Cos’è la massa, e qual è il suo significato fisico? Perché alcune particelle hanno massa e altre non ne hanno? Sembra una domanda banale, ma è invece fondamentale capire perché le particelle hanno una massa e per farlo occorre esplorare la fisica delle particelle e la teoria della relatività di Albert Einstein.
Le particelle possiedono alcune caratteristiche intrinseche, rotazione (spin), carica e massa. Per capire cos’è la massa di una particella bisogna andare ad esplorare le proprietà fondamentali della fisica delle particelle elementari.
La migliore definizione di una proprietà fisica è il modo in cui viene misurata. Seguendo questa definizione, vediamo come misuriamo la massa.
Quando utilizziamo una bilancia, misuriamo il nostro peso. Questo perché la Terra esercita un’attrazione attraverso la forza gravitazionale. Questa forza tra noi e la Terra esiste perché sia noi che la Terra abbiamo una massa.
Se utilizzassimo una bilancia sulla Luna o su Marte (o su un qualsiasi altro corpo celeste dotato di una superficie) il nostro peso sarebbe diverso. Sulla Luna, ad esempio, sarebbe un sesto di quello registrato sulla superficie terrestre.
Questo perché la Luna ha una massa inferiore della massa della Terra e di conseguenza la forza gravitazionale tra la Luna e noi è proporzionale alla massa della luna (M) e alla nostra massa (m).
Questo è dato dalla formula F = GMm / (R 2 ) dove R è il raggio della luna e G è chiamata costante gravitazionale di Newton.
La massa è la carica dell’interazione gravitazionale e senza di essa la forza gravitazionale non si manifesta. I fisici si riferiscono a questa manifestazione come massa gravitazionale.
Quando spostiamo un oggetto, dobbiamo utilizzare una certa forza, altrimenti l’oggetto non si sposta. Questo perché l’oggetto che dobbiamo spostare ha una certa massa che si manifesta come inerzia, cioè si oppone al cambiamento del suo stato.
La seconda legge di Newton ci mostra come la forza necessaria per cambiare lo stato di moto di un oggetto è proporzionale alla sua massa inerziale ( F = ma ). È più facile spostare un oggetto leggero che una pesante con la stessa accelerazione.
Unificazione
Einstein ha unificato la massa gravitazionale e la massa inerziale attraverso il suo principio di equivalenza gravitazionale. Il principio di equivalenza afferma che la massa gravitazionale e inerziale sono la stessa cosa.
Questa semplice affermazione, tuttavia, unita all’idea matematica che le equazioni della fisica non dovrebbero dipendere dal sistema di riferimento, porta molto lontano. La prima conseguenza del principio di equivalenza sono le equazioni sulla gravità di Einstein.
Queste equazioni spiegano come la massa deformi il continuum spaziotemporale.
La relatività generale, in parole povere, ci dice che se il Sole non avesse massa, non creerebbe nessuna curvatura nello spazio tempo e la Terra non potrebbe orbitare ma proseguirebbe in linea retta nello spazio.
Einstein grazie alla relatività ci ha spiegato come la massa si collega alla gravità e all’energia, la prima relazione è incorporata dalle equazioni di campo, e la seconda è la famosa formula E = mc 2.
Sfortunatamente, il geniale Einstein non ha mai avuto la possibilità di capire per quale motivo la materia ha massa.
Massa ed energia
Le nuove scoperte della fisica delle particelle ci ha dato una risposta nel 2012 con la scoperta del bosone di Higgs. Una risposta fondamentale, perché senza massa non esiste la gravità, o forse esiste ugualmente? Si, vediamo perché.
Un fotone è la quintessenza dell’assenza della massa. Secondo la nostra attuale comprensione, una delle leggi fondamentali più profonde della fisica delle particelle, chiamata simmetria di gauge, impedisce a qualsiasi particella portatrice di forza, inclusi i fotoni, di acquisire massa. I fotoni però sono “attratti dalla gravità”.
Le osservazioni mostrano che la luce proveniente da una galassia molto lontana, posizionata esattamente dietro il Sole, può essere osservata su entrambi i lati.
Questo effetto è stato utilizzato nel 1919 per convalidare la relatività generale, il campo gravitazionale del Sole deformando il tessuto spaziotemporale distorce la traiettoria di un raggio di luce.
La luce interagisce con i campi gravitazionali a causa della relazione E = mc 2 . Questa equazione afferma che, dal punto di vista gravitazionale, energia e massa sono equivalenti. Un fotone trasporta un po ‘di energia, quindi è attratto dal Sole.
Il fatto che l’energia interagisca con la gravità è importante, perché la maggior parte della massa intorno a noi è energia.
Tutta la materia che osserviamo è principalmente composta da protoni, neutroni ed elettroni.
Gli elettroni sono 2.000 volte più leggeri dei protoni (o dei neutroni), quindi portano una massa inferiore. E, sorprendentemente, la maggior parte della massa di protoni e neutroni è energia immagazzinata grazie a un collante speciale: il gluone.
Questa particella che tiene insieme protoni e neutroni è portatrice della forza forte. L’energia di legame immagazzinata nei gluoni costituisce la maggior parte della massa della materia.
Il bosone di Higgs
Einstein non sapeva da dove provenisse la massa degli oggetti macroscopici, ma la fisica delle particelle ha risposto a questa domanda alla fine del XX secolo. La particella responsabile della “massa” è il bosone di Higgs.
Questa particella è l’eccitazione del campo di Higgs,e le particelle, interagendo con il campo di Higgs acquisiscono massa.
Alla fine del XX secolo era evidente che le simmetrie di gauge, menzionate in precedenza, sono leggi fondamentali e vietano qualsiasi che le particelle portatrici di forze abbiano massa.
Eppure nel 1983 furono scoperte due particelle portatrici di forze: i bosoni W e Z. La scoperta è stata un vero è proprio terremoto nella fisica delle particelle, una delle leggi fondamentali della natura, l’invarianza di gauge veniva messa in discussione.
Rinunciare all’invarianza di gauge avrebbe significato riscrivere la fisica delle particelle.
I fisici teorici, per ovviare al problema, introdussero il meccanismo di Higgs, che consentiva di preservare le simmetrie di gauge a livello fondamentale ma di romperle in modo tale che nel nostro particolare universo siano ancora possibili particelle W e Z dotate di massa.
Questo meccanismo ha fatto vincere a Sheldon Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg il Premio Nobel per la Fisica nel 1979. Oltre ai portatori di forza, il meccanismo di Higgs presta massa alle particelle che compongono la materia, spiegando perché elettroni, neutrini o quark hanno massa.
Il contributo della massa dell’elettrone, del quark o del neutrino fondamentale, tuttavia, è trascurabile rispetto alla massa generata dalla colla che tiene insieme le particelle. Quindi questo significa che Higgs è trascurabile a livello atomico?
La risposta è no. Senza il bosone di Higgs, gli elettroni non avrebbero massa e gli atomi non potrebbero esistere, l’universo sarebbe un posto privo di galassie, stelle e pianeti.
La materia oscura
Oggi sappiamo che solo il 5% della massa dell’intero universo proviene dalla materia ordinaria, il resto, quasi il 70% proviene dall’energia oscura e circa il 25% dalla materia oscura .
Non sappiamo assolutamente nulla né della materia oscura né dell’energia oscura, non sappiamo da cosa siano fatte queste due “sostanze”, ma sappiamo che sono necessarie per spiegare l’evoluzione dell’universo.
