Le nuove teorie della fisica quantistica hanno aperto nuovi orizzonti sull’infinitamente piccolo. Stiamo vivendo infatti un periodo di profonde revisioni virtuali della struttura dell’atomo, come mai era accaduto nei secoli che ci hanno preceduto.
In età antica i grandi filosofi greci avevano già intuito che la materia fosse composta da piccole particelle. Questa teoria fu sviluppata e si affermò con il pensiero di Leucippo (V secolo a.C.), fondatore dell’Atomismo. Il termine che diede il nome a questa corrente filosofica era derivante dalla convinzione che queste particelle fossero indivisibili.
Tale ipotesi venne ulteriormente teorizzata da Democrito nel IV secolo a.C. e fu al contrario confutata da Aristotele, il quale circa un secolo più tardi sostenne che la materia fosse essa stessa divisibile all’infinito in parti sempre più piccole che avrebbero mantenuto le loro caratteristiche di fondo. Occorre attendere il XIII secolo con l’alchimista Geber(*) per giungere all’ipotesi che almeno la parte esterna delle particelle chiamate atomi fosse corpuscolare. Nel XIX secolo, Dalton partecipò all’evoluzione di questo pensiero, ma nonostante gli studi maggiormente approfonditi e timidamente sperimentali si giunse all’errata conclusione che gli atomi fossero indivisibili.
Come abbiamo potuto vedere finora le varie teorie si sono succedute e spesso contraddette a distanza di secoli. La vera svolta e una maggiore frequenza di approfondimenti si ebbe nel XX secolo, al cui inizio Thomson formulò l’ipotesi detta “dell’atomo pieno” in cui elementi con carica negativa (gli elettroni) erano presenti in una “pasta” che riempiva letteralmente l’atomo. A quel tempo neutroni e protoni, e di conseguenza il nucleo atomico, non erano stati ancora scoperti. Da lì si arrivò a formulare teorie sempre più precise, attraverso i contributi di Rutherford, Bohr e la successiva variante introdotta da Sommerfeld, che fu quella accettata nel 1932 al momento della scoperta del neutrone.
Probabilmente lo schema classico che generalmente si immagina parlando dell’atomo è quello che vede il nucleo, composto da protoni, carichi di elettricità positiva, e neutroni, elettricamente neutri, attorno al quale ruotano ad orbite non prevedibili e nel modello a “nebbia” gli elettroni, che invece hanno carica elettrica negativa.
Oggi, proprio grazie all’approfondimento della teoria quantistica, nata nella prima metà del secolo scorso, sappiamo che le particelle sub-atomiche sono ulteriormente divisibili. Ci si spalanca perciò l’universo dei quark, dei bosoni, e di altre particelle dai nomi scientificamente suggestivi. Avviciniamo quindi anche se in modo sintetico queste new-entry (si fa per dire) della fisica.
Protoni e neutroni sono composti da particelle che vengono chiamate quark e che differiscono tra loro per la carica frazionaria del loro spin. Quest’ultima è una misura che definisce lo stato della particella stessa. Si può considerare in modo approssimato come una rotazione, anche se le immagini classiche non consentono di raffigurarlo adeguatamente. Può essere positivo o negativo a seconda del verso di “rotazione”, ma anche pari a zero in condizione di massa a riposo. I protoni contengono 2 quark up (carica elettrica + 2/3) e 1 quark down (-1/3), mentre i neutroni contano 1 quark up e 2 quark down. Protoni e neutroni sono chiamati nucleoni.
I quark formano, oltre che i noti protoni e neutroni, anche gli iperoni (formati da tutte le altre combinazioni di 3 quark o anti-quark) e i barioni esotici, con numero barionico +/- 1 e più di 3 quark o anti-quark, tra cui si distinguono i pentaquark (che sono composti da esattamente 5 quark).
Tutte le particelle fino a qui descritte sono dette barioni, e sono fermioni che hanno spin frazionario. Esistono però particelle subatomiche che prendono il nome di mesoni, e sono dei bosoni a spin intero. Esse si dividono in: mesoni q-antiq, composti da un quark e un anti-quark, e mesoni non q-antiq o esotici.
A questo punto occorre fare un’ultima e ulteriore distinzione. Abbiamo visto che i mesoni sono in realtà bosoni a spin intero. Se hanno interazione forte vengono definiti semplicemente mesoni. Se al contrario non sono soggetti a forte interazione vengono chiamati bosoni di gauge o anche bosoni vettori intermedi. Questi ultimi sono emblematici nel mondo della quantistica, in quanto si suddividono in fotoni (soggetti a campo elettromagnetico), gravitoni (soggetti a campo gravitazionale), bosoni W e Z (soggetti a campo nucleare debole), ed infine i gluoni, che devono il nome a “glue” (colla) e in pratica costituiscono gli elementi che tengono unite le particelle nucleari, esattamente come fosse un collante.
Questa classificazione esce dagli schemi tradizionali della suddivisione in particelle all’interno o all’esterno del nucleo, ed è quindi necessario cambiare il tipo di approccio allo studio dell’atomo. È una prerogativa della fisica quantistica, la quale ha rivoluzionato il modo di pensare di scienziati e ricercatori.
Mi rendo conto che si tratta di un’elencazione tutt’altro che semplice, proprio per i motivi di cui sopra, ma al momento è quella soddisfa la maggior parte delle teorie che cercano di mettere a nudo l’atomo, e lo possono fare solo in via teorica o tutt’al più sperimentale, in quanto come sappiamo la loro osservazione diretta fa parte ancora e purtroppo al mondo della fantascienza.
Assimilati questi concetti di base, però, si è pronti ad affrontare il misterioso mondo dei quanti, ovvero le ultime frontiere della fisica, la palestra ove si cimentano alcune tra le menti scientifiche più brillanti del terzo millennio in quelle teorie che aprono le porte all’interpretazione del passato, del presente e del futuro.
(*) Geber fu il nome attribuito ad un anonimo alchimista del XIII secolo che fu erroneamente confuso fino all’inizio del ‘900 con Jabir Ibn Hayyan, alchimista del IX secolo, che nulla ebbe a spartire con lo studio dell’atomo.
