L’evoluzione della massa

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La musica del vuoto

Due Nobel a 50 anni di distanza. La biografia di Max Born e «La musica del vuoto» di Frank Wilczek ripercorrono i progressi di un concetto fondamentale

La massa ha un’origine? Domanda bizzarra, di cui è difficile a prima vista cogliere il senso. Infatti, nella fisica classica il concetto di massa è uno di quelli fondamentali, un concetto primitivo, senza il quale la stessa meccanica newtoniana non sarebbe neppure immaginabile.

Altrettanto difficile, dunque, sarebbe immaginare cosa potrebbe significare una domanda sull’origine della massa. Newton ha insegnato che l’accelerazione di un corpo (anche quella di gravità) si ottiene dividendo la forza che agisce sul corpo per la sua massa. Ma un corpo senza massa non saprebbe come muoversi. Non ci si può liberare della massa senza liberarsi, al tempo stesso, della gravità.

Insomma, «che una domanda abbia un senso grammaticale non garantisce che abbia una risposta, o anche che sia coerente», osserva a ragione Frank Wilczek, un giovane fisico americano, che in questo libretto uscito di recente presenta il percorso che lo ha portato a ottenere il premio Nobel per la fisica nel 2004.

Gli sviluppi della fisica del secolo scorso hanno reso il concetto di massa un po’ meno “irriducibile”. La celebre equazione di Einstein E=mc2 non dice solo che l’energia si esprime in termini di massa ma anche, al contrario, che la massa si può esprimere in termini di energia.

Del resto, il titolo dell’articolo in cui Einstein presentò la sua formula – L’inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto energetico? – non era forse illuminante? «Einstein stava riflettendo sulla fisica fondamentale, non stava pensando alla bomba atomica», afferma Wilczek.

Nei moderni acceleratori di particelle, come quello del Cern a Ginevra, dove fasci di elettroni e di protoni sono accelerati a energie enormi, quando avviene una collisione tra elettroni e positroni spesso si osservano emergere molte altre particelle, la cui massa totale è migliaia di volte la massa degli elettroni e positroni originari. La formula di Einstein mostra che è stata creata dalla massa dell’energia, conclude Wilczeck.

Guardiamo alla cosa dal punto di vista della materia ordinaria, fatta di atomi la cui massa è concentrata nei nuclei. Questi ultimi sono costituiti da protoni e neutroni. «Tutto questo è storia familiare».  Ciò che per Wilczek è semplicemente una storia familiare ben consolidata, è il risultato di una stagione epica della moderna fisica, che ha avuto tra i suoi protagonisti Max Born, premio Nobel per la fisica nel 1954.

In precedenza Born era già stato candidato molte volte al premio, che gli venne finalmente attribuito per i suoi «contributi fondamentali alla meccanica quantistica, in particolar modo per la sua interpretazione statistica della funzione d’onda». Il lavoro per cui sono stato premiato, affermava Born in apertura della lezione tenuta in occasione del conferimento del premio, «Non contiene la scoperta di un nuovo fenomeno naturale, ma piuttosto la base di un nuovo modo di pensare rispetto ai fenomeni naturali». Il nuovo modo di pensare che si è affermato con la meccanica quantistica.

Solo cinquant’anni separano l’attribuzione del premio Nobel a Born e Wilczek, ma se si legge la bella biografia di Born scritta da Nancy Greenspan, anch’essa in questi giorni in libreria, si ha l’impressione che si tratti di una vicenda di un passato remoto, che appartiene a una stagione della fisica tanto eroica quanto lontana.

Born è stato uno dei protagonisti di quella stagione, e questo libro colma finalmente una lacuna nel modo migliore. Gli interlocutori di Born sono dapprima i matematici e i fisici di Gottinga dove si è formato all’inizio del secolo, da Klein e Minkowski a Hilbert. E poi gli stretti rapporti di amicizia con Einstein e Bohr, e il ruolo di primo piano svolto nella creazione della meccanica quantistica negli anni Venti, quando il suo assistente Heisenberg presentò la “meccanica delle matrici”.

Born «cominciò a sviluppare i concetti originali di Heisenberg, e arrivò a quella che gli sembrò l’unica conclusione ragionevole». Quella ottenuta da Born era una formula che esprimeva «la legge di commutazione fondamentale, a partire dalla quale può essere derivata interamente la meccanica quantistica». Born ne era fiero e, quasi 15 anni dopo, definì la scoperta di quella formula «il culmine delle mie ricerche».

Quando qualche tempo dopo apparve l’articolo di Schrödinger, che proponeva una versione alternativa della teoria dei quanti basata sulla sua celebre funzione d’onda, Born ne pubblicò l’interpretazione statistica che gli varrà poi il premio Nobel. Nel libro di Greenspan le vicende di Born si intrecciano con quelle della fisica della prima metà del secolo, e sono immerse nel quadro politico e sociale della Germania del tempo che, con l’ascesa al potere dei nazisti, costringerà all’ esilio Born come gli altri scienziati ebrei.

A partire dagli anni Trenta la frontiera della fisica fondamentale si è spostata verso l’indagine del nucleo atomico. La teoria che governa i nuclei atomici è la cromodinamica quantistica, la cui base matematica è una generalizzazione della elettrodinamica quantistica. Con una metafora geometrica suggerita da Wilczek, la prima sta alla seconda come un icosaedro sta a un triangolo.

La cromodinamica quantistica è la teoria che descrive quark e gluoni, i mattoni fondamentali con i quali sono costruiti protoni, neutroni, mesoni π e un vasto zoo di particelle dalla vita molto breve. In questo modo è stata compresa l’origine di maggior parte della massa della materia ordinaria, che tuttavia costituisce una piccola frazione dell’intera massa dell’Universo: «L’origine della massa in tutte le sue forme» è ancora questione aperta, «Sicuramente, conclude Wilczek, rivelazioni più belle e più profonde attendono di essere scoperte.»

il Sole-24 Ore, Scienza e Filosofia, domenica 24 giugno 2007 – Umberto Bottazzini