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Titolo: L'universo può smentire Einstein?

Le costanti della fisica sono davvero costanti?
 
L'universo fisico verrebbe completamente stravolto se due costanti 
fondamentali come la costante di struttura fine e il rapporto tra la 
massa del protone e quella dell'elettrone fossero lievemente diverse. 
Eppure non esiste alcuna legge fisica che prescrive che il loro valore 
debba rimanere immutabile nel tempo e nello spazio. Fin dagli anni 
trenta del Novecento, generazioni di fisici si stanno occupando della 
questione, e l'unica via, oggi come allora, è condurre misure 
sperimentali in diverse condizioni, specialmente sui segnali che ci 
arrivano dallo spazio profondo e che possono essere catturati dai 
telescopi più moderni(red)
Quando Max Born si rivolse alla South Indian Science Association, nel 
novembre del 1935, era un momento di grande incertezza nella sua vita. 
Il Partito nazista aveva già sospeso la rinomata cattedra di meccanica 
quantistica presso l'Università di Gottinga nel 1933.
 
Era stato invitato a insegnare a Cambridge, ma era una posizione 
temporanea. Poi il Partito pose fine alla sua permanenza a Gottinga 
nell'estate del 1935. Born accettò così l'offerta di lavorare con C. V. 
Raman ed i suoi studenti per sei mesi presso l'Indian Institute of 
Science di Bangalore.
 
Mentre si trovava laggiù, scoprì che la sua famiglia aveva perso i suoi 
diritti di cittadinanza tedesca. Era senza patria e senza una sede 
stabile. Inoltre, c'era una grande incertezza su due numeri, emersi da 
una serie di scoperte e teorie negli ultimi quattro decenni. Erano 
immutabili e adimensionali. Il primo, la costante di struttura fine, 
pari a 1/137, definisce l'intensità delle interazioni tra le particelle 
fondamentali e la luce. L'altro numero, mu, indica il rapporto tra la 
massa di un protone e quella di un elettrone.
 
Born era alle prese con la ricerca di teoria unificante per tutte le 
forze fondamentali della natura, e voleva anche una teoria che spiegasse 
l'origine di queste costanti. Cercava qualcosa, disse, “per spiegare 
l'esistenza delle particelle elementari pesanti e leggere, il loro 
quoziente di massa pari a 1840”.
 
Le costanti della fisica sono davvero costanti?
Un ritratto d'epoca di Max Born (1882-1970) (Wikimedia Commons)
Potrebbe sembrare un po' strano che Born si preoccupasse di un paio di 
costanti. Le scienze ne sono piene: una definisce la velocità della 
luce, un'altra la forza di gravità, e così via. Noi usiamo questi numeri 
abitualmente, li vediamo comparire nelle tabelle riportate sui manuali, 
li codifichiamo nei nostri software, senza star troppo a pensare perché 
sono costanti. Una cosa strana in effetti c'è: 
non esiste una teoria per spiegare la loro esistenza. Sono universali e 
sembrano immutabili, come nel caso delle masse del protone e 
dell'elettrone. Ma di volta in volta, vengono convalidate 
dall'osservazione e dall'esperimento, non dalla teoria.
 
Ciò che Born e tanti altri cercavano era una teoria unificante che 
dimostrasse che l'esistenza di un solo un valore, invariabile, per una 
data costante. Senza questa teoria, gli scienziati non possono fare 
altro che testarne i limiti. Misurare la costante è un buon modo per 
verificare se le teorie che li utilizzano hanno senso, se la scienza si 
trova su un terreno solido. Un errore nelle misure potrebbe essere un 
problema enorme. Così, invece di verificare le masse di protoni ed 
elettroni, è utile misurare il rapporto delle loro masse, un numero che 
è privo del fardello dell'unità di misura.
 
La ricerca di una teoria unificante non è mai finita. Due anni dopo la 
conferenza di Born, il suo collega di Cambridge, Paul Dirac, si chiedeva 
su "Nature" se le costanti fossero davvero costanti, guardando 
all'intera storia del cosmo. Le misure sulla Terra sono utili, ma il 
nostro pianeta è un minuscolo punto blu nel vasto universo. Ciò che 
Dirac si domandava decenni fa è quello che i fisici continuano a 
chiedersi oggi. È una costante in tutto l'universo? Perché è una 
costante? Quanto è costante? La domanda è rimasta senza risposta, anche 
se sono passati i decenni. “Il valore più preciso attualmente 
disponibile per il rapporto tra la massa del protone e quella 
dell'elettrone è 1836,12 +/- 0,05”, scriveva Friedrich Lenz nel 1951 
sulle “Physical Review Letters". "Può essere interessante notare che 
questo numero coincide con 6pi^5 = 1836,12." Questo è tutto ciò che dice 
l'articolo.
 
Mettere in discussione le costanti non è un'idea balzana, poiché le 
teorie esistenti non impediscono che abbiano un valore diverso. 
L'universo ha attraversato tre grandi fasi: quella iniziale, dominata 
dalla radiazione, subito dopo il big bang; una lunga fase dominata dalla 
materia; infine una fase molto lunga dominata dall'energia oscura che ha 
avuto inizio sei miliardi di anni fa. Un'ipotesi è che il rapporto delle 
masse potrebbe essere variato solo nelle transizioni tra le fasi. Il 
valore effettivo del rapporto delle masse, 1836.15267389, non desta 
tante preoccupazioni quanto l'incertezza circa la sua effettiva natura 
di costante. E gli scienziati hanno fatto incredibili progressi 
nell'affrontare questa incertezza.
 
Le costanti della fisica sono davvero costanti?
Una suggestiva immagine notturna del Very LArge Telescope dell'ESO, in 
Cile (Cortesia ESO)
Nei prossimi mesi, i ricercatori della Vrije Universiteit di Amsterdam, 
in collaborazione con i colleghi dell'Università di Amsterdam e della 
Swinburne University of Technology di Melbourne, pubblicheranno il 
resoconto dei loro risultati sulla rivista “Review of Modern Physics” 
(l'articolo è disponibile su arXiv). Il rapporto delle masse, scrivono, 
varia per meno dello 0,0005 per cento, non abbastanza per definirlo un 
cambiamento. Il dato è basato su osservazioni da telescopio che tornano 
indietro nel tempo addirittura di 12,4 miliardi di anni, quando 
l'universo aveva solo il 10 per cento della sua età attuale.
 
La conclusione è allo stesso tempo banale e sorprendente. Il cambiamento 
è così onnipresente che non riflettiamo mai su quanta parte abbia nella 
nostra esistenza. Una cellula umana può sopportare un milione di 
mutazioni del DNA al giorno. Le foglie che sono verdi d'estate 
ingialliscono in autunno, prima di cadere e seccare sotto i nostri 
piedi, il tutto nell'arco di un anno. Gas ruotarono per milioni di anni 
fino ad aggregarsi e formare le rocce e l'acqua che oggi costituiscono 
il nostro pianeta in orbita intorno al Sole. Eppure alla base di tutto 
questo cambiamento si trova un numero, – un numero che rimane invariato, 
da quanto si può vedere nel cosmo. E non sappiamo perché. Il mu è come 
un Verbo scientifico che crea l'universo.
 
La storia del cosmo è un buon terreno di prova per misurare le 
variazioni della costante. Dal momento che la luce prodotta 
dall'universo primordiale continua a raggiungere la terra, i 
radiotelescopi sono strumenti efficaci per studiare il rapporto delle 
masse. La luce più antica interagisce con i gas in galassie e stelle 
lontane prima di raggiungere terra. La luce ci arriva pertanto con una 
“firma” caratteristica di questi gas, che assorbono determinate 
frequenze di luce. Negli spettri registrati con gli strumenti dei 
telescopi, questi assorbimenti si manifestano come righe mancanti. 
Confrontando questa firma con le misurazioni fatte in laboratorio sullo 
stesso gas, i ricercatori possono dedurre le variazioni del rapporto tra 
le masse.
 
Il gruppo della Vrije Universiteit è uno dei pochi al mondo che si 
stanno occupando del rapporto delle masse protone-elettrone da oltre un 
decennio. Ha collaborato con scienziati provenienti da Australia, 
Francia, Russia, Svizzera, Stati Uniti, Regno Unito, India e Filippine. 
Ha studiato piccole quantità di idrogeno, ammoniaca e metanolo rimaste a 
fluttuare nello spazio per miliardi di anni. Ha confrontato i segnali 
provenienti dal Very Large Telescope, situato nel deserto freddo e 
asciutto del Cile settentrionale, da un radiotelescopio di 100 metri in 
una storica città termale in Germania, e da un radiotelescopio di 30 
metri situato nella Sierra Nevada spagnola. Ha anche utilizzato il 
telescopio spaziale Hubble per osservare nane bianche e vedere se gli 
ambienti con una gravità 10.000 volte più intensa della Terra potessero 
alterare il rapporto delle masse.
 
E... nada. “Risultato nullo” è una delle frasi più ricorrenti negli 
articoli del gruppo. Il che è una buona cosa. Anche un piccolo 
cambiamento di qualche punto percentuale nel valore del rapporto 
significherebbe un universo diverso. Un rapporto delle masse minore 
potrebbe significare un protone più evanescente e forse anche 
un'attrazione debole per gli elettroni che orbitano intorno al nucleo, 
con il risultato di diversi tipi di materia.
 
Anche se il mondo non è molto tenero con le ricerche che non hanno nulla 
di nuovo da sbandierare, un risultato nullo non significa che la 
questione possa essere accantonata. Qui sta il dilemma che fa sentire il 
gruppo di ricerca della VU ugualmente inutile e importante. Nessuna 
teoria fisica può spiegare la costanza del rapporto delle masse, garante 
delle leggi della fisica.
 
Le costanti della fisica sono davvero costanti?
Un giovane Paul Dirac (1902-1984) nel 1933 (Wikimedia Commons)
Naturalmente, il gruppo della VU non è solo nella ricerca. Già nel 1996, 
un altro team dello Ioffe Physical Technical Research Institute, in 
Russia, analizzò le linee spettrali provenienti dallo spazio esterno per 
misurare le variazioni nel rapporto delle masse. Gli scienziati di 
Cambridge e della Swinburne University of Technology hanno cercato 
variazioni nella costante di struttura fine. Ma è forse il gruppo della 
VU quello che si è occupato maggiormente del problema del rapporto delle 
masse. Nell'arco di più di un decennio, questa dedizione ha prodotto uno 
dei lavori più completi e interessanti. Anno dopo anno, generazioni di 
studenti laureati e post-doc si sono succedute per affrontare la 
questione da diverse angolazioni, consderando un posto più lontano 
nell'universo, un ambiente gravitazionale diverso, un nuovo strumento 
per misurare un vecchio problema.
 
L'obiettivo per le ricerche future è quello di proseguire la caccia più 
indietro nel tempo e in ambienti diversi. Telescopi più grandi, come lo 
European Extremely Large Telescope consentiranno di raccogliere i 
segnali più deboli dell'universo. E nonostante la maestosità delle 
misurazioni, molti d questi segnali sono in una porzione di cielo molto 
ristretta. Ampliando il campo di osservazione, gli scienziati possono 
verificare i dati provenienti da altre parti dell'universo.
 
La ricerca sperimentale su una costante che può variare probabilmente 
continuerà finché non esisterà una teoria per sostenere la sua 
esistenza. Una serie di risultati nulli e piccole modifiche alla 
variabilità della costante consentirà di colmare le lacune. Come hanno 
scritto gli autori dell'articolo apparso su "Reviews of Modern Physics", 
"Vale la pena di perseguire anche lievi miglioramenti incrementali che 
pongono dei limiti alle variazioni delle costanti fondamentali, data 
l'importanza, per la natura stessa delle leggi fisiche della domanda: è 
costante o no?"
 
Ogni piccola sfumatura di questo dubbio cosmico è sotto studio, o per 
produrre un risultato nullo o per manifestarsi come prova al prossimo 
ricercatore.
(La versione originale di questo articolo è apparsa su 
www.scientificamerican.com
 il 7 marzo. Riproduzione autorizzata, tutti i 
diritti riservati)
 
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Albricci (feynman) su IDM:
"e sono talmente raggirati (i suoi ex alunni) che alcuni di loro diventano 
ingegneri informatici e ricercatori di buon livello e persino degli astrofisici. 
"
 


 
ciao
feynman