La dieta del fotone

Certo che la prova costume terrorizza, molte volte fondatamente, chi è in partenza per qualche località balneare ma tra le particelle del modello standard (i mattoncini che compongono l'universo) c'è ne una che non ha mai, ed intendo mai dall'inizio dei tempi, dovuto preoccuparsi del proprio peso: il fotone. Nonostante appartenga alla famiglia dei bosoni, il cui nome sembrerebbe ricordare elementi ben corposi, il fotone è completamente privo di massa, mentre in effetti gli altri membri del gruppo, tranne i gluoni, hanno qualche problema in più a mostrare la loro silhouette.

I bosoni non sono altro che le particelle che si occupano di scambiare le forze (portano l'energia da una particella ad un altra), ed i fotoni in particolare sono i messaggeri della forza elettromagnetica; ma perché alcune particelle avrebbero massa ed altre no? E' stato uno degli enigmi che ha spinto i fisici alla ricerca del bosone di Higgs, per confermare la teoria che lo stesso Higgs aveva sviluppato ben 50 anni or sono. Esisterebbe un "campo di forza" nel quale siamo immersi (immaginatevi il campo gravitazionale nel quale ci muoviamo) e tale campo interagisce con le particelle in modo diverso donando ad ognuna di esse una massa, ad esclusione di fotoni e gluoni che restano invisibili a tale interazione.

Se vogliamo usare la fantasia possiamo pensare all'universo come una mappa di pacman: le palline sono il campo di Higgs, i fantasmini sono i fotoni (che non raccolgono le palline), mentre pacman è una delle particelle del modello standard che interagisce muovendosi nel campo e mangiando le palline: unica variante è che man mano che raccoglie, pacman diventa più massiccio e quindi più lento, diventando facile preda dei fantasmi fotoni (che invece non rallentano mai).

Alcune riflessioni sull'esistenza del meccanismo di Higgs sono:

- le particelle che interagiscono con il campo acquistando massa non possono più muoversi alla velocità della luce, quindi solo i fotoni vagano indisturbati proprio a quella velocità 

- la massa che viene ceduta alle particelle deve provenire da una fonte di energia molto potente perché per creare anche pochissima massa ci vuole una enormità di energia e quindi o il campo è fortemente energetico (una specie di energia del vuoto) oppure le particelle possiedono già la loro energia ed il campo è solo il mezzo per la condensazione in massa

- più i bosoni sono leggeri e più hanno un campo d'azione ampio, ed infatti la forza elettromagnetica, mediata dallo snello fotone, ci permette di ricevere i raggi di luce dalle profondità dell'universo

- non possedendo massa il fotone è quindi energia pura, ma siccome trattasi anche di particella è una energia confinata (un pacchetto) che può essere assorbita ed emessa dalle particelle che interagiscono in modo elettromagnetico

- in assenza di massa potrebbe non esserci più la percezione del tempo, infatti i fotoni sono immortali e dal loro punto di vista il tempo sembra non scorrere: se così fosse si potrebbe considerare il campo di Higgs, creatore di massa e quindi anche di tempo?

Quante domande avremmo da fare al fotone, anche se la principale rimarrebbe quella per apprendere il segreto per rimanere così in forma e sempre giovane, anche se forse la risposta ovvia sarebbe che lui è perennemente a dieta.

Cavalcando l'onda

Una delle definizioni più ardue da dare in ambito fisico è quella di energia in senso generico (non in una sua specifica forma), nonostante nella nostra esperienza non facciamo alcuna fatica a riconoscere e misurare molti aspetti di questa sfuggente manifestazione dell'universo; se per esempio guardiamo la bolletta della luce o del gas riconosciamo subito di aver utilizzato (e pagato caro) energia seppure in forme e da fonti diverse, mentre se corriamo ci accorgiamo di bruciare energia perché poi siamo stanchi e dobbiamo reintegrare bevendo e mangiando. Addirittura il pensiero nei nostri cervelli si produce tramite l'energia ed il consumo della stessa con lo scambio di impulsi elettrici tra le sinapsi, e possiamo tranquillamente affermare che l'esistenza di tutto ciò che possiamo osservare (e l'osservazione stessa) dipendono dalla presenza dell'energia.

Da quando Einstein ha derivato dalle sue celebri equazioni della relatività anche quella che sarebbe diventata la formula matematica più famosa al mondo, sappiamo che esiste una relazione strettissima tra energia e massa e che nell'ultima è contenuta una quantità enorme della prima (un grammo di Uranio 235 che subisce interamente la fissione produce circa 8 x 1010 joule, ossia quanto la combustione di circa 3 tonnellate di carbone): il processo inverso è invece più difficile da ottenere perché per trasformare l'energia in massa ci vuole una grande quantità di energia concentrata come per esempio un raggio gamma che impattando su di un nucleo atomico dia corpo alla produzione di una coppia di elettrone (materia) e positrone (antimateria).

Sappiamo anche che un raggio gamma non è altro che un onda elettromagnetica, come un raggio di luce od un onda radiofonica, solo molto più energetica, e ne possiamo dedurre che quindi ogni cosa che ci circonda è in pratica energia che si manifesta in forme diverse fino al suo aspetto più condensato che noi percepiamo come massa e quindi materia.

Se tutto nell'universo è riconducibile all'energia come componente primordiale, possiamo immaginarci in qualche modo che struttura possa avere una cosa così sfuggente ed impalpabile?

Utilizzando l'esempio del fotone cioè il "quanto di energia" od ancora il più piccolo pacchetto di energia con cui possiamo interagire, ed avendo dopo decenni di esperimenti verificato che si comporta sia come un corpuscolo ma anche come un onda, proviamo ad immaginare l'energia come lo scorrere di un onda: in fondo l'increspatura osservata sull'acqua cos'è se non altro che energia allo stato puro che si propaga attraverso il movimento delle molecole?

Ed ecco il mistero più grande: in che mezzo si propaga l'onda energetica dei fotoni nell'universo?