Blog / Nicola Sparvieri | 09 Gennaio 2019

Le Lettere di Nicola Sparvieri – E se le costanti fisiche cambiassero di poco? La magia della costante di struttura fine

In un Universo in continuo cambiamento l’uomo ha sempre cercato qualcosa che permanga e si conservi. La natura stessa della nostra coscienza ha bisogno di riferirsi a qualcosa che sia sicuro e stabile. La comprensione del Mondo Esterno deve potersi appoggiare su qualcosa che sia “fondamentale” cioè che sia a fondamento delle cose osservate. Se tutto scorre e muta incessantemente come possiamo parlare delle cose? Appena cominciamo a parlare di una cosa questa muta ed è diventata un’altra. Che senso ha tutto questo? Cosa permane in questo mutare incessante?

Nella Fisica, intesa in senso moderno, hanno acquistato una grande importanza gli “Invarianti” che sono anche chiamati Leggi di Conservazione, cioè grandezze fisiche che conservano lo stesso valore numerico nell’Evoluzione del sistema considerato. Esse sono legate a delle proprietà di simmetria delle teorie fisiche cui si riferiscono e sono importantissime per la previsione del comportamento della Natura e per la sua stessa Comprensione.

Esempi sono l’Energia, la Quantità di Moto, il Momento Angolare, la Carica elettrica e cosi via. Ma spesso nel corso della storia delle scienze sperimentali il miglioramento tecnologico della precisione della misura di tale grandezze ha fatto capire che tale costanza è vera solo in certi limiti di validità. Per esempio il conservarsi del valore della massa di due reagenti prima e dopo che sia avvenuta una reazione chimica è vera ai tempi di Lavoisier, che misurava la massa di prodotti e reagenti con una semplice bilancia, ma non in Fisica Nucleare dove deve essere sostituita dalla più generale Legge di Conservazione dell’Energia che tenga conto del fatto che massa ed energia sono legate dalla equazione di Einstein E=m.

La precisione di ogni misura che si effettua (chiamata anche “Errore di Misura”) deve sempre accompagnare ogni valore misurato. Questa è una regola fondamentale della Fisica come anche di ogni Scienza che ha l’ambizione di avere una Definizione Operativa, cioè nella quale tutte le grandezze che vi appartengono sono definibili mediante le operazioni che bisogna fare per misurarle. Tutte quelle grandezze che non possono essere definite in questo modo, semplicemente non fanno parte di quella Scienza, nel senso che non possono essere trattate con il metodo sperimentale galileiano. Questo non significa che non esistano ma semplicemente che devono essere trattate altrove con altre categorie di Conoscenza che non siano però quella scientifica operativa.

Queste considerazioni ci fanno riflettere anzitutto sul ruolo della Tecnologia nel progresso della Scienza e viceversa. L’accuratezza, ovvero la riduzione sempre più spinta degli Errori di Misura, nel mondo Macro della Cosmologia dell’Universo o in quello Micro del mondo subatomico, sono decisive nella falsificazione delle Teorie dominanti o nella loro conferma. Vale la pena far notare che per quanto piccoli possano diventare gli Errori di Misura, utilizzando apparecchiature sempre più precise e sensibili, essi non potranno mai essere rigorosamente nulli o, come si dice, i risultati delle misure non potranno mai essere “numeri reali” ma sempre saranno affiancate da un intervallo di variazione cui bisogna inchinarsi come quota della nostra ignoranza.

Lo scopo della Fisica è quello di determinare le Leggi Fisiche e di formulare Teorie che prevedano Leggi verificabili (o falsificabili) per via sperimentale. Le Teorie falsificate vanno abbandonate e vanno formulate nuove Teorie che siano coerenti con tutti i risultati noti. In questo, in ultima analisi, consiste il progresso della Conoscenza in Fisica che conduce a Teorie sempre più generali come la Teoria della Unificazione di tutte le Forze fondamentali della Natura nota come Teoria del Tutto.

Da un punto di vista storico si è notato che, nella formulazione delle Leggi Fisiche, ci si è trovati ad avere a che fare con delle costanti; come nel caso della costante di gravitazione universale newtoniana G, la velocità della luce c, la carica elementare e, o la costante dielettrica del vuoto . Tali costanti hanno delle Dimensioni Fisiche nel senso che dipendono da un sistema di unità di misura che è convenzionalmente stato scelto dalla comunità scientifica e successivamente utilizzata da tutti. Ad esempio le distanze si misurano in metri, le temperature in gradi Celsius, la potenza dissipata da un asciugacapelli in Watts e cosi via.

Tuttavia esistono anche delle costanti Fisiche che sono adimensionali cioè che sono dei numeri puri, non dipendenti da scelte convenzionali umane. Queste quantità assolute possono essere considerate Costanti Fisiche Fondamentali. Tra questa una delle più importanti e interessanti è la Costante di Struttura Fine α. Essa è stata introdotta da Sommerfeld nell’ambito della spettroscopia atomica dell’inizio del 1900 quando si cominciava a sviluppare la prima teoria quantistica proprio studiando l’interazione della luce con i gas nobili che dava luogo a righe spettrali di assorbimento della luce in trasmissione. Sommerfeld introdusse la costante α come correzione relativistica del moto degli elettroni negli atomi. Essa esprime la costante di accoppiamento che caratterizza l’intensità dell’interazione elettromagnetica in relazione alla materia con cui interagisce. Descrive quindi la capacità della materia di aggregarsi e di interagire a livello atomico e strutturale.

Non è noto perché α assuma proprio il suo valore che è stato misurato e che vale circa 1/137. Molti tentativi sono stati fatti per derivare questo valore dalla teoria, ma nessuno ha avuto successo. Nel corso della Storia della Fisica si è notato che quasi tutte le costanti adimensionali sono state eliminate grazie a un ampliamento della teoria in cui apparivano. Per esempio in Struttura della Materia le costanti dielettriche relative, considerate in precedenza Costanti Fondamentali, sono state derivate da Teorie più generali.

Nel caso della Costante di Struttura Fine, invece, non esiste tuttora una spiegazione coerente, tanto che anche Feynman ha dichiarato che “α è stato un mistero fin dalla sua scoperta e tutti i fisici teorici appendono questo numero sulla parete di fronte a loro e si interrogano sul suo significato”. Inoltre l’apparire di α nell’attuale dibattito sulla Teoria del Tutto, rende la sua comprensione ancora più importante e urgente.

Questo mistero, nell’ultimo secolo, ha interrogato, e talvolta ossessionato, le menti più brillanti. L’idea più sorprendente e affascinante che è venuta ad alcuni è che le Costanti Fisiche Fondamentali possano in realtà variare di poco nel corso della Storia dell’Universo e che questo possa spiegare il motivo dell’Evoluzione dell’Universo e della nostra stessa presenza qui come osservatori di questo meraviglioso spettacolo cosmico.

Dall’idea si è subito passati alla verifica sperimentale e, quindi, a cercare di spingere le osservazioni quanto più possibile al di sotto degli Errori di Misura attualmente raggiungibili per poter percepire anche la più piccola variazione di α.

I primi test hanno esaminato le righe spettrali di oggetti astronomici lontani e il processo di decadimento radioattivo nel reattore di fissione nucleare naturale di Oklo, nel Gabon. Questi esperimenti non hanno, allo stato, trovato evidenza di variazioni entro gli Errori di Misura.

Successivamente si è passati da un laboratorio sulla Terra direttamente allo Spazio con un esperimento condotto da un gruppo di ricerca dell’Università del New South Wales, che grazie al telescopio spaziale Hubble, ha studiato una nana bianca (una stella su cui la gravità è 30.000 volte superiore a quella della Terra) per verificare se la Costante di Struttura Fine potesse essere diversa da quella misurata sulla Terra.

Il risultato è che non si rilevano differenze entro un errore di una parte su 10.000. Quindi, allo stato, nessun esperimento ha finora potuto falsificare l’ipotesi di costanza nel tempo, ma si è riusciti a porre un limite superiore alla variazione massima relativa. Ovviamente la sfida è ancora aperta e la ricerca in questo campo procede in maniera appassionata e agguerrita.

Se il valore di α fosse diverso anche sono del 10 per cento, dovremmo totalmente abbandonare l’idea dell’Universo come lo conosciamo oggi. Le Leggi della Fisica, la Materia e la nostra stessa Vita sarebbero completamente diversi. Andando infatti a modificare i rapporti tra le forze attrattive e repulsive tra le particelle elementari, modificheremmo indirettamente la costituzione della Materia stessa.

A questo punto possiamo formulare una affermazione tanto ovvia quanto profonda: tutte le Osservazioni scientifiche che possiamo mettere in atto e tutte le Teorie che possiamo concepire, inclusa quella delle piccole variazioni delle Costanti Fondamentali, non possono essere incompatibili col fatto che noi esistiamo e che siamo qui a discuterne.

Anche se α variasse, essa non può farlo più del compatibile con il fatto che l’Universo si è evoluto in modo che noi fossimo qui a parlarne. Tale Evoluzione deve essere stata compatibile con i numerosi passaggi biologici e chimici indispensabili alla vita, che potevano non avvenire o verificarsi in diversa sequenza e tempistiche, in modo da compromettere la stessa comparsa di forme viventi. L’Universo e le sue Leggi non possono essere incompatibili con l’esistenza umana perché questo pone un vincolo alla nostra presenza in quanto Osservatori.

Questo Principio Antropico, conferisce alla nostra Coscienza di Osservatori una dignità quanto mai grande e alla nostra Esistenza, e quindi alla Vita stessa una straordinaria centralità. Sicuramente siamo qui perché l’Universo si è Evoluto in questo modo, ma non poteva essere diversamente proprio perché siamo qui!

La Vera Bellezza è negli occhi di chi guarda perché esso è stato posto nelle condizioni di poter Guardare.

 

 

Nicola Sparvieri (Roma, 1959), sposato, nove figli, vive e lavora a Roma. Laurea in Fisica. Per interesse ed esperienze personali segue le vicende del cattolicesimo nelle sue relazioni con la Scienza e la Società. Ha un blog