MATERIA SENZA MASSA: IL CONCETTO DI MASSA È VERAMENTE NECESSARIO?

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INAF Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, (Lecco)

La massa è uno dei concetti fondamentali della fisica e ha stimolato metafore e analogie anche in altri settori della conoscenza o della vita comune: basti pensare al ruolo delle masse, politicizzate e non, nel pensiero marxista o anche al concetto di massa critica, ispirato al termine in uso in fisica nucleare, che oggi viene ampiamente utilizzato per indicare la necessità di avere a disposizione un certo numero di persone come condizione indispensabile per la realizzazione di un progetto.
Tornando in ambito fisico, la definizione di massa è cambiata nel corso dei secoli. Newton per primo la definì come la quantità di materia in un dato volume, mentre Einstein la indicò come misura del contenuto di energia di un corpo fisico con la celeberrima equazione E = mc2 (energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce nel vuoto al quadrato).
Questa equazione ha però generato un cortocircuito tra massa ed energia, provocando qua e là dibattiti accesi e mai superati, ma solo aggirati. Alcuni esempi: 1. Il problema dell’infinito che nasce dall’interazione di una particella puntiforme con se stessa nella teoria quantistica dei campi, che è stato risolto con la rinormalizzazione della massa, ovvero un reset dei valori teorici per accordarli con le osservazioni.
2. La questione della massa relativistica, composta dalla somma della massa inerte newtoniana e dalla massa equivalente all’energia cinetica del corpo. 3. La genesi della massa per mezzo del bosone di Higgs.
Ancora oggi, in differenti campi di ricerca permane una mistura quantomeno bizzarra di concetti classici, quantistici e relativistici. Forse è tempo di affrontare questo problema ancora una volta e adottare una soluzione radicale: la cancellazione definitiva del concetto di massa, almeno dalla fisica di frontiera, non necessariamente in fisica classica, dove ancora ha un senso. I fisici delle particelle hanno già abbandonato tale concetto, adottando le cosiddette unità naturali (ponendo la costante di Planck e la velocità della luce nel vuoto pari a uno), così che qualunque quantità è espressa in unità di energia. Questa scelta è giustificata dal fatto che, come ha notato il filosofo francese Gaston Bachelard, una particella fisica è un vero noumeno kantiano, una realtà per noi inaccessibile, ma di cui abbiamo indizi di esistenza negli esperimenti.
La particella della fisica moderna è molto distante dall’essere una versione microscopica di una palla, di una trottola o di qualunque altro oggetto a misura d’uomo. Le dimensioni della particella fisica non sono geometriche, ma sono determinate per via dinamica, dato che dipendono dalla sezione d’urto (sfera d’influenza) per collisioni con altre particelle. Quest’ultima non è una dimensione geometrica, come può essere la circonferenza di un pallone da calcio, ma una dimensione temporale determinata dall’energia. Lo spazio deriva quindi dalle relazioni tra queste particelle, che altro non sono se non noduli di energia. Queste idee richiamano il pensiero di Fotini Markopoulou, secondo cui tempo/energia sono quantità fondamentali, mentre lo spazio emerge dalle relazioni tra gli oggetti fisici. Tuttavia, anche se le quantità impiegate nei calcoli sono tutte in termini di energia, l’idea di massa rimane ancora nelle equazioni della fisica delle particelle, come dimostra il fatto stesso di considerare come entità fisiche di base le particelle, ovvero corpi fisici con una massa, anche se differenti rispetto ai corpi fisici macroscopici. Sarebbe più corretto, ma complesso, parlare di fisica delle eccitazioni dei campi quantistici, che certo non richiama il concetto di particella e quindi di massa. Inoltre, l’adozione delle unità naturali è solo un trucco di calcolo, tant’è che ciascun settore di ricerca ha le sue unità naturali: se i fisici delle particelle usano porre la costante di Planck e la velocità della luce nel vuoto pari a uno, gli astrofisici e i cosmologi adottano un valore unitario per la costante di gravitazione universale, oltre che per la velocità della luce. Così, se nel primo caso la massa è espressa in termini di energia, nel secondo diventa una dimensione spaziale, una lunghezza. Cancellare il concetto di massa richiede cambiamenti significativi nel nostro modo di pensare, in particolare bisogna focalizzare l’attenzione sul tempo.
Si potrebbe pensare che sia inutile rivangare ancora il vecchio dibattito sulla massa relativistica, ma qualche volta riprendere le equazioni di base può portare a idee interessanti. Nella relatività speciale la massa si divide in due parti: una massa a riposo – ovvero la massa del corpo fisico quando è fermo rispetto a un riferimento ed è la massa classica, newtoniana, inerte – e una massa cinetica, che è l’equivalente dell’energia cinetica del corpo fisico, dato dalla famosa equazione E = mc2.
Per esempio, un treno in movimento rispetto al suolo ha quindi una massa inerte – quella che ha quando è fermo rispetto alla Terra – e una massa cinetica data dal fatto che si sta muovendo sulle rotaie. Se però consideriamo come riferimento il treno stesso, osserviamo che il ritmo del tempo sul treno è differente rispetto a chi sta in stazione (questo è solo a titolo di esempio, perché con le velocità umane la differenza è trascurabile, ma a velocità prossime a quelle della luce diventa altamente significativa). Se si tiene conto del ritmo differente del tempo, non c’è nessun bisogno d’invocare una massa cinetica. Nella relatività generale, la presenza di noduli di energia altera il ritmo del tempo nelle vicinanze: così, un orologio al suolo ha un ritmo più lento rispetto a un orologio in orbita, tanto che il Global Positioning System del vostro navigatore deve effettuare delle correzioni per non portarvi fuori strada. Il quanto del campo elettromagnetico, il fotone, non ha una massa inerte, ma ha energia cinetica. È radiazione.
Pensandolo in termini di particella, si direbbe che il fotone non ha massa a riposo, ma ha una massa cinetica, relativistica. Pensandolo in termini di energia, il fotone ha solo energia cinetica e pertanto non può esistere fermo rispetto a un qualunque riferimento. Il fotone è quindi un orologio universale, in quanto misura del ritmo del tempo. Il fotone scambiato tra il satellite e il navigatore satellitare cambia la sua frequenza, il suo ritmo e quindi la sua energia, quando scende dall’orbita del satellite fino al suolo dove è la vostra automobile. Se non si tiene conto di questo cambiamento nel ritmo del tempo, il navigatore vi porterà fuori strada di diversi chilometri.
Questo implica anche la necessità di abbandonare l’ipotesi newtoniana che il ritmo del tempo sia costante e uniforme.
Se la massa cinetica si può eliminare in quanto non è altro che un cambiamento nel ritmo del tempo, cosa si può dire a proposito della massa inerte? Questa è una domanda importante, perché stabilisce anche un confine tra materia e radiazione. In fisica classica, la massa è la quantità di materia (solida, liquida o gassosa) in un dato volume, mentre la radiazione è il campo elettromagnetico. La meccanica quantistica ci ha mostrato che i corpi che noi vediamo come solidi, liquidi o gassosi sono costituiti da molecole, composte da atomi, che a loro volta sono composti da quark e elettroni. I legami tra le particelle sono dati dalle interazioni elettromagnetica, per le molecole, e nucleare forte, per i protoni e i neutroni. Ma, come si è visto, tutto ciò è energia. Ancora una volta, se non si pensa più a una particella, e quindi a una massa, ma a un’eccitazione di un campo quantistico di materia, diventa evidente il ruolo dell’energia. Dato che la materia inerte esiste anche se a riposo rispetto a un riferimento, una piccola parte dell’energia è necessaria per la sola traslazione temporale, soltanto per esistere (energia di esistenza). La maggior parte dell’energia è invece divisa nello stato fisico (legami tra le particelle, generazione di altre particelle o molecole) e può essere convertita in altre particelle e/o parzialmente rilasciata dal decadimento radioattivo o spezzando i legami molecolari o nucleari (cambiamento di stato). È quindi solo un problema di differenti tipi di energia, condensata in modi differenti. Pertanto, ancora una volta, il concetto di massa non è più necessario.
Per riassumere, la materia è un insieme di differenti tipi di energia e una piccola parte di questa è spesa per esistere a riposo. La radiazione è pura energia temporale, è un orologio universale, che non può esistere a riposo, perché sarebbe in contraddizione con il concetto di tempo. Il vuoto è il “convitato di pietra”: cosa si può dire a proposito del vuoto? Ha bisogno di energia di esistenza? Se sì, allora ricadrebbe nella categoria della materia. Se fosse pura energia temporale, sarebbe radiazione. Se lo spazio-tempo è fatto di quanti, allora il vuoto potrebbe essere lo stato legato di questi quanti. Ma, di nuovo, ricadrebbe nella categoria della materia.
Se queste considerazioni possono sembrare speciose e sofistiche, vorrei rammentare l’importanza di avere ben chiaro cosa rappresentino i simboli che si usano nelle equazioni se non si vuole dare la caccia ai fantasmi.
Come scrisse lo stesso Einstein: “Distinguiamo di seguito tra campo gravitazionale e materia in questo modo, ovvero denotiamo come materia tutto tranne il campo gravitazionale. L’uso della parola, quindi, include non solo la materia ordinaria, ma anche il campo elettromagnetico”. Pertanto, Einstein raggruppò materia e radiazione nella parola “materia”. Se si pensa in termini di energia, questa è una scelta chiara a un primo ordine (non avendo incluso il campo gravitazionale). Se si pensa in termini di massa, perché mettere insieme materia (massa) e radiazione (senza massa)? Einstein credeva in un universo statico e quindi, per compensare la gravitazione che è solo attrattiva, aggiunse una costante cosmologica che indicava un’espansione. Più avanti si pentì di questa ipotesi, ma — ironia della sorte — oggi è confermata dalle osservazioni che indicano un’accelerazione dell’universo iniziata circa 5,3 miliardi di anni fa. L’interpretazione di questa costante cosmologica è ancora un’incognita. Molte ipotesi sono state avanzate e la principale è che l’accelerazione dell’espansione cosmologica possa essere dovuta all’energia oscura, identificata come l’energia del vuoto, ma il valore osservato differisce da quello atteso per più di un centinaio di ordini di grandezza.
Un’altra ipotesi è che sia una specie di punto zero della curvatura, una proprietà intrinseca dello spazio-tempo.
Capire come definire il vuoto diventa quindi essenziale per risolvere questo problema e, certo, rimanere aggrappati al concetto di massa non aiuta.
Come ho scritto, non ho una ricetta conclusiva per questi enigmi, ma penso che siano argomenti degni di studio. L’attuale mistura di concetti classici e di frontiera potrebbe essere letale per la fisica nel lungo termine.