La consapevolezza di vivere su un baratro

La natura certe volte sa essere veramente perversa

 

Come vi sentireste nei panni del tipo della foto, se vi portassero bendati e inconsapevoli sulla punta della roccia, vi facessero sedere comodi, e poi vi dicessero di togliervi la benda? Sareste presi dal panico scoprendo che quella che credetevate una comoda posizione è in realtà il bordo di un precipizio che non vi lascerebbe scampo? La recente scoperta della particella di Higgs al Cern di Ginevra, assieme a recenti nuove misure molto precise nel campo della fisica delle particelle elementari, sembra indicare che la nostra situazione nell'universo non sia molto diversa da quella del signore della figura: ci sembra di stare comodamente seduti, ma tutto attorno a noi c'è il baratro. Se riuscirete a leggere fino in fondo, senza arrendervi di fronte a un paio di grafici semplici semplici, scoprirete qualcosa di veramente inaspettato (subdola tecnica comunicativa per convincere il lettore a non cambiare canale!).  

Il bosone d Higgs, scoperto nel luglio del 2012, era il tassello mancante di una teoria, detta Modello Standard, che è in grado di descrivere con grande precisione l'insieme dei fenomeni al momento conosciuti nel campo della fisica delle particelle elementari. La teoria è in realtà in grado di fare previsioni molto accurate sulle caratteristiche di questi fenomeni, e è supportata da innumerevoli evidenze sperimentali. Insomma, si chiama teoria ma è molto di più di una semplice teoria: allo stato attuale delle conoscenze il Modello Standard è lo strumento che i fisici hanno per comprendere il mondo subnucleare.

Secondo il Modello Standard gli effetti del Bosone di Higgs, ovvero quello che i fisici chiamano il Campo di Higgs, riempiono tutto l'universo, e fanno sì che tutte le particelle, attraversando questa specie di presenza nello spazio, ci appaiano avere una massa. Massa che è tanto diversa quanto le varie particelle interagiscono con il campo di Higgs. Ad esempio un elettrone, che è leggero, sarà quasi indifferente alla presenza del campo di Higgs attorno ad esso, mentre il quark di tipo top, che è la particella più pesante finora conosciuta, farà molta fatica a muoversi al suo interno. Il risultato di questa sua fatica è appunto la sua massa molto elevata. In questo momento anche chi sta leggendo questo appassionante scritto si trova immerso, più o meno inconsapevolmente, nel campo di Higgs, al quale deve la sua esistenza in quanto fatto di materia.

Quello che noi comunemente chiamiamo il vuoto, ovvero la configuriazione di energia più bassa possibile, è per i fisici il minimo stato di energia del campo di Higgs, una situazione venutasi a creare nei primi istanti di vita dell'universo e da allora rimasta tale ovunque nello spazio. I fisici delle particelle descrivono il vuoto come la pallina nel disegno: il vuoto è la situazione di minore energia, ovvero il valore del campo di Higgs H per il quale la pallina se ne sta bella comoda e stabile nel fondo dell'avvallamento, circondata da invalicabili pareti. Tutto quello che c'è attorno è di energia maggiore, ovvero tutto quello che non e vuoto ha un'energia maggiore del vuoto. Ovvio no?

Il punto interessante è che la misura della massa del Bosone di Higgs da poco scoperto (circa 125 GeV, ovvero più o meno 130 volte la massa del protone), assieme a misure molto precise di altre quantità che interessano i fisici delle particelle, ha permesso di calcolare la forma e la ripidezza di quelle pareti inviolabili che circondano la pallina, e che le garantiscono di restare sul fondo, ovvero che garantiscono al vuoto di essere stabile e restare per l'eternità lo stato di minore energia. E la sorpresa è che quelle pareti sono tutt'altro che inviolabili, ma anzi, esse assomigliano piuttosto a una collinetta smussata, dalla quale la pallina potrebbe facilmente fuoriuscire, come disegnato nella figura successiva.

Ora, uno potrebbe chiedersi come faccia una pallina, da sola, senza che nessuno la disturbi, senza che nessuno le dia l'energia sufficiente, a scavalcare la collienetta di destra e precipitare di sotto. In effetti una pallina come la immaginiamo normalmente non potrebbe mai farlo da sola. Se la sera la mettiamo nel fondo di un vaso, lì rimane, e non ci aspettiamo, la mattina dopo, di trovarla di fuori in giro per casa.

Però la nostra pallina è un oggetto che obbedisce alle leggi della meccanica quantistica, e in meccanica quantistica possono avvenire cose molto strane. Potrà sembrare strano, ma un concetto così apparentemente stupido e banale come il vuoto, ovvero una situazione in cui non c'è niente, in fisica è in realtà qualcosa di estremamente complicatato, e comprensibile solo con il linguaggio della fisica dell'estremamente piccolo. Il prezzo da pagare e' che per descrivere il vuoto bisogna convivere con le stranezze della fisica quantistica.

E quindi può accadere ad esempio un fenomeno che si chiama effetto tunnel, che prevede che una pallina quantistica (il nostro vuoto, in questo caso) possa acquisire da sola abbastanza energia da scavalcare la collinetta e ritrovarsi dall'altra parte.  Come se un carcerato potesse all'improvviso acquisire da solo sufficiente energia da ritrovarsi al di là del muro che lo separa dalla libertà. Per un carcerato questo rimane solo un sogno, perchè egli è un oggetto macroscopico, ma nel mondo dell'estremamente piccolo questi fenomeni sono normali. E infatti l'effetto tunnel è alla base del funzionamento di svariati dispositivi elettronici. Niente di esoterico, quindi, nè tantomeno di ipotetico.

E quindi cosa significa tutto ciò? Beh, dobbiamo ricordarci che la nostra pallina rappresenta la configurazione che noi chiamiamo il vuoto, ovvero lo stato di minima energia possibile. Ci aspetteremmo che il vuoto fosse una situazione stabile, perennemente stabile. Ci aspetteremmo che il vuoto non possa dare all'improvviso da matto e trasformarsi in energia, e mettersi a produrre particelle a gogò! Certo, il fatto che l'universo esista come tale da più di 13 miliard di anni certamente ci rassicura: il vuoto è certamente sufficientemente stabile da farci dormire sonni tranquilli. Però solo apparentemente, perchè le recenti scoperte mostrano che quello che noi consideriamo come la configurazione di energia minore possibile (cosa c'e' di meno energetico del vuoto?) in realtà non lo è affatto, e anzi, giusto poco poco al di fuori di quella che riteniamo essere la situazione di massima stabilità c'è un enorme baratro dove, casomai la nostra pallina dovesse precipiarci, sarebbero dolori, perchè il nostro universo si trasformerebbe all'istante in un'immenso lampo di energia. E quindi, proprio per colpa dell'effetto tunnel, il nostro vuoto, che ci ha degnato della sua tranquilla presenza per 13 miliardi di anni, potrebbe giocarci questo improvviso scherzetto, e farci sparire tutti, la terra, le galassie, e perfino questo blog appena nato, in un solo attimo. Se questo non avviene è semplicemente perche' la natura ha scelto di rendere questo fenomeno possibile ma molto improbabile.

La natura, infatti, è stata così perversamente gentile da far sì che questa transizione, dal vuoto in cui l'universo si trova adesso, a quello vero che si trova giusto fuori della porta e che ci annienterebbe in un lampo, sebbene possibile grazie all'effetto tunnel, sia tuttavia sufficientemente improbabile da avere dato tempo all'universo di evolversi, da avere permesso la formazione delle galassie, delle stelle, e persino di una stirpe di esseri viventi molto propensa a fare ogni genere di cazzate sul loro pianeta. Il vuoto del nostro universo, dicono i fisici, si trova in una situazione metastabile, come si capisce (spero) nella figura qua a fianco, che adesso vado a spiegarvi.

Il grafico mostra la regione di stabilità del vuoto (in verde, corrispondente a muri invalicabili attorno alla nostra pallina), di instabilità (in rosa, dove non esiste alcun luogo dove la pallina riuscirebbe ad arrestarsi e garantire un vuoto stabile per permettere l'esistenza dell'universo come lo conosciamo), e di meta-instabilità, ovvero una situazione in cui il vuoto è apparentemente stabile, ma che nasconde il rischio di passare di colpo dall'altra parte e precipitare nel baratro, distruggendo l'universo all'istante in una immane produzione di energia. Tutto questo per colpa del famigerato effetto tunnel.

Il nostro universo vive da più di 13 miliardi di anni in questa condizione di precariato. Il punto nella figura rappresenta infatti la situazione del nostro universo. Notate che la posizione del punto dipende dal valore della massa del quark top (riportato sull'asse y), e del bosone di Higgs (sull'asse x). La figura a destra è l'ingrandimento della figura a sinistra, attorno al punto in cui si colloca il nostro universo. La natura è stata così perversa da piazzarsi come il tipo della figura iniziale, giusto sul bordo del precipizio. Cosa le sarebbe costato mettersi comoda al centro della zona verde ? Bastava un quark top appena appena più leggero, o un Higgs di poco più pesante, e si evitava tutto questo guazzabuglio! E invece no, la natura e' andata a scegliere quella sottile strisciolina di metastabilità che garantisce all'universo di vivere abbastanza a lungo, ma sempre a rischio tracollo.

La natura si è sistemata come quei gatti che si acciambellano comodi sulla sottile striscia del davanzale,  del tutto incuranti che di fianco hanno 10 piani di strapiombo.  E a questo punto, però, dobbiamo pure ringraziarla, la natura, perchè se decideva di fare il quark top appena appena più pesante, o l'Higgs un pelo più leggero, non saremmo mai stati nell'universo a gozzovigliare. Anzi, non solo, l'universo stesso sarebbe stato un posto tutt'altro che ospitale.

Perchè tutto questo? Perche questo giocare sul filo dei numeri da parte delle leggi della natura? Non lo sappiamo. Non sappiamo se sia un semplice caso, o se esista un meccanismo a noi sconosciuto che obblighi la natura a scegliere di collocarsi in bilico fra la tranquillità e la catastrofe. A noi umani non resta che prenderne atto, sperando che l'effetto tunnel decida di aspettare a mostrare i suoi effetti. Consapevoli però che stavolta, comunque andra' a finire, non potevamo proprio farci niente.