Dagli atomi alle stringhe – Parte terza
Questo è il terzo di una serie di articoli contenenti la mia traduzione di questa pagina. Ogni commento e/o critica è sempre bene accetto/a da chiunque. Buona lettura!
__________________________________________________
1924
In risposta a questo problema il francese Louis deBroglie suggerì che la materia, come la luce, potesse avere proprietà sia delle onde, sia delle particelle. Questo dualismo particella-onda – derivato dal lavoro di Einstein e Planck – fu confermato sperimentalmente, per l’elettrone, nel 1927.
1925 – meccanica delle onde
Il fisico austriaco Erwin Schrodinger formulò un modello di un atomo completo come interazione di onde. Le particelle diventarono simili alle vibrazioni di una corda di violino, con la differenza di essere chiuse in un cerchio. La sua equazione differenziale parziale sembrava avvalorare una simile relazione con le meccaniche dell’atomo allo stesso modo di come le equazioni della dinamica di Newton si relazionavano all’astronomia planetaria. Una nuova teoria fisica, chiamata Meccanica Quantistica, presentava così un modello atomico ancora più radicale. Max Born sostenne che le onde di Schrodinger non avevano nulla a che fare con la realtà materiale. Attualmente, luce e materia esistono sotto forma di particelle; ciò che si comporta come un’onda è la probabilità sul dove tale particella si trova. La ragione per cui la luce a volte sembra agisca come un’onda, è il fatto che noi non notiamo l’accumulazione di molte particelle di luce distribuite sulla probabilità di dove ogni particella si potrebbe trovare.
1926
Il fisico tedesco Werner Heisenberg formulò il suo principio di indeterminazione che dice che noi non possiamo sapere attraverso misurazioni la posizione ed il momento di una particella simultaneamente. Meglio si conosce una, peggio conosciamo l’altra. Tali aspetti del mondo microscopico diventano sempre più incerti mano a mano che le scale di tempo e distanza considerate diventano più piccole. Particelle e campi ondulano e saltano tra tutti i valori possibili previsti dall’indeterminazione quantica. Ciò implica che il regno microscopico consiste in un furore continuo, inondato da un mare violento di fluttuazioni quantiche. Fluttuazione quantica: è il comportamento turbolento di un sistema su scale microscopiche dovuto al principio di indeterminazione.
1926
Paul Dirac progettò un modello di meccanica quantistica (sviluppato da Schrodinger e Heisenberg) che forniva le leggi della dinamica che governano le particelle atomiche. A questo punto egli applicò alla meccanica quantistica anche le idee di Einstein sulla teoria della relatività. L’elettrone poteva ora essere descritto da quattro funzioni d’onda, soddisfacendo quattro equazioni differenziali simultanee. Gli elettroni non potevano comunque essere definiti con esattezza ma esistevano come una sorta di nuvola di probabilità all’esterno del nucleo. Alle equazioni di Dirac seguì l’idea che l’elettrone dovesse ruotare, o avvitarsi, attorno al suo asse e che ci dovessero essere anche stati di energia negativa. Dirac suggerì che la deficienza di un elettrone in uno di questi stati potesse essere equivalente ad una particella carica positivamente di vita breve, o ad un positrone con la stessa massa dell’elettrone, ma intrinsecamente opposto in termini di carica elettrica. Nella materia ordinaria, un positrone si dovrebbe incontrare rapidamente con un elettrone e annichilirsi, risultando in una vita brevissima, ma in un vuoto perfetto il positrone può vivere per sempre. 
Questa nuvola – fotografia (1932) – mostra la traiettoria di una particella di massa elettronica carica positivamente rallentata mentre passa sopra ad una placca di piombo. Essa fu una delle prime evidenze dell’esistenza del positrone. L’introduzione della probabilità costituì una rottura radicale con la fisica tradizionale che conteneva come principio fondamentale il categorico collegamento tra causa ed effetto. La natura probabilistica della meccanica quantistica significò che alcune volte gli eventi accadono per ragioni non analizzabili. O, più correttamente, gli eventi si verificano per cause implicite comprensibili e prevedibili, ma con tempistiche non prevedibili. Non era più possibile collegare eventi conseguenti – gli effetti – ad alcuna causa che potesse permettere di prevedere cosa sarebbe accaduto successivamente. Nonostante gli eventi conseguenti potessero essere previsti in termini di interazioni conosciute tra forze, eventi specifici nel tempo, o eventi scelti specificatamente quando sussistono varie possibilità, non potevano più essere previsti eccetto che su base probabilistica. La realtà sarebbe ora stata descritta attraverso probabilità matematiche al posto di immagini che noi possiamo visualizzare. La durezza della meccanica quantistica portò Bohr a dire:“Chiunque non sia shockato dalla teoria quantistica non l’ha capita”. Malgrado la forte meccanica ondulatoria e le incertezze (in termini di misura), i blocchi fondamentali dell’edificio della conoscenza sulla materia erano ormai stati posti, o così sembrò per un certo periodo. Ma ora – nella seconda metà del ventesimo secolo – tutto divenne complicato un’altra volta. Dopo il 1945 gli scienziati scoprirono centinaia di nuove particelle con l’aiuto di nuove e più potenti macchine – gli acceleratori di particelle – capaci di bombardare il materiale sub-atomico con una forza molto maggiore a più alta velocità. 
I risultati furono assolutamente sbalorditivi: mentre all’inizio sembrava che ci fossero differenti tipi di particelle atomiche costituenti, successivamente si scoprì che ce n’erano circa un centinaio. Molte di queste particelle furono chiamate adroni. Questa è la famiglia di particelle che subisce la maggiore attrazione nucleare forte e include protoni e neutroni. (L’attrazione nucleare forte mantiene i protoni e i neutroni insieme nel nucleo) Ad ogni modo, esclusi i protoni ed i neutroni, tutti gli adroni sono molto instabili e decadono solitamente nel giro di un milionesimo di secondo, e non fanno parte della materia comune.
