L'atomismo, cioè la dottrina dell'esistenza delle più piccole particelle indivisibili che compongono la materia, è sorto molto prima che gli scienziati potessero verificarne le disposizioni sperimentalmente. Tuttavia, quando lo hanno fatto, si è scoperto che il microcosmo è pieno non solo di atomi, ma anche di particelle ancora più piccole che dimostrano proprietà sorprendenti.
Mr. Lubin microcosmo
Il concetto di "atomo" è stato riportato all'uso scientifico da John Dalton, un insegnante di Manchester, che ha creato una teoria convincente dell'interazione chimica all'inizio del XIX secolo. Giunse alla conclusione che in natura esistono sostanze semplici, che chiamava "elementi", e ognuna è composta da atomi che sono caratteristici solo di lui. Dalton introdusse anche il concetto di peso atomico, che consentiva di ordinare gli elementi all'interno della famosa tavola periodica, proposta da Dmitry Mendeleev nel marzo 1869.
Il fatto che oltre agli atomi ci siano altre particelle, gli scienziati hanno iniziato a indovinare quando studiavano i fenomeni elettrici. Nel 1891, il fisico irlandese George Stoney suggerì di chiamare elettrone un'ipotetica particella carica. Dopo 6 anni, l'inglese Joseph Thomson ha scoperto che l'elettrone è molto più leggero dell'atomo dell'elemento più leggero (l'idrogeno), avendo scoperto infatti la prima delle particelle fondamentali.
Nel 1911 Ernest Rutherford, sulla base di dati sperimentali, propose un modello planetario dell'atomo, secondo il quale al suo centro si trova un nucleo denso e caricato positivamente, attorno al quale ruotano elettroni caricati negativamente. La particella subatomica con una carica positiva, da cui sono composti i nuclei, era chiamata protone.
Presto un'altra sorprendente scoperta attendeva i fisici: il numero di protoni in un atomo è uguale al numero di un elemento nella tavola periodica. Quindi è nata un'ipotesi che ci siano altre particelle nella composizione dei nuclei atomici. Nel 1921, il chimico americano William Harkins propose di chiamarli neutroni, ma ci vollero altri 10 anni per registrare e descrivere la radiazione di neutroni, la cui scoperta, come sappiamo, fu di fondamentale importanza per lo sviluppo dell'energia nucleare.
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Fantasmi dell'Antiworld
All'inizio degli anni '30, i fisici conoscevano quattro particelle fondamentali: fotone, elettrone, protone e neutrone. Sembrava che bastassero per descrivere il microcosmo.
La situazione è cambiata radicalmente quando Paul Dirac ha dimostrato la possibilità teorica dell'esistenza di antielettroni. Se un elettrone e un antielettrone entrano in collisione, l'annichilazione avverrà con il rilascio di un fotone ad alta energia. All'inizio, Dirac credeva che il protone fosse l'antielettrone, ma i suoi colleghi hanno ridicolizzato la sua idea, perché poi tutti gli atomi del mondo si sarebbero annichiliti all'istante. Nel settembre 1931, lo scienziato suggerì che doveva esserci una particella speciale (in seguito chiamata positrone), che nasce da un vuoto quando i raggi gamma duri si scontrano. Ben presto divenne chiaro che gli scienziati avevano registrato una tale particella in precedenza, ma non potevano fornire alle sue manifestazioni una base ragionevole. La scoperta del positrone ha suggerito che il protone e il neutrone dovevano avere gli stessi analoghi.
Il fisico russo Vladimir Rozhansky andò oltre, pubblicando nel 1940 un articolo in cui sosteneva che alcuni corpi nel sistema solare (ad esempio meteoriti, comete e asteroidi) sono composti da antimateria. Il pubblico colto, prima di tutto gli scrittori di fantascienza, ha ripreso l'idea, credendo nella realtà fisica dell'anti-mondo che esiste da qualche parte nelle vicinanze.
Il processo per ottenere artificialmente le antiparticelle si è rivelato piuttosto laborioso: per questo è stato necessario costruire uno speciale acceleratore "Bevatron". Antiprotoni e antineutroni furono rilevati su di esso a metà degli anni '50. Da allora, nonostante il crescente costo del lavoro, è stato possibile ottenere solo quantità trascurabili di antimateria, quindi la ricerca dei suoi "depositi" naturali continua.
La speranza dei sostenitori dell'ipotesi Rozhansky è alimentata dalla discrepanza registrata (di un fattore 100!) Tra l'intensità teoricamente prevista e l'intensità reale dei flussi antiprotonici nei raggi cosmici. Questa discrepanza può essere spiegata, tra le altre cose, con l'aiuto del presupposto che da qualche parte al di fuori della nostra Galassia (o anche della Metagalassia) ci sia davvero una vasta regione composta da antimateria.
Particella sfuggente
Nel 1900, i fisici stabilirono che i raggi beta prodotti dal decadimento radioattivo sono in realtà elettroni.
Nel corso di ulteriori osservazioni, si è scoperto che l'energia degli elettroni emessi risulta essere diversa, il che violava chiaramente la legge di conservazione dell'energia. Nessun trucco teorico e pratico ha aiutato a spiegare cosa stava accadendo, e nel 1930 Niels Bohr, il patriarca della fisica quantistica, ha chiesto l'abbandono di questa legge in relazione al micromondo.
Lo svizzero Wolfgang Pauli ha trovato una via d'uscita: ha suggerito che durante il decadimento dei nuclei atomici venga rilasciata un'altra particella subatomica, che ha chiamato neutrone e che non può essere rilevata dagli strumenti disponibili. Poiché è stato in quel momento che il neutrone predetto in precedenza è stato finalmente scoperto, si è deciso di chiamare neutrino l'ipotetica particella di Pauli (in seguito si è scoperto che durante il decadimento beta non nasce un neutrino, ma un antineutrino).
Sebbene l'idea dei neutrini sia stata inizialmente accolta con scetticismo, nel tempo ha preso il sopravvento sulle menti. Allo stesso tempo, è sorto un nuovo problema: la particella è così piccola e ha una massa così insignificante che è praticamente impossibile risolverla anche quando si passa attraverso le sostanze più dense. Eppure i ricercatori non si sono arresi: quando sono comparsi i reattori nucleari, sono riusciti ad essere utilizzati come generatori di un potente flusso di neutrini, che ha portato alla sua scoperta nel 1956.
Le particelle "fantasma" hanno imparato a registrarsi e hanno persino costruito un enorme osservatorio di neutrini "Ice Cube" in Antartide, ma esse stesse rimangono in gran parte un mistero. Ad esempio, esiste un'ipotesi che gli antineutrini interagiscano con la materia come un normale neutrino. Se l'ipotesi è confermata dall'esperimento, diventerà chiaro perché, durante la formazione dell'Universo, è sorta un'asimmetria globale e la materia oggi è molto più grande dell'antimateria.
Gli scienziati si associano allo studio ulteriore dei neutrini ottenendo risposte sulla possibilità di movimento con velocità superluminale, sulla natura della "materia oscura", sulle condizioni dell'Universo primordiale. Ma, forse la cosa più importante, la presenza recentemente dimostrata di massa nei neutrini distrugge il Modello Standard, invadendo le basi della fisica moderna.
Fuori dal modello standard
Lo studio dei raggi cosmici e la costruzione di potenti acceleratori hanno contribuito alla scoperta di dozzine di particelle precedentemente sconosciute, per le quali è stata introdotta un'ulteriore classificazione. Ad esempio, tutte le particelle subatomiche che non possono essere suddivise nelle loro parti costituenti sono oggi chiamate elementari e solo quelle di esse che si ritiene non abbiano struttura interna (elettroni, neutrini, ecc.) Sono chiamate fondamentali.
All'inizio degli anni '60 iniziò a prendere forma il Modello Standard, una teoria che prende in considerazione tutte le particelle conosciute e le interazioni di forza, ad eccezione della gravità. La versione attuale descrive 61 particelle elementari, incluso il leggendario bosone di Higgs. Il successo del modello standard è che prevede le proprietà delle particelle che non sono state ancora scoperte, rendendo così più facile trovarle. Eppure ci sono ragioni per parlare, se non di revisione, poi di espansione del modello. Questo è esattamente ciò che stanno facendo i sostenitori della Nuova Fisica, chiamata a risolvere i problemi teorici accumulati.
Il superamento del Modello Standard sarà accompagnato dalla scoperta di nuove particelle elementari, ancora ipotetiche. Forse gli scienziati scopriranno tachioni (che si muovono a velocità superluminale), gravitoni (che trasportano interazioni gravitazionali) e vimps (che costituiscono la materia "oscura"). Ma è altrettanto probabile che si imbatteranno in qualcosa di ancora più fantastico. Tuttavia, anche in questo caso non ci sarà alcuna garanzia di aver conosciuto il microcosmo nel suo insieme.
Anton Pervushin
