Il 06 Set 2005, 22:58, "Elio Mattia" <elio.mattia_at_libero.it> ha scritto:
> Il fatto che corpi di "carica" uguale si respingono viene giustificato con
> particelle (fotoni) lanciate contro la carica (il pallone invisibile
> lanciato contro il giocatore raffigurato in questa pagina:
> http://www.infn.it/multimedia/particle/paitaliano/unseen_effect.html), il
> che, con la fisica classica � banalmente giustificabile (si vabb�...
diciamo
> che � pi� semplice da capire).
Diciamo tutta la verita' e diciamo che non e' proprio possibile capire di
che
si parla con una approccio tanto icastico. Cerchero' di chiarire e di
qualificare queste difficolta', limitando al minimo i tecnicismi.
Ma essenzialmente hai gia' colto la difficolta'
dicendo che in questi termini non ti puoi spiegare le forze attrattive.
E' perche' e' la verita', le forze attrattive si spiegano in un quadro
teorico preciso in termini di particelle "virtuali" dove l'aggettivo non
e' riferito al fatto che si tratti di particelle "invisibili", ma di
particelle
che contravvengono ad alcuni principi di realta'.
L'immagine che hai presentato con tutti i legittimissimi dubbi che fai
seguire
e' fra le piu' abusate dell'iconistica divulgativa. E' un'immagine che
ascolto
fin dalle scuole elementari. L'immagine viene presentata spesso nella
seguente
forma, o in sue piu' o meno raffinate varianti: ______"Ci sono dei
corpuscoli,
che pero' sono anche onde, perche' nel mondo quantistico vige il dualismo
onda corpuscolo, che mediano le interazioni"_____. Nella presentazione che
hai
segnalato questa natura speciale dei corpuscoli non e' nemmeno accennata.
Si tratta di una vulgata evidentemente priva di qualsiasi pretesa di
scientificita'
nonostante l'illustre patrocinio.
Ed anche se si accennasse al carattere quantistico, la situazione e lo
statuto
speciale di "virtualita'" di queste particelle non sta nel loro carattere
quantistico, bensi' su un piano molto piu' elementare, che provero' ad
articolare ricorrendo a qualche formula e qualche esempio.
Sfortuna vuole, per gli studenti
che si avvicinino a questi argomenti, che questa immagine fu usata da Fermi
dinanzi ad un uditorio con una base tecnica elevata per spiegare il concetto
di mesone e la teoria delle forze deboli e nucleari, e poi fu ripreso dai
tanti che provandosi a spiegare cosa avevano imparato da Fermi o dallo
studio delle sue opere, trovavano persone che non avevano idea di quante
cose era necessario sapere per non equivocarne il significato. Mesone
significa proprio mediatore.
Ma Fermi si esprimeva usando parole molto piu' attente dei riporti di
riporti
che arrivavano alla collettivita', queste parole che suonavano come:
"a conti fatti risulta come se una particella venisse scambiata fra gli
attori
delle interazioni", ma poi spiegava anche qualcosa che suonava piu' o
meno cosi': "queste particelle pero' sono
molto curiose hanno proprieta' che le rendono del tutto atipiche e tali
per cui non possiamo aspettarci di osservarle mai in un esperimento
diretto se non in modalita' del tutto particolari rispetto a quelle in cui
sembrano intervenire nei processi oggetto di studio, per questo conviene
parlare di particelle virtuali, onde distinguerle da quelle particelle che
possono essere oggetto di esperienze".
Ovviamente senza una minima base non solo di meccanica quantistica, ma
proprio di teoria dei campi quantistici questa espressione rimane priva di
significato. E non ci sono scorciatoie, che io conosca, che permettano di
comprendere il senso oscuro, ma non assente in queste parole. L'unica via
sensata e' di ripercorrere e studiare il quadro culturale in cui questa
affermazione e' maturata. Ogni affermazione privata del suo contesto
semantico diventa anche priva di significato. E questo vale anche per le
affermazioni di mondo comune. Se io dico: "dalla finestra del mio studio
vedo il sole" per te rimane una comunicazione incompleta, ma gia' hai
un quadro semantico a cui riferirla: sai cosa e' il sole, sai cosa e' una
finestra,
sai cosa puo' essere uno studio". Allora provero' a dare un sapore non gia'
di cosa sia una particella virtuale, quanto di quali ne siano i difetti di
realta'
usando solo nozioni relativamente comuni.
Il punto piu' delicato dell'immagine usata da Fermi e contestata spesso
dai virtuosi del significato, fra cui lo stesso Fermi va incluso, e' che se
un oggetto dotato di massa si muove da Q1 a Q2 deve portare anche
un impulso orientato da Q1 a Q2. Se l'impulso si deve conservare non
puo' succedere che dopo lo scambio di questa particella
Q1 e Q2 se, poniamo, viaggiavano parallele, comincino ad avvicinarsi.
Questo e' anche il contenuto della tua perplessita'. Ora chi ha studiato la
teoria dei campi quantistici sa che non esiste davvero nessun corrispettivo
classico per descrivere questi mediatori, che sono particelle virtuali. Al
punto
che la prima tentazione che uno potrebbe avere, pensare a masse negative,
per spiegare il mistero di impulsi che puntano in direzione contraria al
moto
si rivela una trappola pericolosa. Le particelle virtuali sono talmente
dispettose
che se un'esperto si mette a tavolino a calcolare la massa di una particella
virtuale associata ad un processo di attrazione usando la relazione
m^2 c^4 = E^2 - (cp)^2 puo' trovarsi a dover estrarre la radice quadrata di
un
numero negativo. Ad esempio: supponiamo di avere due particelle inizialmente
in moto una contro l'altra su due rette parallele (anche su questo ci
sarebbe da
fare una lunga serie di distinguo legate al principio di indeterminazioni,
ma
sorvoliamo) Q1 e Q2 hanno cariche opposte, dopo essere passate vicine le
troviamo con la stessa energia che avevano prima dell'avvicinamento ma su
due rette differenti che si . Siccome nell'interazione l'impulso complessivo
del sistema
deve risultare conservato troviamo che, se vogliamo spiegare quello che e'
successo introducendo una particella partita dalla carica Q1 nel punto L che
ha
raggiunto la carica Q2 nel punto M dopo un volo di durata t, dobbiamo
attribuire
la variazione di impulso nel punto L ad una particella che si e' fatta
carico della
differenza. Questo impulso, deve puntare lungo la retta LM ma punta non
verso
M ma verso la direzione contraria. E questa e' la prima sorpresa. L'impulso
di
qualsiasi oggetto classico non puo' puntare contro il suo verso di moto.
La seconda sorpresa e' che se vogliamo che l'energia totale si conservi
e nel punto L non abbiamo variazione di energia, allora la particella che
si e' staccata in L e' zero. In breve usando la relazione m^2 c^4 = E^2 -
(cp)^2
trovi che vale m^2c^4 = -(cp)^2. Cioe' il quadrato di un numero negativo.
Abbiamo trovato in questo esempio che la massa quadra delle particelle
virtuali che abbiamo inventato per spiegare la deflessione osservata e
per tenere in piedi l'apparato delle leggi di conservazione valido in tutta
la meccanica classica ed anche nella fenomenologia delle particelle
osservabili nei laboratori, deve essere negativa. Ma che razza di numero
ha un quadrato negativo? Un numero immaginario. Ecco allora la seconda
sorpresa. Le particelle virtuali possono avere massa immaginaria. A questo
punto un ragazzo sveglio si puo' chiedere se per queste particelle valgano
le classiche definizioni newtoniane di impulso ed energia cinetica, o per lo
meno le loro estensioni einsteniane: ricordiamo le relazioni di Einstein.
Per particelle di massa m l'energia e'
I) E=mc^2 / sqrt(1-v^2/c^2) e l'impulso e'
II) p=mv / sqrt(1-v^2/c^2). E l'energia cinetica si ottiene dall'energia che
ho
scritto sottraendo mc^2. La velocita' si trova da v=c^2p/E Ma alle nostre
particelle noi abbiamo attribuito una energia nulla, per ragioni di bilancio
energetico, d'altra parte la massa, pur se immaginaria non e' nulla. E
questa allora e' la terza sorpresa: le relazioni
III) m^2 c^4 = E^2 - (cp)^2
IV) p = vE/c^2
sono incompatibili nel caso di queste particelle virtuali. Infatti energia
nulla imlica, in accordo con la seconda equazione, impulso nullo.
E questo non e' possibile, perche' abbiamo attribuito alla nostra particella
virtuale un impulso non nullo. Quindi nulla: per le particelle virtuali
dobbiamo
rinunciare alle definizioni einsteniane di energia ed impulso che valgono
per
le particelle reali massive. Ora questo problema si presenta anche nel caso
dei semplici fotoni. Ma se nel caso dei fotoni basta rinunciare alle
relazioni
I) e II) oppure adattarle con il ricorso a numeri speciali che implementano
il concetto di infinitesimo, nel caso delle particelle virtuali anche la
la IV) deve essere abbandonata e la III) puo' essere conservata solo a
patto di fare ricorso a masse immaginarie. E' percio' che non esistono
scorciatoie e che l'aggettivo "virtuali" va usato quando si parla di
mediatori di interazione nel contesto delle "teorie quantistiche dei campi".
> Ma ora, dato che molte forze sono attrattive (EM per le "cariche" opposte,
> gluoni per la forte, gravitoni per la gravitazionale), "come � possibile"
> che delle particelle si attraggano?
>
> Poi, perch� i corpi _generano_ queste particelle e perch� le "inviano"
> proprio agli interlocutori dello stesso tipo di forza (e non, tipo,
> dappertutto... perch� se cos� fosse, un corpo perderebbe sempre energia)?
E,
> a seguire, questi mediatori hanno massa e/o energia? Perch� senza queste,
> allora potrebbero giusto "sparare" mediatori tutt'intorno e aspettare una
> risposta (che costituirebbe magari l'interazione stessa).
>
> So che le domande sono alquanto particolari e ostiche, ma sono altrettanto
> interessanti.
E' vero e ti diro' che la requisitoria liquidatoria della questione che poni
e che
ho presentato e' valida in un contesto ben preciso che e' in verita' previo
alla teoria
quantistica dei campi relativistici. In questa teoria sono pensabili dei
dribbling
terminologici che io nel mio schema non sono autorizzato a fare. Ad esempio
e' possibile distruggere una particella prima di crearla. Esiste una
formulazione
in cui questi dribbling sono vietati, ma il costo di questo divieto e'
quello di
rinunciare a qualcuna delle relazioni che ho indicato prima. E non escludo
che un giorno si giunga ad una formulazione coerente in cui anche le formule
di Einstein vengano adattate al caso di particelle virtuali,
eventualmente ricorrendo ad opportune estensioni.
Faccio un esempio di fantasia: giusto un'auto provocazione che mi concedevo
al tempo in cui studiavo fisica teorica: se le particelle
Q1 e Q2 fossero su una sfera e la particella venisse effettivamente creata
in L e
raggiungesse M viaggiando su una sfera non per la via piu' breve ma per la
via piu' lunga ci sarebbe un modo di rendere coerenti tutte le posizioni. Ti
dico che non lo so e che con il senno di poi ritengo d'ostacolo
all'apprendimento
delle teorie esistenti questo genere di pensieri, che pure sono
inevitabilmente
suggeriti dalla nostra immaginazione che vive in contatto con i sensi e con
una
dimensione quotidiana che fino a prova contraria non e' percepita solo in
termini
di pensieri astratti.
Infatti le strutture delle teorie correnti sono gia' talmente sofisticate ed
astratte
da richiedere un notevole impegno per costruire
un ponte significativo con la sensibilita' umana. Allora tanti di questi
pensieri sono destinati a non trovare un seguito ed una collocazione
coerente in
un quadro astratto che viene costruito in una dimensione per l'appunto
astratta
e dove i concetti direttamente tratti dalla sensibilita' rappresentano solo
una parte
del complesso di termini e di concetti necessari a formare una struttura
teorica, pur
se formano la parte di maggiore rilevanza semantica. Per esempio la
struttura quotidiana
di spazio e tempo tratta dall'esperienza delle misure di spazio e di tempo
deve essere
finalmente ritrovata da qualunque teoria che si proponga di spiegare
l'universo. Ma
il ruolo dello spazio e del tempo in una teoria sofisticata possono
risultare in una posizione
tanto defilata che senza una padronanza severa dei termini del discorso si
rischia di
perdersi in meandri di non-sense. Questa difficolta' che gia' si pose nella
teoria quantistica
dei campi diventa un'urgenza drammatica nel caso delle teorie di stringa o
delle teorie di
grande unificazione in cui spazio e tempo hanno un ruolo privilegiato in un
quadro
estremamente complesso ed articolato.
Pero' questo non esclude che alle volte delle suggestioni cosi'
immaginifiche
possano condurre, in una collettivita' opportunamente preparata alla
corrispondenza
quantitativa fra la teoria e l'esperienza a nuovi orizzonti teorici.
> Scusatemi per gli eventuali errori concettuali che vorrete correggermi.
>
> Grazie anticipatamente
>
> Ciao!
> Elio
>
> P.S.: se mettete in mezzo concetti e/o formalismi esagerati (deformazioni
e
> curvature dello spaziotempo e simili), possibilmente spiegateli (nel
limite
> del possibile)... altrimenti il dubbio, nonostante il vostro sforzo,
rimane
> l� (so che sarebbe colpa mia, though...).
Non si tratterebbe certo di una colpa, quanto di una inadeguata
preparazione.
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http://arianna.libero.it/usenet/
Received on Wed Sep 07 2005 - 13:34:54 CEST