Fisica teorica e Fisica sperimentale. Modelli e Realtà

CERN Ginevra LHC
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La Fisica teorica e la Fisica sperimentale sono quasi sempre andate di pari passo. Ogni osservazione sperimentale della natura ha sempre trovato la sua spiegazione teorica in modelli che la comprendessero, ed ogni intuizione, ogni teoria è stata sempre, presto o tardi, corroborata da prove sperimentali. Questo almeno fino alla metà del secolo scorso.

La nostra tecnologia applicata alla scoperta e all’ampliamento del sapere umano ha fatto passi da gigante negli ultimi due secoli permettendoci di sondare l’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande. Ma oggi, questa tecnologia ha segnato una battuta d’arresto. Siamo riusciti a “vedere” cosa c’è dentro un protone, ad esempio, ma al momento non siamo in grado di portare la nostra osservazione al di sotto di un miliardesimo di miliardesimo di metro. I nostri telescopi scrutano il cielo utilizzando tutte le energie possibili dello spettro elettromagnetico e siamo arrivati a “vedere” con i nostri occhi un buco nero e pianeti che orbitano attorno a stelle lontane. Però, tutto quello che sappiamo di questo universo, qualsiasi sia la scala di osservazione usata, è solo una minuscola percentuale.

All’inizio del ‘900 si pensava che la Fisica non avesse più niente da dire. Tutto quello che c’era da scoprire era già stato scoperto. Poi arriva Max Planck e tutto cambia. Quello che pensavamo di sapere sull’universo viene rimesso in discussione. Modelli consolidati da secoli vengono smontati e ricostruiti in maniera del tutto nuova e diversa in un’ottica spesso non intuitiva. Ma questo non deve spaventarci, dopotutto se dovessimo basarci solo ciò che è percepibile dai nostri occhi, penseremmo ancora di vivere su un disco piatto con il sole e gli altri pianeti che ci girano attorno. Spesso la Natura è tutt’altro che intuitiva e si diverte a giocare con le nostre percezioni. Da fisico ho imparato che il mondo che vediamo e che ci circonda mostra solo una sbiadita approssimazione del suo reale funzionamento.

Come ho accennato all’inizio, dalla metà del secolo scorso, le due branche della Fisica, sperimentale e teorica, hanno iniziato a camminare con velocità diverse e ad allontanarsi sempre più. Abbiamo costruito una delle macchine più grandi al mondo (le cui dimensioni si misurano in decine di chilometri) per sondare gli aspetti più minuscoli della materia ordinaria, ma questo non è bastato per tenere il passo con la voglia di saperne sempre di più su come funziona questo universo.

CERN collisione di particelle
Rappresentazione computerizzata di una collisione tra particelle all’interno del rivelatore CMS.
© 2021 CERN, for the benefit of the CMS Collaboration

Il cosiddetto Modello Standard non è più sufficiente a soddisfare la nostra sete di conoscenza sulla struttura intima della materia. Ha funzionato bene, e tutt’ora funziona, per descrivere lo zoo di particelle elementari che gli sperimentatori degli acceleratori hanno portato alla ribalta. Ma questo modello lascia delle domande ancora senza risposta. Perché la Gravità, una delle quattro forze fondamentali della Natura, è così difficile da capire e da imbrigliare in una teoria quantistica unificata? Cos’è che ci sfugge? Perché la materia ordinaria di cui siamo fatti e di cui è fatto l’universo da noi sperimentabile è responsabile solo del 15% dell’energia totale esistente? Da cosa è composta quella che chiamiamo Materia Oscura ed Energia Oscura? I buchi neri sono caldi? Conservano l’informazione trasportata dalla materia che ingoiano? Esiste un solo universo o ne esistono molti? Cos’è il tempo? È possibile pensare ad un nuovo ed effettivo paradigma di computazione? Queste ed altre sono le principali domande con le quali si è concluso il secolo scorso e si è spalancato il nuovo millennio.

Per dare una risposta a quesiti come quelli qui sopra, molte teorie sono nate. Schiere di fisici teorici stanno costruendo modelli che possano avvicinarci ad una maggiore comprensione di quello che siamo e di come è fatto il mondo dove viviamo. Modelli, teorie astratte, matematica di frontiera: quanto tutto questo ci racconta del “mondo reale”? Non lo sappiamo. Paul Dirac diceva che la bellezza e l’eleganza di una teoria è già un segnale molto forte della sua correttezza. Basta questo per dire che una teoria ci parla di cose reali? No. Non basta, e lo dico da fisico teorico la cui rappresentazione del mondo termina alla fine della lavagna. Quali delle più o meno nuove teorie sono corrette lo può affermare solo la prova sperimentale.

Alla fine di quest’anno, se non ci saranno ulteriori ritardi e rinvii, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN dovrebbe rientrare in funzione. L’ultima accensione ci ha portato la conferma sperimentale del cosiddetto Meccanismo di Higgs, grazie al quale le particelle acquistano la loro massa caratteristica. Questo nuovo Run (come in gergo si chiama l’accensione dell’LHC) dovrebbe spingere l’acceleratore a far scontrare protoni ad energie almeno doppie rispetto all’ultimo Run.

Cosa speriamo di vedere? Personalmente spero che si trovino evidenze sperimentali di quelli che si chiamano Partner Supersimmetrici delle particelle ordinarie. Una scoperta del genere ci permetterebbe di dare una base sperimentale ad alcune parti della Teoria-M (una delle teorie che cerca di dare una connotazione quantistica alla Gravità). Il fatto di non trovare queste particelle enormemente massive, comunque non significherebbe invalidare la teoria, ma semplicemente ci direbbe che forse i nostri strumenti non sono ancora abbastanza potenti per investigare la materia nella sua essenza di filamenti energetici vibranti attaccati a membrane multidimensionali. Oppure, l’LHC ci mostrerà qualcosa di completamente nuovo e non ancora teorizzato. La Natura dimostra una notevole fantasia quando ci si mette.

Luca Ciciriello

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