Si stima che nell’universo osservabile vi siano circa 10 82 atomi. Poiché ogni elemento della tavola periodica contiene almeno un elettrone, puoi quindi presumere con sicurezza che debbano essercene almeno 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.0.000.000 di elettroni nell’universo osservabile.
Eppure, secondo una teoria proposta dal fisico teorico John Wheeler, che ha esposto i suoi pensieri in una conversazione con il collega fisico Richard Feynman, esiste un solo elettrone: sembra che ce ne siano molti di più perché si muove avanti e indietro nel tempo.
La teoria di Wheeler
Per quanto strano possa sembrare, è di per sé una risposta all’incredibile stranezza degli elettroni. Gli elettroni, come le altre particelle elementari, sono indistinguibili l’uno dall’altro. Hanno la stessa carica negativa, la stessa massa e lo stesso spin. Scambia un elettrone con un altro e non sarai in grado di dirlo quale era quello che avevi in origine.
Anche la sua antiparticella – il positrone – presenta le stesse caratteristiche, identico nella carica, nella massa e nello spin. Stranamente, sono identici agli elettroni, a parte che presentano carica positiva. Sono questi fattori che hanno portato Wheeler a suggerire che elettroni e positroni siani in realtà un’unica particella, carica negativamente mentre va avanti nel tempo e carica positivamente quando va indietro nel tempo.
“Un giorno ho ricevuto una telefonata al college di Princeton dal professor Wheeler, in cui ha detto: ‘Feynman, so perché tutti gli elettroni hanno la stessa carica e la stessa massa’“, ha raccontato Feynman durante la sua conferenza per il Nobel del 1965 .
“‘Perché sono tutti lo stesso elettrone!'”
“supponiamo che le linee d’universo che normalmente consideravamo prima nel tempo e nello spazio – invece di limitarsi a salire nel tempo fossero un nodo molto stretto, e poi, quando tagliamo il nodo, attraverso il piano corrispondente a un tempo fisso, vedremmo molte, molte linee del mondo e ciò rappresenterebbe molti elettroni, tranne una cosa: se in una sezione questa è una linea del mondo di elettroni ordinari, nella sezione in cui si è invertita e sta arrivando tornando dal futuro abbiamo il segno sbagliato per il tempo giusto – per le quattro velocità giuste – e questo equivale a cambiare il segno della carica, e, quindi, quella parte di un percorso si comporterebbe come un positrone”.
Ciò significherebbe che si tratta di una vecchia particella che è rimbalzata avanti e indietro nel tempo un numero davvero incomprensibile di volte. Anche se questo sarebbe un modo divertente per spiegare perché elettroni e positroni condividono queste proprietà, è incredibilmente improbabile che sia corretto. Come sottolinea Feynman, nell’universo non ci sono tanti positroni quanti elettroni, e c’è più materia che antimateria. Se positroni ed elettroni fossero la stessa particella elementare che va avanti e indietro nel tempo, ti aspetteresti che ce ne fossero un numero pari.
“Beh, forse [i positroni mancanti] sono nascosti nei protoni o qualcosa del genere“, fu la spiegazione offerta da Wheeler, in modo piuttosto poco convincente. Sebbene fosse un esperimento mentale, e probabilmente non doveva essere preso sul serio, la telefonata ebbe un impatto duraturo su Feynman, che scrisse un articolo su come i positroni possono essere descritti come se fossero elettroni che si muovono all’indietro nel tempo.
“Non ho preso da lui l’idea che tutti gli elettroni fossero uguali, quanto ho preso sul serio l’osservazione che i positroni potrebbero essere semplicemente rappresentati come elettroni che vanno dal futuro al passato in una sezione posteriore delle loro linee d’universo,” ha spiegato. aggiunto. “Quella è un’idea che gli ho rubato!”
Cos’è un elettrone?
L’ elettrone è una particella subatomica con una carica elettrica elementare negativa. Gli elettroni appartengono alla prima generazione della famiglia delle particelle leptoniche, e sono generalmente considerati particelle elementari perché non hanno componenti o sottostrutture note. La massa dell’elettrone è circa 1/1836 di quella del protone. Le proprietà quantomeccaniche dell’elettrone includono un momento angolare intrinseco (spin) di un valore semiintero, espresso in unità della costante di Planck ridotta, ħ.
Essendo fermioni, non esistono due elettroni che possano occupare lo stesso stato quantistico, secondo il principio di esclusione di Pauli. Come tutte le particelle elementari, gli elettroni mostrano proprietà sia di particelle che di onde: possono scontrarsi con altre particelle e possono essere diffratti come la luce. Le proprietà ondulatorie degli elettroni sono più facili da osservare con gli esperimenti rispetto a quelle di altre particelle come neutroni e protoni perché gli elettroni hanno una massa inferiore e quindi una lunghezza d’onda di De Broglie più lunga per una data energia.
Gli elettroni svolgono un ruolo essenziale in numerosi fenomeni fisici, come l’elettricità, il magnetismo, la chimica e la conduttività termica; partecipano anche alle interazioni gravitazionali, elettromagnetiche e deboli. Poiché un elettrone ha una carica, ha un campo elettrico circostante; se quell’elettrone si muove rispetto a un osservatore, l’osservatore lo osserverà generare un campo magnetico. I campi elettromagnetici prodotti da altre fonti influenzeranno il movimento di un elettrone secondo la legge della forza di Lorentz. Gli elettroni irradiano o assorbono energia sotto forma di fotoni quando vengono accelerati.
Gli strumenti di laboratorio sono in grado di intrappolare singoli elettroni e plasma di elettroni mediante l’uso di campi elettromagnetici. Telescopi speciali possono rilevare il plasma elettronico nello spazio. Gli elettroni sono coinvolti in molte applicazioni, come tribologia o carica per attrito, elettrolisi, elettrochimica, tecnologie delle batterie, elettronica, saldatura, tubi a raggi catodici, fotoelettricità, pannelli solari fotovoltaici, microscopi elettronici, radioterapia, laser, rilevatori di ionizzazione gassosa e particelle acceleratori.
Le interazioni che coinvolgono gli elettroni con altre particelle subatomiche sono di interesse in campi come la chimica e la fisica nucleare. L’ interazione della forza di Coulomb tra i protoni positivi all’interno dei nuclei atomici e gli elettroni negativi all’esterno consente la composizione dei due noti come atomi. La ionizzazione o le differenze nelle proporzioni degli elettroni negativi rispetto ai nuclei positivi modificano l’energia di legame di un sistema atomico. Lo scambio o la condivisione degli elettroni tra due o più atomi è la causa principale del legame chimico.
Nel 1838, il filosofo naturale britannico Richard Laming ipotizzò per primo il concetto di una quantità indivisibile di carica elettrica per spiegare le proprietà chimiche degli atomi. Il fisico irlandese George Johnstone Stoney chiamò questa carica “elettrone” nel 1891, e JJ Thomson e il suo team di fisici britannici la identificarono come particella nel 1897 durante l’esperimento del tubo a raggi catodici.
Gli elettroni partecipano alle reazioni nucleari, come la nucleosintesi nelle stelle, dove sono conosciuti come particelle beta. Gli elettroni possono essere creati attraverso il decadimento beta degli isotopi radioattivi e nelle collisioni ad alta energia, ad esempio, quando i raggi cosmici entrano nell’atmosfera. L’antiparticella dell’elettrone è chiamata positrone; è identico all’elettrone, tranne per il fatto che trasporta una carica elettrica di segno opposto. Quando un elettrone collide con un positrone, entrambe le particelle si annichiliscono, producendo fotoni di raggi gamma.
