasformata secondo le leggi fisiche.

La trasformazione non richiede necessariamente la creazione o la distruzione dei componenti fondamentali considerati a quel livello.

Democrito e l'atomismo

Con Leucippo e Democrito nacque l'atomismo antico.

Secondo questa concezione, la realtà è costituita da atomi e vuoto.

Il termine átomos significa "indivisibile". Gli atomi erano immaginati come elementi eterni, immutabili e privi di struttura interna. Differivano per forma, ordine e posizione.

Gli oggetti macroscopici derivavano dalle combinazioni degli atomi. Le trasformazioni della materia dipendevano dalla loro separazione e ricomposizione.

Colori, sapori e odori non appartenevano necessariamente agli atomi considerati isolatamente. Emergevano dal modo in cui le configurazioni atomiche interagivano con i nostri sensi.

Questa concezione conteneva una forma precoce di riduzionismo: la varietà del mondo poteva essere spiegata attraverso pochi costituenti e le loro relazioni.

Conteneva anche una distinzione tra realtà fondamentale e apparenza sensibile. Il tavolo ci appare compatto, colorato e stabile, ma la sua realtà profonda sarebbe costituita da elementi invisibili e vuoto.

La fisica moderna confermerà l'esistenza degli atomi, ma non la loro indivisibilità né la forma immaginata dagli atomisti greci.

Aristotele: materia e forma

Aristotele rifiutò l'idea che gli enti potessero essere compresi soltanto come aggregati di particelle.

Ogni sostanza concreta è, nella sua filosofia, un'unione di materia e forma.

La materia rappresenta ciò di cui qualcosa è costituito e la possibilità di assumere configurazioni differenti. La forma rappresenta l'organizzazione che rende l'ente ciò che è.

Il bronzo può diventare una statua, una moneta o uno strumento. La stessa materia assume forme differenti.

Ma la forma non è soltanto il profilo geometrico esterno. È il principio organizzativo che permette di identificare una cosa e comprenderne le funzioni.

Questa concezione viene chiamata ilemorfismo.

La materia priva di ogni determinazione non costituisce da sola un oggetto concreto. Ogni realtà fisica possiede sempre una qualche organizzazione.

La scienza moderna ha generalmente abbandonato la fisica aristotelica e la sua teoria degli elementi. Ma il problema del rapporto tra componenti e organizzazione rimane.

Un organismo vivente non è soltanto un mucchio di atomi. La disposizione, le relazioni e i processi attraverso cui gli atomi sono organizzati risultano essenziali.

In questo senso, la domanda aristotelica sulla forma presenta interessanti analogie con le moderne discussioni sull'emergenza e sui livelli della realtà, pur appartenendo a un quadro filosofico profondamente differente.

La rinascita dell'atomismo

Tra il XVI e il XVII secolo, l'atomismo e il corpuscolarismo tornarono a svolgere un ruolo importante.

Pierre Gassendi cercò di conciliare l'atomismo con la filosofia e la religione del proprio tempo. Robert Boyle interpretò le trasformazioni chimiche attraverso la disposizione e il movimento di corpuscoli.

La natura veniva sempre più descritta come un sistema di parti materiali governate da leggi meccaniche.

Colori, odori e sapori potevano essere collegati alle interazioni tra le particelle e gli organi di senso. Le proprietà macroscopiche derivavano dalla struttura microscopica.

Nel XIX secolo, John Dalton formulò una teoria atomica della materia fondata sulle regolarità delle reazioni chimiche.

Gli elementi chimici erano costituiti da atomi caratteristici. I composti derivavano dalla combinazione di atomi in rapporti numerici definiti.

L'atomo non era più soltanto un'ipotesi filosofica. Diventava parte di una teoria quantitativa capace di spiegare i dati della chimica.

Ma l'atomo di Dalton non sarebbe rimasto indivisibile.

La scoperta dell'elettrone

Alla fine del XIX secolo, gli esperimenti sui raggi catodici mostrarono l'esistenza di particelle dotate di carica negativa e massa molto inferiore a quella degli atomi.

Nel 1897 J. J. Thomson identificò l'elettrone come componente comune della materia.

L'atomo possedeva quindi una struttura interna.

Thomson propose un modello nel quale gli elettroni erano immersi in una distribuzione di carica positiva. Questo modello fu successivamente superato dagli esperimenti di diffusione delle particelle alfa condotti da Hans Geiger ed Ernest Marsden sotto la direzione di Ernest Rutherford.

Nel 1911 Rutherford concluse che quasi tutta la massa e la carica positiva dell'atomo erano concentrate in una regione centrale estremamente piccola: il nucleo.

Gli elettroni occupavano la regione circostante.

La materia appariva così composta in gran parte da una struttura spaziale molto diversa dall'immagine di piccole sfere compatte.

Ma il modello classico dell'atomo nucleare era instabile. Un elettrone classico in orbita avrebbe dovuto emettere radiazione e perdere energia, precipitando rapidamente verso il nucleo.

Per spiegare la stabilità dell'atomo era necessaria la meccanica quantistica.

L'atomo quantistico

Il modello di Bohr introdusse orbite quantizzate, ma la teoria moderna abbandonò l'immagine degli elettroni come pianeti che percorrono traiettorie precise intorno al nucleo.

Gli elettroni negli atomi sono descritti attraverso orbitali atomici, cioè stati a un elettrone - o funzioni utilizzate per descriverli nelle opportune approssimazioni - associati a determinate energie, proprietà angolari e distribuzioni di probabilità.

Un orbitale non è una traiettoria. Non indica il percorso seguito dall'elettrone attorno al nucleo.

La funzione d'onda permette di calcolare la probabilità di rilevare l'elettrone in differenti regioni.

L'atomo possiede quindi una struttura quantistica.

Il nucleo è estremamente piccolo rispetto alla regione occupata dagli stati elettronici, ma non dobbiamo immaginare il resto dell'atomo come un semplice spazio classico completamente vuoto nel quale una pallina si muove.

La funzione d'onda elettronica, i campi e le interazioni sono distribuiti nella regione atomica.

Dire che l'atomo è "quasi tutto vuoto" può essere utile per confrontare le dimensioni del nucleo con quelle dell'atomo, ma diventa fuorviante se suggerisce l'esistenza di un guscio vuoto attraversato da corpuscoli classici.

Perché la materia appare solida?

Se gli atomi non sono piccole sfere rigide e i nuclei occupano una parte minima della loro regione spaziale, perché un tavolo appare solido?

La solidità deriva soprattutto dalle interazioni elettromagnetiche e dalla struttura quantistica degli elettroni.

Quando avviciniamo una mano al tavolo, le distribuzioni elettroniche degli atomi della mano interagiscono con quelle del materiale. Le cariche elettriche producono interazioni elettromagnetiche.

Inoltre, gli elettroni sono fermioni e obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Lo stato quantistico complessivo di fermioni identici deve essere antisimmetrico rispetto allo scambio; da questa struttura deriva il fatto che due fermioni identici non possano occupare lo stesso stato quantistico.

Le configurazioni elettroniche non possono quindi sovrapporsi arbitrariamente.

La resistenza che percepiamo non deriva dall'urto tra superfici solide nel senso classico. Deriva dall'interazione elettromagnetica e dai vincoli imposti dalla struttura quantistica fermionica.

Quando tocchiamo un oggetto, gli atomi della mano non entrano in contatto come due biglie rigide. Interagiscono attraverso le loro strutture elettromagnetiche e quantistiche.

La solidità è reale, ma non corrisponde all'immagine intuitiva di materia completamente compatta.

È una proprietà emergente delle interazioni e dell'organizzazione quantistica della materia.

Il nucleo atomico

Il nucleo contiene protoni e neutroni.

Il protone possiede carica elettrica positiva, mentre il neutrone è elettricamente neutro nel suo insieme.

Protoni e neutroni hanno dimensioni estremamente piccole rispetto all'atomo, ma concentrano quasi tutta la sua massa.

Il numero dei protoni determina l'elemento chimico. Un atomo di idrogeno possiede un protone, un atomo di carbonio sei e un atomo di ossigeno otto.

Il numero dei neutroni può variare, producendo differenti isotopi dello stesso elemento.

La stabilità dei nuclei deriva dall'interazione forte residua tra nucleoni, dalla repulsione elettromagnetica tra protoni e dalla struttura quantistica del nucleo, compresi il rapporto tra protoni e neutroni, l'energia di legame e gli effetti di shell. Per alcuni nuclei sono inoltre importanti i processi di decadimento governati dall'interazione debole.

Ma neppure protoni e neutroni sono particelle elementari.

Sono stati composti dominati dalla dinamica di quark e gluoni.

I quark

Negli anni Sessanta, la classificazione delle numerose particelle prodotte negli acceleratori condusse all'ipotesi dei quark, proposta indipendentemente da Murray Gell-Mann e George Zweig.

Oggi conosciamo sei tipi, o sapori, di quark:

• up;
• down;
• charm;
• strange;
• top;
• bottom.

I protoni e i neutroni sono formati principalmente, per quanto riguarda il loro contenuto di valenza, da quark up e down.

Un protone contiene due quark up e un quark down come quark di valenza:

\[ p=uud \]

Un neutrone contiene un quark up e due quark down:

\[ n=udd \]

Questa espressione è utile, ma semplifica una struttura molto più complessa.

All'interno di un protone o di un neutrone, i quark interagiscono attraverso i gluoni. La struttura interna comprende inoltre un mare dinamico di quark e antiquark e un contributo fondamentale dei campi di gluoni.

Il protone non è semplicemente un sacchetto contenente tre palline.

È uno stato quantistico complesso dei campi di quark e gluoni.

Il confinamento dei quark

I quark possiedono una proprietà chiamata carica di colore, collegata all'interazione forte.

L'interazione è descritta dalla cromodinamica quantistica, indicata con la sigla QCD.

A differenza dell'interazione elettromagnetica, la dinamica della QCD fa sì che i quark non vengano osservati come particelle libere nelle condizioni ordinarie. Quando si cerca di separare i costituenti colorati di un adrone, l'energia associata al campo di colore cresce e può diventare energeticamente favorevole la produzione di nuove coppie quark-antiquark, con la conseguente formazione di nuovi adroni.

Per questo i quark non vengono normalmente osservati isolati.

Il fenomeno è chiamato confinamento.

I quark si combinano in stati complessivamente privi di carica di colore osservabile, chiamati adroni.

I barioni ordinari, come protoni e neutroni, sono associati a combinazioni di tre quark di valenza. I mesoni ordinari sono associati a una coppia di valenza formata da un quark e un antiquark, anche se la struttura completa degli adroni è più complessa.

La realtà fondamentale non è quindi costituita semplicemente da parti che possiamo sempre separare e osservare individualmente.

Alcuni costituenti fondamentali si manifestano sperimentalmente soltanto all'interno di strutture complessivamente prive di colore.

Questo rappresenta una sfida per una concezione troppo semplice del riduzionismo.

Le particelle elementari

Secondo il Modello Standard, le particelle elementari conosciute possono essere suddivise principalmente in fermioni e bosoni.

I fermioni comprendono quark e leptoni e costituiscono i componenti della materia ordinaria.

I quark sono:

• up;
• down;
• charm;
• strange;
• top;
• bottom.

I leptoni sono:

• elettrone;
• muone;
• tau;
• neutrino elettronico;
• neutrino muonico;
• neutrino tauonico.

Queste particelle sono organizzate in tre generazioni.

La materia atomica ordinaria stabile è costituita essenzialmente da quark up e down, che formano protoni e neutroni, e da elettroni. I neutrini elettronici appartengono anch'essi alla prima generazione, ma non costituiscono normalmente la materia atomica stabile.

Le particelle cariche e i quark delle generazioni successive sono generalmente più massicci e instabili. Possono essere prodotti in processi ad alta energia, ma decadono in particelle più leggere. I neutrini richiedono un discorso particolare: le oscillazioni mostrano che possiedono masse non nulle e gli autostati di sapore non coincidono con quelli di massa.

Perché esistano tre generazioni e perché le masse delle particelle abbiano proprio quei valori rimane una domanda aperta.

I bosoni e le interazioni

Tra i bosoni elementari del Modello Standard troviamo i bosoni di gauge, associati alle interazioni fondamentali descritte dalla teoria, e il bosone di Higgs, associato al campo di Higgs.

Il fotone è il quanto del campo elettromagnetico ed è associato all'interazione elettromagnetica.

I gluoni sono i quanti dei campi di gauge della QCD e mediano l'interazione forte.

I bosoni \(W^+\), \(W^-\) e \(Z^0\) sono associati all'interazione debole.

Il bosone di Higgs è l'eccitazione quantizzata del campo di Higgs.

La gravità non è inclusa nel Modello Standard. La relatività generale la descrive attraverso la geometria dinamica dello spaziotempo, ma non possediamo ancora una teoria quantistica della gravità sperimentalmente confermata.

Si ipotizza in alcuni approcci una particella chiamata gravitone, che rappresenterebbe il quanto del campo gravitazionale in una descrizione quantizzata perturbativa, ma non è stata osservata.

La distinzione tra "particelle di materia" e "particelle di forza" è utile, ma non assoluta.

Anche i bosoni possiedono energia e quantità di moto. I campi di interazione contribuiscono alla struttura e all'energia dei sistemi. Alcuni bosoni, come i \(W\) e lo \(Z\), possiedono inoltre massa.

Materia e interazione non sono due regni completamente separati.

Che cos'è un campo?

Nella fisica classica, un campo assegna una o più grandezze fisiche a ogni punto dello spazio e del tempo.

Il campo elettrico, per esempio, determina la forza che subirebbe una carica di prova posta in una determinata posizione, secondo la relazione appropriata.

Con Faraday e Maxwell, il campo acquistò progressivamente una realtà fisica propria. Le onde elettromagnetiche possono propagarsi anche nel vuoto e trasportare energia e quantità di moto.

Nella teoria quantistica dei campi, i campi vengono quantizzati.

Nel Modello Standard esistono campi quantistici fondamentali i cui quanti, nei regimi appropriati, vengono interpretati come particelle. Un elettrone è un'eccitazione quantizzata del campo elettronico. Un fotone è un quanto del campo elettromagnetico. I quark sono eccitazioni dei rispettivi campi.

La particella non deve quindi essere immaginata necessariamente come un oggetto autonomo distinto dal campo.

Può essere interpretata come una manifestazione quantizzata di un campo.

Questa concezione trasforma profondamente l'ontologia della materia.

Nel formalismo della teoria quantistica dei campi, la descrizione fondamentale non assume più la forma di corpuscoli solidi classici, ma di campi quantistici, stati e interazioni capaci di produrre eventi localizzati quando interagiscono con strumenti e altri sistemi.

Ciò non stabilisce però automaticamente quale ontologia dobbiamo attribuire al formalismo.

Le particelle sono reali?

Gli esperimenti registrano eventi localizzati.

Un elettrone può lasciare una traccia in un rivelatore. Un fotone può essere assorbito da un atomo. Un quanto può trasferire energia e quantità di moto durante un'interazione localizzata.

Questi fenomeni rendono naturale parlare di particelle.

Ma la stessa entità quantistica può produrre fenomeni di interferenza ed essere descritta attraverso stati distribuiti nello spazio.

La teoria quantistica dei campi non elimina il concetto di particella. Ne limita e precisa l'applicazione.

In molte situazioni, soprattutto quando le interazioni sono sufficientemente deboli e lo spaziotempo è approssimativamente piatto, la descrizione in termini di particelle è estremamente efficace.

In altri contesti, la nozione di particella può dipendere dallo stato di moto dell'osservatore o dalla struttura dello spaziotempo. Nell'effetto Unruh, per esempio, un osservatore uniformemente accelerato associa una distribuzione termica di particelle a uno stato che un osservatore inerziale descrive come vuoto di Minkowski.

Il campo appare quindi, in molte formulazioni, più generale della particella.

Ma anche questa conclusione non risolve ogni problema. I campi quantistici sono oggetti matematici complessi e rimane da stabilire in quale senso debbano essere considerati fisicamente reali.

Creazione e distruzione delle particelle

Nella meccanica classica, le particelle sono oggetti che conservano la propria identità mentre si muovono.

Nella teoria quantistica dei campi, il numero delle particelle può invece cambiare.

L'energia disponibile in un'interazione può produrre coppie particella-antiparticella quando sono soddisfatte le condizioni cinematiche e le leggi di conservazione. Per esempio, un fotone sufficientemente energetico può produrre una coppia elettrone-positrone in presenza di un nucleo capace di assorbire la quantità di moto; anche collisioni tra fotoni o altre particelle possono produrre nuove coppie.

Una particella instabile può decadere in altre particelle. Una coppia formata da una particella e dalla corrispondente antiparticella può annichilarsi producendo altri quanti.

Ciò che viene conservato non è sempre il numero delle particelle.

Vengono conservate determinate grandezze, come energia, quantità di moto e carica elettrica, insieme agli altri numeri quantici conservati dalle interazioni considerate.

Le particelle non sono quindi sostanze eterne nel senso dell'atomismo antico.

Sono eccitazioni quantistiche che possono essere prodotte, trasformate e assorbite.

La realtà fondamentale può così essere interpretata meno come un insieme di cose permanenti e più come una struttura dinamica regolata da campi, simmetrie, interazioni e leggi di conservazione.

Materia ed energia

La celebre relazione di Einstein per l'energia di riposo è:

\[ E_0=mc^2 \]

Più generalmente, per una particella libera vale la relazione relativistica:

\[ E^2=p^2c^2+m^2c^4 \]

La formula \(E=mc^2\) viene spesso riassunta dicendo che la materia può trasformarsi in energia.

L'espressione è utile, ma può generare un equivoco.

L'energia non è necessariamente una sostanza immateriale nella quale la materia si dissolve. È una grandezza fisica quantitativa dei sistemi e, nelle condizioni appropriate, la sua conservazione è profondamente collegata attraverso il teorema di Noether alla simmetria rispetto alle traslazioni temporali.

A una massa invariante \(m\) corrisponde un'energia di riposo \(E_0=mc^2\), mentre l'energia totale di una particella dipende anche dalla sua quantità di moto.

Quando una particella e un'antiparticella si annichilano, l'energia associata alla loro massa, al loro moto e alle loro interazioni viene trasferita ad altri campi e particelle, per esempio a fotoni.

L'energia non rimane come una sostanza priva di supporto fisico. È una proprietà degli stati e dei sistemi fisici prodotti.

Analogamente, l'energia interna di un sistema contribuisce alla sua massa complessiva.

Materia ed energia non sono quindi due sostanze completamente differenti che possono essere semplicemente convertite l'una nell'altra. La massa è una proprietà dei sistemi fisici e l'energia può assumere forme diverse.

Dire che "tutto è energia" non costituisce però una descrizione sufficiente della realtà. Dobbiamo ancora specificare quali campi, stati, simmetrie e interazioni possiedano quell'energia.

Da dove proviene la massa?

Il campo di Higgs svolge un ruolo fondamentale nell'origine della massa di numerose particelle elementari.

Nel vuoto, il campo di Higgs possiede un valore di aspettazione non nullo. L'interazione con questo campo è responsabile delle masse dei bosoni \(W\) e \(Z\), mentre le masse dei fermioni elementari del Modello Standard sono associate ai loro accoppiamenti di Yukawa con il campo di Higgs.

Ma è scorretto affermare che il campo di Higgs produca tutta la massa dell'universo.

La maggior parte della massa di protoni e neutroni non deriva direttamente dalla somma delle masse a riposo dei quark che li compongono.

Deriva soprattutto dalla dinamica della cromodinamica quantistica: dall'energia associata ai campi di gluoni, al moto relativistico dei quark e antiquark e alle interazioni forti all'interno dell'adrone.

In base all'equivalenza tra massa ed energia, questa energia interna contribuisce alla massa del protone e del neutrone.

Poiché gran parte della massa della materia atomica ordinaria si trova nei nuclei, una porzione molto importante della massa che osserviamo deriva dalla dinamica della QCD e non direttamente dal solo meccanismo di Higgs.

Il campo di Higgs rimane essenziale, ma la storia della massa è molto più complessa.

La massa di un sistema

La massa di un sistema non coincide necessariamente con la somma delle masse isolate dei suoi componenti.

Quando particelle si legano, l'energia totale del sistema cambia. Se viene liberata energia durante la formazione del legame, la massa del sistema legato può risultare inferiore alla somma delle masse dei componenti separati.

Questa differenza viene comunemente chiamata difetto di massa.

Nel nucleo atomico, l'energia di legame modifica la massa complessiva. Nelle reazioni nucleari, piccole differenze di massa possono corrispondere a grandi quantità di energia liberata o assorbita.

Anche un oggetto caldo possiede, in linea di principio, una massa leggermente maggiore dello stesso oggetto freddo, a parità delle altre condizioni, perché contiene più energia interna.

La massa non è quindi una quantità di "sostanza materiale" indipendente dallo stato del sistema.

La massa invariante di un sistema dipende dall'energia e dalla quantità di moto complessive e può includere contributi provenienti dalle masse dei costituenti, dalla loro energia cinetica e dalle interazioni interne.

Questa concezione presenta un'interessante affinità con alcune forme di olismo: la proprietà del tutto non è sempre ottenuta sommando semplicemente le proprietà delle parti considerate separatamente.

L'antimateria

A molte particelle corrisponde un'antiparticella.

L'antiparticella possiede la stessa massa della particella corrispondente, ma valori opposti per determinate cariche e numeri quantici.

L'antiparticella dell'elettrone è il positrone, dotato di carica elettrica positiva. A ogni quark corrisponde un antiquark.

L'antimateria non possiede massa negativa e non è materia che si muove automaticamente all'indietro nel tempo nel senso ordinario.

Quando una particella incontra la propria antiparticella, può avvenire un'annichilazione. L'energia, la quantità di moto e le cariche conservate vengono trasferite ad altri stati, spesso sotto forma di fotoni o altre particelle.

Anche il processo inverso è possibile: energia disponibile in una determinata interazione può produrre coppie di particelle e antiparticelle, purché siano rispettate tutte le leggi di conservazione.

L'universo osservabile contiene molta più materia ordinaria che antimateria ordinaria. Le leggi conosciute presentano alcune asimmetrie tra materia e antimateria, in particolare attraverso la violazione di CP, ma non possediamo ancora una spiegazione completa dell'asimmetria cosmica osservata.

La stessa esistenza della materia che forma stelle, pianeti e organismi dipende quindi da un problema fisico ancora aperto.

Il vuoto quantistico

Nella filosofia antica, gli atomisti concepivano il vuoto come lo spazio privo di atomi.

Nella teoria quantistica dei campi, il vuoto non è il nulla assoluto.

In un dato quadro teorico, e quando una nozione appropriata di energia è disponibile, il vuoto viene generalmente identificato con lo stato fondamentale del sistema, cioè con uno stato di minima energia.

Anche nello stato di vuoto, i campi presentano correlazioni e fluttuazioni quantistiche. La struttura quantistica del vuoto è collegata a fenomeni osservabili, come correzioni dei livelli energetici atomici e fenomeni quali l'effetto Casimir.

Il vuoto può inoltre possedere strutture differenti. Il campo di Higgs, per esempio, possiede un valore di aspettazione nel vuoto non nullo.

Dobbiamo però evitare l'immagine popolare secondo cui il vuoto sarebbe continuamente riempito da particelle virtuali che appaiono dal nulla, esistono per un istante e poi scompaiono come oggetti direttamente osservabili.

Le particelle virtuali sono soprattutto elementi che compaiono in particolari metodi di calcolo perturbativo. Non sono particelle ordinarie rilevabili nello stesso modo delle particelle reali.

Gli effetti quantistici del vuoto derivano dalla struttura dei campi e dei loro stati e non richiedono una descrizione letterale in termini di coppie di particelle che compaiono e scompaiono.

Inoltre, in contesti generali, soprattutto negli spaziotempi curvi, la definizione di vuoto e di particella può diventare più sottile e non essere unica.

Il nulla esiste?

Se il vuoto quantistico possiede campi, stati, correlazioni e struttura, non coincide con il nulla filosofico.

Il nulla, in senso metafisico, sarebbe l'assenza di qualsiasi entità, legge, campo, spazio, tempo o possibilità.

Il vuoto della fisica è invece uno stato definito all'interno di una teoria. Presuppone campi, equazioni e una struttura spaziotemporale o quantistica.

Per questo non possiamo rispondere alla domanda "perché esiste qualcosa invece del nulla?" limitandoci a descrivere le fluttuazioni del vuoto quantistico.

Una fluttuazione quantistica del vuoto presuppone già una struttura fisica.

La cosmologia può studiare l'origine di particelle, campi e configurazioni dell'universo. La domanda sull'esistenza delle leggi e della realtà stessa rimane più generale.

Qui la fisica incontra direttamente la metafisica.

Le particelle identiche

Nella fisica classica, due oggetti perfettamente simili possono comunque essere distinti attraverso le loro traiettorie.

Possiamo numerare due palline e seguirle nel tempo.

Nella meccanica quantistica, le particelle dello stesso tipo sono indistinguibili in un senso più profondo.

Tutti gli elettroni possiedono la stessa massa, la stessa carica elettrica e lo stesso spin. Lo scambio di due particelle identiche non produce un nuovo stato fisicamente distinguibile semplicemente perché abbiamo scambiato le loro etichette.

Gli stati quantistici di sistemi formati da particelle identiche devono rispettare specifiche proprietà di simmetria.

I fermioni, come elettroni e quark, sono descritti da stati antisimmetrici rispetto allo scambio.

I bosoni, come i fotoni, sono descritti da stati simmetrici.

Questa distinzione produce conseguenze fisiche profonde.

Il principio di esclusione di Pauli è collegato al comportamento dei fermioni e contribuisce alla struttura degli atomi, alla tavola periodica e alla stabilità della materia.

Le statistiche bosoniche permettono invece a molti bosoni identici di occupare lo stesso stato quantistico e sono alla base di fenomeni collettivi come la condensazione di Bose-Einstein. Le proprietà bosoniche del campo elettromagnetico sono inoltre strettamente connesse all'emissione stimolata che rende possibile il funzionamento dei laser.

Che cosa rende un elettrone questo elettrone?

L'indistinguibilità quantistica pone un problema filosofico sull'identità.

Nella vita quotidiana, ogni oggetto sembra possedere una propria individualità. Questa sedia non è quella sedia, anche se sono identiche.

Per gli elettroni non sembra sempre possibile attribuire una simile identità individuale classica.

Dopo un'interazione, può non avere significato fisico chiedere quale elettrone finale corrisponda a uno specifico elettrone iniziale.

Una possibile interpretazione consiste nel considerare gli elettroni non come individui dotati di una "questità" nascosta e permanente, ma come eccitazioni dello stesso campo elettronico.

In un'ontologia dei campi, ciò che esiste fondamentalmente sarebbe il campo, mentre le particelle rappresenterebbero sue eccitazioni quantizzate prive dell'individualità classica delle piccole sfere materiali.

Un'altra possibilità consiste nel considerare fondamentali gli eventi di interazione, le relazioni o altre strutture fisiche, senza attribuire alle particelle un'identità classica continua.

La fisica non si limita quindi a scoprire oggetti più piccoli. Modifica anche il contesto nel quale dobbiamo interpretare filosoficamente la parola oggetto.

Particelle, campi o eventi?

La teoria quantistica dei campi permette diverse letture ontologiche.

Secondo un'ontologia delle particelle, la realtà fondamentale è costituita, in qualche senso, da entità o quanti che possono manifestarsi attraverso eventi localizzati e interazioni.

Secondo un'ontologia dei campi, i campi quantistici sono fondamentali, mentre le particelle sono loro eccitazioni.

Secondo un'ontologia degli eventi, ciò che consideriamo fondamentale sono le interazioni e le registrazioni localizzate.

Secondo il realismo strutturale, le relazioni, le simmetrie e la struttura rappresentata dalla teoria possiedono un ruolo ontologico più fondamentale delle singole entità considerate isolatamente.

Ogni concezione incontra difficoltà.

Le particelle producono interferenza, possono essere create e distrutte e non possiedono sempre una posizione definita.

I campi quantistici sono oggetti matematici complessi, non semplici sostanze diffuse simili a fluidi.

Gli eventi richiedono una struttura che ne determini le probabilità e le correlazioni.

Le relazioni sollevano a loro volta la domanda su che cosa esattamente venga posto in relazione.

La fisica stabilisce il formalismo, i vincoli teorici e le previsioni sperimentali. L'ontologia cerca di chiarire che cosa quel formalismo descriva.

Sostanze o processi?

La metafisica occidentale ha spesso attribuito priorità alle sostanze, cioè a entità che esistono e possiedono proprietà.

Una particella classica può sembrare un esempio perfetto di sostanza: un oggetto elementare che conserva la propria identità mentre cambia posizione.

La teoria quantistica dei campi rende però possibile una concezione più dinamica.

Le particelle possono essere create, trasformate e distrutte. I campi interagiscono. Gli stati evolvono. Molte proprietà emergono da processi e relazioni.

Potremmo quindi attribuire priorità ai processi invece che alle cose.

In una prospettiva processuale, un elettrone non sarebbe una minuscola sostanza immutabile, ma una manifestazione stabile di una struttura quantistica dinamica.

Un atomo può essere interpretato come una struttura quantistica dinamica e stabile piuttosto che come una sostanza immobile. Un organismo può essere descritto come una rete di trasformazioni capace di mantenere una determinata organizzazione scambiando materia ed energia con l'ambiente.

La realtà apparirebbe così composta non da mattoni immobili, ma da schemi relativamente stabili all'interno del cambiamento.

Questa è però un'interpretazione metafisica compatibile con aspetti della fisica contemporanea, non una conclusione imposta direttamente dalle equazioni.

Il problema dell'identità degli oggetti

Un corpo vivente scambia continuamente materia con l'ambiente. Assume molecole, elimina sostanze, sostituisce componenti cellulari e modifica la propria struttura.

Eppure continuiamo a considerarlo lo stesso organismo.

Anche un oggetto inanimato può perdere e acquisire atomi senza cessare immediatamente di essere ciò che è.

Il problema ricorda il paradosso della nave di Teseo: se sostituiamo gradualmente tutte le parti di una nave, rimane la stessa nave?

L'identità non sembra dipendere soltanto dalla permanenza dei componenti materiali.

Può dipendere dalla continuità della struttura, della funzione, della storia causale e dell'organizzazione.

Questa idea presenta un'affinità con la distinzione aristotelica tra materia e forma.

La fisica e le scienze contemporanee descrivono i componenti in modo completamente diverso da Aristotele, ma mostrano comunque che, per comprendere molti sistemi complessi, la sola composizione materiale non è sufficiente: organizzazione e relazioni tra componenti sono essenziali alla spiegazione.

Un essere umano non è identificato da uno specifico insieme immutabile di particelle. È un sistema dinamico che mantiene una forma di continuità attraverso il cambiamento.

Riduzionismo

Il successo della fisica delle particelle favorisce una concezione riduzionista.

Se tutti gli oggetti materiali sono costituiti da particelle, campi e interazioni, allora potremmo pensare che ogni fenomeno possa essere spiegato completamente attraverso le leggi fondamentali.

La chimica deriverebbe dalla fisica atomica. La biologia dalla chimica. La mente dalla biologia del cervello.

In un certo senso, tutti i sistemi materiali devono essere compatibili con le leggi fisiche.

Ma da ciò non segue che ogni spiegazione utile possa essere sostituita facilmente, o necessariamente, da un calcolo sulle particelle elementari.

Conoscere il Modello Standard non permette, da solo, di prevedere la struttura di una proteina, il comportamento di un ecosistema o il significato di una frase.

I sistemi complessi presentano livelli di organizzazione, regolarità e concetti propri.

La fisica fondamentale pone vincoli, ma non elimina automaticamente le scienze di livello superiore.

Emergenza

Una proprietà è detta emergente quando appare a un livello collettivo e non appartiene nello stesso modo ai singoli componenti.

Una singola molecola d'acqua non possiede da sola la proprietà macroscopica di essere un liquido. La liquidità è una proprietà di fase che emerge dal comportamento collettivo di un grande numero di molecole in determinate condizioni.

La temperatura non appartiene a una singola particella nello stesso senso in cui appartiene a un sistema macroscopico. È una grandezza termodinamica collegata alla descrizione statistica di sistemi con molti gradi di libertà.

Un cristallo possiede una struttura ordinata che non appartiene a un singolo atomo isolato.

Nei materiali possono emergere entità efficaci chiamate quasiparticelle, come i fononi, che descrivono quanti di vibrazioni collettive. Non sono particelle elementari, ma producono effetti fisici reali e possono essere trattate matematicamente, entro il loro dominio, in modo analogo alle particelle.

L'emergenza non implica necessariamente la violazione delle leggi fondamentali.

Significa che nuove regolarità diventano visibili soltanto quando molte componenti sono organizzate in un determinato modo.

Il tutto dipende dalle parti, ma non sempre può essere compreso semplicemente elencandole.

Emergenza debole e forte

Possiamo distinguere due concezioni dell'emergenza.

Nell'emergenza debole, le proprietà collettive derivano dalla dinamica microscopica, ma la loro previsione e comprensione possono richiedere nuovi concetti, modelli e livelli di descrizione.

Nell'emergenza forte, le proprietà di livello superiore possiederebbero caratteristiche o poteri causali che non sarebbero completamente riducibili alla fisica dei componenti.

Le forme di emergenza debole sono ampiamente utilizzate nella pratica scientifica. L'emergenza forte, intesa come comparsa di proprietà o poteri causali irriducibili, rimane molto più controversa.

Il problema diventa particolarmente importante quando consideriamo la vita e la coscienza.

Se il cervello è costituito da materia ordinaria, ogni processo deve essere compatibile con la fisica. Ma la descrizione di neuroni, rappresentazioni, ricordi e intenzioni può richiedere concetti che non compaiono nel Modello Standard.

La materia può organizzarsi in forme capaci di percepire, pensare e interrogarsi sulla propria origine.

Questa possibilità non viene spiegata semplicemente pronunciando la parola "particelle".

Le teorie efficaci

La fisica contemporanea utilizza spesso teorie efficaci.

Una teoria efficace descrive correttamente i fenomeni entro un determinato intervallo di energie e scale, senza pretendere necessariamente di essere la descrizione ultima.

La meccanica newtoniana è efficace per molti oggetti macroscopici a velocità molto inferiori a quella della luce e in campi gravitazionali deboli. La termodinamica è efficace per sistemi composti da moltissime particelle. La fisica nucleare può descrivere protoni e neutroni senza calcolare in ogni momento tutta la dinamica dei quark e dei gluoni.

Anche il Modello Standard può essere considerato, nel quadro più generale della teoria quantistica dei campi, una teoria che potrebbe essere incorporata in una descrizione più ampia a energie superiori.

Le particelle oggi considerate elementari potrebbero, in linea di principio, rivelare una struttura più profonda a energie non ancora accessibili. Finora, tuttavia, non è stata osservata alcuna struttura interna di quark o leptoni.

Oppure queste particelle potrebbero rimanere elementari mentre il Modello Standard viene incorporato in un quadro teorico più ampio.

Il termine "fondamentale" deve quindi essere utilizzato con cautela.

Una particella viene trattata come elementare quando non ne è stata osservata una struttura interna e quando la teoria la assume come un grado di libertà fondamentale.

Ciò non costituisce una dimostrazione metafisica che sia l'ultimo livello possibile della realtà.

I limiti del Modello Standard

Il Modello Standard descrive con enorme successo le interazioni elettromagnetica, debole e forte.

Ma non costituisce una teoria completa di tutta la realtà fisica.

Non include una descrizione quantistica completa della gravità.

Nella sua formulazione minima originaria, non comprende masse dei neutrini compatibili con il fenomeno osservato delle oscillazioni; queste richiedono quindi un'estensione del quadro minimo.

Non identifica la natura della materia oscura richiesta dall'interpretazione standard di numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche.

Non spiega completamente l'asimmetria cosmica tra materia e antimateria.

Contiene parametri, come masse e intensità degli accoppiamenti, i cui valori devono essere determinati sperimentalmente e non sono spiegati dalla teoria stessa.

Inoltre, il quadro complessivo formato dalla teoria quantistica dei campi e dalla gravità non fornisce ancora una spiegazione soddisfacente del problema dell'energia del vuoto e della sua relazione con il valore osservato della costante cosmologica.

Il Modello Standard non è quindi una teoria finale.

Rappresenta la migliore descrizione sperimentalmente confermata di una vasta parte del mondo subatomico, ma lascia aperte domande fondamentali.

La materia oscura

Le osservazioni del moto delle galassie, della dinamica degli ammassi, delle lenti gravitazionali, della radiazione cosmica di fondo e della formazione della struttura cosmica indicano, nel quadro cosmologico standard, la presenza di una componente gravitazionale che non può essere spiegata dalla sola materia ordinaria visibile.

Questa componente viene chiamata materia oscura.

Non emette, assorbe o diffonde luce in modo significativo nelle normali osservazioni, ma contribuisce gravitazionalmente alla dinamica delle galassie, degli ammassi e dell'universo su larga scala.

Non sappiamo ancora di che cosa sia composta.

L'interpretazione dominante è che si tratti di una componente di materia non ancora identificata microscopicamente, forse costituita da nuove particelle non incluse nel Modello Standard.

Esistono anche programmi di ricerca che esplorano modifiche della dinamica gravitazionale, ma qualsiasi alternativa deve essere capace di spiegare l'insieme delle evidenze astrofisiche e cosmologiche.

La materia oscura non deve essere confusa con l'energia oscura, termine utilizzato per indicare la componente o il fenomeno associato all'espansione accelerata dell'universo.

La domanda "di che cosa è fatta la materia?" rimane quindi aperta anche sul piano osservativo.

Gran parte della componente materiale inferita nell'universo non è stata ancora identificata nella sua natura microscopica.

La materia è informazione?

Lo sviluppo della fisica quantistica e della teoria dell'informazione ha favorito l'idea che l'informazione possa possedere un ruolo fondamentale nella descrizione della realtà.

Uno stato quantistico permette di codificare informazione. L'entanglement produce correlazioni che possono essere utilizzate nella crittografia, nel calcolo e nel teletrasporto quantistico.

Ma l'informazione non deve essere trattata automaticamente come una sostanza immateriale.

Ogni informazione fisicamente accessibile deve essere rappresentata da uno stato fisico: uno stato elettronico, un fotone, una configurazione magnetica, una molecola o un altro sistema.

Il principio di Landauer collega la cancellazione logicamente irreversibile di informazione a un costo termodinamico minimo nelle condizioni appropriate.

Questo mostra un legame profondo tra informazione e fisica.

Non dimostra però, da solo, che la materia o la realtà siano soltanto informazione.

Dobbiamo ancora chiarire che cosa distingua gli stati, quale struttura fisica li realizzi e in quale senso l'informazione esista indipendentemente da un osservatore o da un interprete.

L'informazione potrebbe essere fondamentale, relazionale oppure costituire una descrizione delle differenze e delle correlazioni tra stati fisici.

La materia come struttura

Dopo aver attraversato la storia dell'atomismo, possiamo formulare una risposta provvisoria.

La materia ordinaria è costituita da atomi. Gli atomi comprendono elettroni e nuclei. I nuclei contengono protoni e neutroni. Protoni e neutroni sono stati quantistici complessi dominati dalla dinamica di quark e gluoni.

Secondo il Modello Standard, quark e leptoni sono fermioni elementari, mentre le interazioni elettromagnetica, debole e forte sono descritte attraverso campi quantistici e i relativi bosoni di gauge; il settore di Higgs completa la struttura fondamentale della teoria.

Ma questa risposta non esaurisce il problema.

Le particelle non sono piccole sostanze solide. Nel quadro della teoria quantistica dei campi vengono descritte come eccitazioni quantizzate, possono essere create e distrutte e le particelle identiche non possiedono necessariamente l'individualità classica che attribuiamo agli oggetti macroscopici.

Le masse delle particelle elementari del Modello Standard sono collegate, in modi differenti, al settore di Higgs, mentre la massa dei sistemi composti può ricevere contributi dominanti dall'energia cinetica, dai campi e dalle interazioni interne.

La solidità emerge dalle interazioni elettromagnetiche e dalla struttura quantistica fermionica, compreso il principio di esclusione di Pauli.

Gli oggetti macroscopici dipendono dall'organizzazione di un numero enorme di componenti.

Nel quadro della fisica contemporanea, la materia può quindi essere descritta sempre meno come una sostanza compatta e sempre più come una struttura dinamica di campi, eccitazioni, simmetrie, interazioni e relazioni.

Ciò che appare stabile può essere un sistema dinamico capace di conservare una determinata organizzazione.

Dalla materia alla metafisica

La fisica può descrivere con precisione crescente i costituenti e le interazioni della materia.

Può stabilire quali particelle vengono prodotte in una collisione, come si formano gli atomi, perché i materiali sono stabili e in che modo massa ed energia sono collegate e si redistribuiscono nei processi fisici.

Ma dal successo delle equazioni non deriva automaticamente una sola ontologia.

Dobbiamo considerare reali le particelle, i campi, la funzione d'onda, gli eventi o le strutture matematiche? Le entità emergenti sono meno reali di quelle fondamentali? Una sedia è meno reale di un elettrone perché può essere scomposta?

La fisica distingue diversi livelli di descrizione. La filosofia cerca di chiarire che tipo di realtà attribuire a ciascuno.

Un elettrone è fondamentale rispetto alla struttura di un atomo nel senso che, nel Modello Standard, viene trattato come elementare. Un atomo può essere un costituente di una molecola. Ma una molecola possiede proprietà che non appartengono agli elettroni, ai nuclei o agli atomi considerati isolatamente.

La realtà può essere stratificata senza essere frammentata.

Abbiamo scoperto di che cosa è fatto il mondo?

La risposta è contemporaneamente sì e no.

Sappiamo molto più di quanto sapessero gli atomisti antichi. Possediamo teorie capaci di descrivere la struttura della materia con precisione straordinaria e di prevedere fenomeni che hanno reso possibili tecnologie impensabili.

Ma non sappiamo se i campi e le particelle del Modello Standard costituiscano il livello ultimo della realtà.

Non conosciamo la natura microscopica della materia oscura. Non possediamo una teoria quantistica della gravità sperimentalmente confermata. Non sappiamo perché esistano proprio queste particelle, queste simmetrie e questi valori dei parametri fondamentali.

E non esiste un consenso definitivo su quale realtà ontologica corrisponda al formalismo quantistico.

La domanda "di che cosa è fatta la materia?" conduce quindi a una domanda ancora più generale:

che cosa significa spiegare di che cosa è fatto qualcosa?

È sufficiente elencarne i componenti? Dobbiamo indicarne le leggi? Dobbiamo comprenderne l'organizzazione? Oppure una teoria scientifica si limita a costruire modelli capaci di prevedere i fenomeni?

Dopo aver esaminato particelle, campi e strutture, dobbiamo quindi affrontare il problema del significato stesso della conoscenza scientifica:

la fisica descrive la realtà oppure la spiega?