“Qui ci sono forme di vita intelligente. L’ho sempre ritenuto una possibilità, ma trovarsi qui, in quest’universo subatomico, cambia tutto ciò che sappiamo sulla vita: l’evoluzione, il nostro posto nella galassia…”.
Con queste parole in “Ant-Man and The Wasp: Quantumania” il biochimico Hank Pym, creatore della tuta di Ant-Man, descrive il suo stupore nell’essere giunto nel Regno Quantico, un subuniverso infinitamente piccolo all’interno dell’Universo principale. Nel mondo reale, tale vicenda potrebbe trovare un riscontro scientifico nella geometria dei frattali, figure geometriche che si ripetono uguali a sé stesse all’infinito a scale sempre più piccole.
Le particelle elementari
Nell’ultimo secolo la ricerca ha dimostrato che l’atomo non rappresenta una struttura indivisibile, come ritenuto nei tempi antichi, bensì esso contiene al suo interno numerose particelle subatomiche, alcune delle quali non presentano una natura materiale, poiché sono costituite da energia pura.
Ma come si possono classificare queste entità microscopiche? Analizziamo insieme il Modello Standard per la fisica subatomica!
In prima battuta, le Particelle Elementari possono essere classificate in:
- Particelle realmente elementari, ossia particelle che non possono essere suddivise in altri oggetti più elementari (e.g., gli elettroni, le particelle gamma ed i neutrini), che obbediscono al Modello Standard della fisica subatomica;
- Particelle composite, ossia particelle non elementari e separabili in altre entità più semplici (e.g., i neutroni, i protoni, i nuclei e gli atomi), che possono essere descritte mediante la fisica nucleare o la fisica atomica.
Il Modello Standard della fisica subatomica
Secondo tale modello (schematizzato in Figura 1), le particelle elementari possono essere raggruppate in due grandi famiglie:
- Fermioni: obbediscono al Principio di esclusione di Pauli, il quale afferma che non è possibile avere 2 particelle cariche nello stesso stadio energetico (stato quantico). Tali particelle sono generalmente associabili al nostro concetto di materia;
- Bosoni: non supportano il Principio di Pauli, per cui è possibile avere numerosi bosoni in uno stesso stato quantico. Tali particelle sono associate al concetto di forza di interazione.
I Fermioni
A loro volta, i fermioni (schematizzati in Figura 2) possono essere suddivisi in:
- Leptoni: caratterizzati dal momento angolare, ossia allo “spin” e che possono essere:
- Particelle cariche: dai meno massivi elettroni $e^-$ e muoni $\mu^-$ alle più pesanti particelle tau $\tau^-$. Tutte queste particelle sono caratterizzate da carica elettrica (espressa in Coulomb) pari a quella dell’elettrone $\left( e \simeq 1.6 \cdot 10^{-19} C \right)$ ed energia pari ad 1 elettronvolt $\left( 1 eV = 1.6 \cdot 10^{-19} J \right)$, ovvero l’energia acquisita da un elettrone accelerato da una differenza di potenziale di 1 V (per saperne di più, vai al nostro articolo: “Acceleratori Di Particelle Per Applicazioni Biomediche”);
- Particelle neutrali: neutrino elettrone $\nu_e$, neutrino muone $\nu_\mu$ e neutrino tau $\nu_\tau$. Come suggerisce il nome, rappresentano i corrispondenti dei leptoni carichi, ma a differenza di questi ultimi non possiedono una carica elettrica.
- Quarks: u (up), c (charm), t (top), d (down), s (strange) e b (bottom o beauty). I primi tre possiedono carica elettrica pari a $\frac{2}{3} e$, mentre i restanti hanno carica $- \frac{1}{3} e$.
Per ciascun fermione corrisponde un’antiparticella, ossia una particella con stessa massa ma carica opposta (e.g., il positrone $e^- \to e^+$ o l’antineutrino elettronico $\nu_e \to \overline{\nu_e}$).
I quarks non si trovano mai singolarmente, ma sono sempre accoppiati tra loro per formare particelle composite, come i mesoni (formati da un quark ed il suo anti-quark: $q, \overline{q}$) ed i barioni (formati da tre quarks distinti: $q_1, q_2, q_3$).
Tra i barioni più importanti spiccano i nucleoni, ossia le particelle che costituiscono il nucleo di un atomo: i protoni $\left( u, u, d = \frac{2}{3}e + \frac{2}{3}e – \frac{1}{3}e = +e \right)$ ed i neutroni $\left( u, d, d = \frac{2}{3}e – \frac{1}{3}e – \frac{1}{3}e = 0 \right)$.
Molti nucleoni si aggregano poi a formare un nucleo (schematizzato in Figura 3).
Si indica con $Z$ il numero di protoni (numero atomico) e con $N$ il numero di neutroni, mentre la loro somma $A = Z + N$ costituisce il numero di nucleoni (numero di massa).
I Bosoni
A loro volta, i bosoni possono essere suddivisi in:
- Interazione elettromagnetica: i fotoni $\gamma$, con massa nulla;
- Interazione debole: $W^+, W^-, Z^0$ con massa non nulla;
- Interazione forte: i gluoni $g$. Indicano come sono costituite le particelle elementari e, come i fotoni, hanno massa nulla.
- Bosone di Higgs: $H$, responsabile della massa delle particelle elementari.
Le possibili interazioni tra leptoni e quarks sono riportate in Figura 4. Come è possibile notare, non tutte le combinazioni sono ammesse. Inoltre, alcune particelle, come i gluoni o l’interazione debole sono in grado di interagire anche tra loro stessi.
La teoria dei frattali ed il Microverso
Nei racconti della Marvel, il Microverso (chiamato anche Spazio Interno, Universo Subatomico o Regno Quantico) rappresenta una dimensione alternativa, raggiungibile solo da eroi in grado di rimpicciolirsi fino a dimensioni subatomiche, come nel caso di Scott Lang, il ben noto Ant-Man. In questa realtà abitano altri esseri viventi (umani e non) che traggono energia e risorse dallo spazio in cui vivono e possiedono persino un Sole. Ma quanto vi è di scientifico in una storia di questo calibro? Ci viene in soccorso la teoria dei frattali.
Il frattale rappresenta una figura geometrica che, per via di una specifica caratteristica, si ripete sempre nella stessa forma all’infinito, seppur più rimpicciolita nelle dimensioni (omotetia interna). Nei sistemi dinamici essi sono descritti da funzioni ricorsive che riescono a risolvere problemi matematici complessi, come l’architettura geometrica presente in natura (e.g., quella del broccolo romano, riportato in Figura 5). La geometria frattale studia tali figure, particolarmente frequenti nella progettazione ingegneristica, nel moto browniano e nelle galassie.
I frattali mostrano le seguenti proprietà:
- Autosimilarità: un frattale contiene infinite copie di sé stesso a scale differenti;
- Struttura fine: le strutture ripetute più ampie mostrano i dettagli di quelle più piccole;
- Irregolarità: un frattale non può essere descritto come luogo dei punti che soddisfano semplici condizioni geometriche o analitiche.
- Dimensione non intera: seppur rappresentabile in un piano o in uno spazio convenzionale bi- o tri- dimensionale, la dimensione di un frattale è frazionaria e non intera.
Il concetto di frattale può dunque essere esteso anche agli atomi che costituiscono il nostro Universo, definito come un connubio di materia e di energia, di cui conosciamo ancora poco. Ciascun atomo, come abbiamo visto, contiene al suo interno un numero cospicuo di particelle subatomiche, formate anch’esse da materia ed energia, in buona parte ignote.
Dato che la struttura di un atomo (un nucleo centrale ed elettroni che gli ruotano attorno) presenta una similarità con un sistema solare, si potrebbe immaginare che ogni atomo possa rappresentare un piccolo universo a sé stante, dove le particelle subatomiche rappresentano i sistemi planetari delle galassie, rappresentate a loro volta dai nucleoni. Sebbene tale ragionamento possa sembrar assurdo, una branca della scienza è tuttora impegnata a verificare se ciò sia possibile, alla luce del fatto che l’energia sprigionata dalle particelle subatomiche abbia un’origine ancora incerta, forse risultato di emissioni da mondi subatomici sconosciuti.
D’altro canto, se una teoria del genere riuscisse a prendere piede, lascerebbe supporre che, a sua volta, l’Universo in cui viviamo possa esistere all’interno di un atomo e, così facendo, si innescherebbe un processo infinito su diverse scale spaziali, proprio della teoria dei frattali. Fantasie a parte, cosa ci insegna la scienza oggi?
Se pensiamo alle reazioni nucleari, ci rendiamo conto di come piccolissime quantità di materia coinvolte in reazioni concettualmente semplici siano in grado di sprigionare enormi quantità di energia, dimostrando che di fatto sussista un dualismo tra materia ed energia, declinato a livello subatomico, rispettivamente in particelle ed onde. Tale fenomeno è corroborato dalla ben nota Teoria della Relatività, racchiusa nella celebre formula $E = m \cdot c^2$.
Prima di Einstein, la Fisica Quantistica aveva osservato, mediante gli studi di Max Planck, la natura discontinua (a “pacchetti” o “blocchi”) dell’energia termica. Inizialmente chiamati “quanti”, a questi pacchetti di energia verrà poi assegnato il nome di fotoni, ossia particelle prive di massa ed in grado di viaggiare alla velocità della luce.
Esiste la possibilità di trasporre il concetto di dualità onda-particella anche alle strutture umane, in grado di scindersi in una componente organica (fisica) ed in un sistema energetico. In disaccordo con il principio di separazione, proprio di altre branche della scienza, nella fisica quantistica, queste due parti sperimentano una continua interazione dinamica.
Conclusioni
Come abbiamo visto in queste poche righe, la Fisica Subatomica ci conduce attraverso un mondo che, seppur infinitamente microscopico, rappresenta un piccolo Universo. Le particelle subatomiche sono le entità alla base dell’esistenza e della vita stessa. In questo campo la distinzione tra scienza e fede diventa via via più labile. Non è un caso che il Bosone di Higgs sia stato soprannominato la Particella di Dio.
Affrontare la dualità materiale ed energetica di tutto ciò che ci circonda pone numerose domande, molte delle quali rimangono tuttora senza risposta. Infatti, nonostante siano stati compiuti dei passi da gigante nel corso dell’ultimo secolo, al momento sappiamo spaventosamente poco di questa branca della fisica. Ciò ha favorito lo sviluppo negli anni un terreno fertile per numerose teorie, come quella della natura frattale del Microcosmo che continua ad affascinarci quando leggiamo le storie di eroi come Ant-Man, probabilmente il più noto turista del Regno Quantico.
Scott Lang ci insegna che si può essere grandi anche compiendo piccoli gesti e che il mondo in cui viviamo ospita, a sua volta, realtà ancor più piccole, dove la nostra immaginazione può crescere smisuratamente. La benché minima possibilità che le vicende narrate nei fumetti abbiano un fondo di verità ci invita a non smettere mai di credere al progresso tecnologico, perché le più grandi scoperte scientifiche partono sempre da piccoli uomini. E tu che eroe sarai?
Abbiamo stimolato la tua curiosità? Puoi saperne di più consultando le nostre fonti:
- “Radiation Physics for Medical Physicists”, 3rd edition, Ervin B. Podgoršak. Graduate Texts in Physics. Springer, 2016, ISBN: 978-3-319-25380-0. DOI: 10.1007/978-3-319-25382-4.
- “Biomedical and industrial applications of radiation”, slides del corso, Prof. Gianni Coppa, a.a. 2022/2023, Politecnico di Torino.
- wionews.com – Explained: Quantum Realm in Ant-Man and the Wasp Quantumania
- Wikipedia.org – Ant-Man and the Wasp: Quantumania
- sanomaitalia.it – Il modello standard delle particelle elementari
- Wikipedia.org – Modello Standard delle Particelle Elementari
- tuttomappescuola.it – L’atomo: schema riassuntivo
- Wikipedia.org – Microverso
- Wikipedia.org – Frattale
- geopop.it – Cosa sono i frattali, come si generano e alcuni esempi in natura
- mat.unimi.it – Cosa sono i frattali?
- cristinapaunescu.it – Universo subatomico e fisica quantistica
- storicang.it – Benoit Mandelbrot: al cuore rugoso della natura
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