La teoria quantistica dei campi

Alla fine degli anni quaranta i problemi matematici della descrizione dei campi erano risolti, e la teoria nota come «elettrodinamica quantistica» (QED) fu completata. A tutt’oggi è considerata la teoria più precisa di tutta la scienza

Già dalla fine degli anni Venti dello scorso secolo il formalismo matematico di base della meccanica quantistica era stato definito. Un ulteriore passo in avanti fu compiuto da Paul Dirac (1902-1984) che riuscì a coniugare in un’unica teoria meccanica quantistica e teoria della relatività ristretta.

Ma Dirac riuscì anche ad andare oltre producendo la primissima teoria quantistica dei campi. La teoria quantistica dei campi di Dirac descrive in che modo gli elettroni assorbono ed emettono fotoni, e come due elettroni si respingono per mezzo dello scambio di fotoni. La conseguenza di questa evoluzione teorica fu la scomparsa della distinzione disciplinare tra fisica delle particelle e fisica dei campi.

Rimanevano ancora però ampie zone oscure da chiarire. Assodato che i fotoni sono la manifestazione particellare del campo elettromagnetico, le particelle di materia, come elettroni e quark, lo erano per quanto riguardava il campo quantistico a loro associato. Persisteva però una differenza sostanziale.

I fotoni si possono aggregare in numero illimitato dando vita ad un campo elettromagnetico percepibile su scala macroscopica, mentre le particelle di materia in base al principio di esclusione di Pauli sono molto più riottose a fare altrettanto.

Il principio di esclusione di Pauli è un principio della meccanica quantistica che afferma che due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico, fu formulato dal fisico austriaco nel 1925. Ne consegue che è estremamente difficile percepire i loro campi su scala macroscopica.

Alla fine degli anni quaranta i problemi matematici della descrizione dei campi erano risolti, e la teoria nota come «elettrodinamica quantistica» (QED) fu completata. A tutt’oggi è considerata la teoria più precisa di tutta la scienza.

Definita anche il “gioiello della fisica” per la sua straordinaria capacità predittiva la QED descrive tutti i fenomeni che coinvolgono le particelle cariche interagenti per mezzo della forza elettromagnetica, includendo allo stesso tempo la teoria della relatività ristretta.
Di fatto l’elettrodinamica quantistica è alla base della chimica e descrive in modo estremamente preciso la natura della materia. Purtroppo si basa esclusivamente su una delle quattro forze della natura: l’elettromagnetismo.

Verso la fine degli anni Sessanta del ventesimo secolo i fisici riuscirono a coniugare la QED con una teoria di campo della forza nucleare debole, utilizzando formule matematiche molto complesse.

Oggi abbiamo una teoria unica che descrive una singola interazione «elettrodebole» e che, attraverso un processo chiamato rottura di simmetria, la divide in due forze fisiche distinte: l’elettromagnetismo (realizzato mediante lo scambio di fotoni) e la forza nucleare debole, trasportata dai bosoni W e Z, scoperti al CERN nel 1983.

Questa “scissione” è dovuta ad un altro campo, quello di Higgs, che ci da la massa delle particelle W e Z, lasciando senza massa il fotone. Questo passo in avanti riduceva sostanzialmente a tre le forze fondamentali della natura: la forza elettrodebole, la forza nucleare forte e la gravità (per quanto quest’ultima secondo la relatività generale non è affatto una forza).

Durante lo stesso lasso di tempo fu sviluppata un’altra teoria quantistica di campo per descrivere la forza nucleare forte che tiene insieme i quark all’interno di protoni e neutroni. I quark si presentano con una proprietà che è stata denominata esoticamente “carica di colore” che serve per spiegare perché i protoni e i neutroni devono contenere ognuno tre quark.

La regola è che un quark non può esistere isolato proprio perché è colorato; in natura si trovano solo in combinazioni che risultano non colorate, ovvero una combinazione delle diverse cariche di colore in grado di ottenere questa “neutralità cromatica“.

Per questa ragione, la teoria di campo della forza nucleare forte, che tiene insieme i quark, si chiama «cromodinamica quantistica», o QCD. Le particelle scambiate dai quark sono i gluoni, che in inglese evoca il termine colla.

In conclusione delle quattro forze della natura, ad oggi note, tre si descrivono con la teoria quantistica dei campi ed una con la cromodinamica quantistica. I tentativi per giungere ad un’unica teoria unificatrice per il momento sono risultati infruttuosi.

La ricerca continua. Per adesso dobbiamo accontentarci del Modello Standard delle particelle che per gran parte dei fisici è incompiuto pur avendo collezionato in tutte questi anni un numero considerevole di conferme sperimentali, alcune delle quali veramente spettacolari come il bosone di Higgs nel 2012.

Fonti: alcune voci di Wikipedia, Il mondo secondo la fisica di J. Al Khalili

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