FISICA

FISICA (XV, p. 473)

La scoperta della meccanica quantistica avvenuta per opera di diversi autori attorno al 1925, ha posto le fondamenta per la risoluzione di un grandissimo numero di problemi della fisica, che prima di tale scoperta potevano sembrare di assai lontana soluzione: hanno così trovato la soluzione la quasi totalità dei problemi che poteva porsi la fisica classica; in alcuni casi questa soluzione è stata effettivamente portata a termine, in altri casi non si è potuta dare completamente, ma presumibilmente non per difficoltà fisiche di carattere fondamentale richiedenti una riformulazione dei principî della meccanica, o l'introduzione di nuovi tipi di forze, ecc., ma bensì per difficoltà di carattere analitico. Così è stato risolto il problema della struttura degli atomi, e delle loro fondamentali proprietà fisiche, quali le proprietà spettroscopiche, le proprietà magnetiche, elettriche, ecc.; è stato risolto almeno da un punto di vista generale, se non in tutti i particolari, il problema delle forze che agiscono tra gli atomi, sia di specie chimica diversa sia della stessa specie chimica, e quindi è stata aperta la via alla comprensione della struttura e delle proprietà delle molecole, nonché dei cristalli, e si è fatto anche qualche progresso nella comprensione delle proprietà dei liquidi, i quali per altro, costituiscono un ancor difficile problema.

Con ciò non si vuol dire che, dopo la scoperta della meccanica quantistica, non esistano più nella fisica problemi di carattere fondamentale: ché anzí, ad alcuni problemi di tale natura, ereditati dalla fisica classica e non ancora risolti dalla meccanica quantistica, se ne sono aggiunti altri, insospettati nella fisica classica. Tali sono quelli riguardanti le proprietà delle particelle elementari, le proprietà dei cosiddetti campi di forze, e la interazione tra le particelle elementari e i campi di forze.

Volendo quindi descrivere i progressi fatti dalla fisica negli ultimi dieci o dodici anni, e la attuale problematica, non è forse del tutto arbitrario distinguere risultati e problemi in due categorie, l'una riguardante i problemi che sono stati indicati come fondamentali, nella quale si tratta in definitiva di scoprire leggi e fatti del tutto generali, l'altra in cui si tratta di applicare le leggi fondamentali già note (o meglio, nella formulazione già nota, giudicata sufficiente allo scopo) alla spiegazione di fatti o fenomeni non ancora completamente chiariti. Si insisterà qui soprattutto sui problemi della prima categoria, limitandosi a dare solo un brevissimo cenno ai più importanti problemi della seconda.

Occorre dire prima di tutto quanto di nuovo si è scoperto dal punto di vista sperimentale riguardo alle particelle elementari. Fino al 1937-38 le particelle elementari note, se si vuole escludere il fotone e il neutrino la cui esistenza era semplicemente ipotetica, erano solo quattro, e precisamente: il neutrone, il protone, l'elettrone positivo e l'elettrone negativo.

Nel 1937-38 è stata scoperta nella radiazione cosmica una nuova particella che può avere sia carica positiva sia negativa, uguale in valore assoluto alla carica elettronica, e una massa compresa tra quella dell'elettrone e quella del protone, e pari precisamente, come le misure che si sono fatte negli anni successivi hanno posto in rilievo, a circa 200 masse elettroniche. Tale particella (chiamata mesone) costituisce la parte principale della componente penetrante della radiazione cosmica, almeno al livello del mare. Si è ben presto trovato che il mesone è instabile, e decade, con una vita media di circa due microsecondi, in un elettrone e in una o più particelle neutrali, la cui natura non è ancora ben chiara, come non ne è sicuro il numero, benché comunemente si pensi trattarsi di neutrini.

Recentemente è stata scoperta una nuova particella, che può essere elettricamente carica sia positivamente sia negativamente, ma che ha una massa alquanto superiore a quella del mesone. Questa nuova particella è stata chiamata mesone π, mentre il vecchio mesone, per distinguerlo, è stato chiamato mesone μ. Il mesone π sembra avere proprietà assai differenti dal mesone μ: è anch'esso instabile, ed ha una vita media ancora più breve di quella del mesone μ (pare circa 10^-8 sec.) e disintegrandosi emette un mesone μ e una sola particella neutrale, la cui natura ancora non è stabilita. Sia il mesone μ che il mesone π sono stati scoperti nella radiazione cosmica, ma nel 1948 sono stati prodotti artificialmente a Berkeley, bombardando la materia con particelle α accelerate a 400.000.000 di elettronvolt in un sincrociclotrone.

Riguardo alle particelle elementari già note diremo che sono stati determinati con molto maggiore accuratezza che non precedentemente il momento magnetico del protone e quello del neutrone. Si è scoperto che l'elettrone ha un momento magnetico anomalo, prima insospettato, sia dal punto di vista teorico sia da quello sperimentale. Gli indizî a favore della esistenza del neutrino si vanno accumulando.

Dal punto di vista teorico, la situazione non è forse altrettanto brillante; la più notevole scoperta fatta negli ultimi dieci o dodici anni, e riguardante le particelle elementari considerate per sé stesse, non in interazione con i campi di forze (ossia il comportamento delle particelle elementari libere), è probabilmente quella di Pauli e Fierz riguardante la relazione che esiste tra spin e statistiche, secondo la quale si può far vedere, partendo semplicemente dalle proprietà delle equazioni relativistiche delle particelle libere, che particelle di spin semintero devono obbedire alla statistica di E. Fermi, mentre particelle di spin intero devono obbedire alla statistica di Bose. La cosa era già nota empiricamente, ma non se ne conosceva la giustificazione teorica a priori. In seguito alla scoperta ora menzionata, si può dire che le equazioni relativistiche delle particelle descrivono in modo soddisfacente tutte le proprietà note delle particelle libere, con l'unica eccezione che esse non permettono di determinare a priori le masse di riposo. (Alcuni autori, tra cui principalmente Bhaba e Møller hanno dato equazioni relativistiche dalle quali è possibile prevedere l'esistenza di particelle aventi masse in rapporti dati; però non si ha per ora nessun argomento che faccia pensare che tali teorie siano confermate dall'esperienza).

Le difficoltà più gravi cominciano quando si considerino le particelle in interazione con i cosiddetti "campi di forze". Alcune di queste difficoltà sono ereditate dalla fisica classica: ricordiamo per esempio le questioni riguardanti la divergenza della energia elettrostatica di una particella carica puntiforme, le singolarità nel campo elettromagnetico generato da una tale particella nella posizione occupata dalla particella stessa, e così via. Altre difficoltà sono sorte con la meccanica quantistica, come per es. le divergenze dovute all'energia elettromagnetica trasversale di una particella carica, quelle dovute alla polarizzazione elettrica del vuoto, e così via.

Oltre a tutto ciò che riguarda il campo elettromagnetico, o meglio la interazione delle particelle elettricamente cariche con il campo elettromagnetico, vi sono altre questioni relative alle forze che si esercitano tra le cosiddette particelle elementari pesanti, le quali si ritengono generalmente essere in certo modo analoghe alle questioni riguardanti il campo elettromagnetico, almeno in quanto si pensa che le interazioni tra le particelle pesanti si debbano descrivere con la introduzione di un nuovo campo di forze, il cosiddetto campo di forze nucleari.

Si noti che le forze nucleari non sono da considerarsi alla stregua di "una delle tante" forze esistenti in natura, quali le ordinarie forze di affinità chimica, le ordinarie forze di coesione tra le molecole, e così via, in quanto tutte queste forze derivano, come si può vedere con l'aiuto della meccanica quantistica, da una unica forza fondamentale, precisamente la forza elettromagnetica; le forze nucleari sono invece da considerarsi di natura altrettanto fondamentale quanto la forza elettromagnetica stessa. Pertanto gli studî riguardanti la natura delle forze nucleari si devono considerare di carattere fondamentale come quelli che riguardano le particelle elementari.

Ciò premesso, si può dire che, per quanto concerne le questioni e le difficoltà della interazione del campo elettromagnetico con le particelle elementari (che da un certo punto di vista possono sembrare più facilmente risolubili, in quanto il campo elettromagnetico è assai meglio noto di quello nucleare), nessun progresso era stato fatto da lungo tempo dal punto di vista sperimentale; perciò è stata molto importante la scoperta recentissima di una piccola discordanza tra le previsioni della teoria e il risultato della esperienza nello spettro dell'idrogeno, discordanza che è sembrata doversi connettere con le difficoltà fondamentali a cui si è accennato.

Questa scoperta è dovuta alla introduzione di una tecnica estremamente raffinata nelle misure spettroscopiche, la cosiddetta tecnica delle microonde, resa possibile dai grandi progressi dovuti allo sviluppo delle radiotecniche necessarie per il radar. Questa scoperta ha probabilmente aperto la via a un considerevole progresso nella teoria quantistica del campo elettromagnetico, che, se pur non ha eliminato le difficoltà delle divergenze e risolto le questioni fisiche connesse, ha permesso in certo modo di isolare tali difficoltà e di estendere la validità della elettrodinamica quantistica a tipi di questioni che non si credeva di poter trattare in modo non ambiguo prima di aver risolto le difficoltà concernenti le divergenze. Nello stesso ordine di idee rientra la scoperta del momento magnetico anomalo dell'elettrone, anch'essa resa possibile dalle nuove raffinatissime tecniche recentemente introdotte.

Molto considerevole è stata dal punto di vista sperimentale la mole del lavoro eseguito per cercare di chiarire la natura delle forze nucleari. Questo lavoro ha seguito essenzialmente due strade diverse: da una parte si è cercato di studiare le proprietà dei nuclei, soprattutto del più semplice sistema nucleare possibile, il sistema protone neutrone, per cercare di ottenere delle informazioni sulle proprietà delle forze che si esercitano tra i nucleoni, oppure, allo stesso scopo, si sono studiati gli urti tra particelle nucleari, e principalmente gli urti tra protone e neutrone e tra protone e protone; dall'altra si è cercato di studiare l'interazione dei mesoni con le particelle nucleari. Queste ultime ricerche sono state suggerite da una teoria delle forze nucleari proposta dal fisico giapponese Yukawa fin dal 1935, e che ebbe una singolare fortuna da quando fu scoperto il mesone nella radiazione cosmica. Tale teoria prevedeva un campo di forze nucleari il cui "quanto" doveva essere una particella avente carica elettrica, sia positiva sia negativa, e una massa di riposo non nulla legata al raggio di azione delle forze nucleari da una semplice relazione, la quale faceva prevedere una massa dell'ordine di 150-200 volte la massa elettronica. Yukawa poi aveva dato una teoria della radiazione β secondo la quale egli aveva previsto che il quanto delle forze nucleari doveva essere instabile e con una vita media dell'ordine di 10^-8 sec. Si comprende quindi che il mesone scoperto nella radiazione cosmica fosse identificato con il quanto del campo di forze nucleari. Però proprio lo studio della interazione tra i mesoni μ e i nuclei ha mostrato che questa identificazione era errata (e a questa conclusione ha portato un contributo fondamentale un gruppo di lavori della scuola di fisica nucleare e delle particelle elementari di Roma). Ora si tende a identificare il quanto del campo di forze nucleari con il mesone π: vi è qualche fondamento per tale identificazione ma gli studî al riguardo sono ancora agli inizî.

Notevoli risultati ha portato lo studio dei sistemi e degli urti nucleari; così per esempio è accertato che le forze esercitantisi tra protone e neutrone non sono esclusivamente di natura centrale (esistenza del quadrupolo del deutone), che le forze nucleari sono per lo meno parzialmente "di scambio", ossia si esercitano con lo scambio della carica elettrica tra i nucleoni; che i momenti magnetici nucleari non sono additivi. Quest'ultima scoperta, che probabilmente ha una grande importanza per la teoria delle forze nucleari, è stata fatta mediante l'applicazione di una nuova tecnica, la cosiddetta tecnica della induzione nucleare, che è uno dei più mirabili strumenti oggi a disposizione del fisico sperimentale. Con tutto ciò la natura fondamentale delle forze nucleari rimane ancora assai oscura, e non si sa nemmeno bene fino a che punto l'analogia col caso delle forze elettromagnetiche sia possibile.

Accanto alle ricerche intese ad attaccare in maniera diciamo così diretta il problema delle forze nucleari, sono state condotte numerose ricerche sistematiche sulle varie proprietà dei nuclei. In particolare si sono iniziate misure di una certa precisione dei livelli energetici nucleari. Tali misure talvolta dànno risultati che appaiono completamente imprevisti e sconcertanti. Si è forse appena agli inizî di tale lavoro sistematico di spettroscopia nucleare, e sarebbe prematuro cercare di trarne conclusioni, ma è forse lecito sperare che quando esso sarà pressocché terminato, la spettroscopia nucleare potrà dare un contributo fondamentale alla risoluzione dei problemi riguardanti la costituzione dei nuclei, e quindi ai problemi riguardanti le forze nucleari.

Indipendentemente dalla questione fondamentale della natura delle forze nucleari si deve dire che risultati di grande importanza sia pratica sia teorica sono stati ottenuti studiando le proprietà dei nuclei. Innanzi tutto si ricorderà il fenomeno della fissione dell'uranio e del torio che ha condotto allo sfruttamento della energia nucleare. In secondo luogo, che lo studio dettagliato di alcune reazioni nucleari ha permesso di comprendere quale sia l'origine della energia stellare, e questa scoperta ha avuto naturalmente una importanza fondamentale per l'astrofisica. Si dirà anche che ultimamente si è intravista la possibilità di teorie che diano ragione della origine degli elementi, teorie che prendono in considerazione stati della materia estremamente diversi da tutti quelli che regnano attualmente nell'universo, anche nell'interno delle stelle, e di cui è inutile sottolineare il grande interesse speculativo.

Per quanto riguarda i problemi della seconda categoria, in cui probabilmente non si tratta di scoprire cose fondamentalmente nuove, accenniamo ai problemi che riguardano l'elio liquido, sostanza che in certi casi presenta proprietà diversissime da quelle dei liquidi normali, estremamente interessanti, in quanto sembra che tale circostanza si debba riconnettere al fatto che le proprietà quantistiche della materia diventano direttamente importanti anche per quantità macroscopiche di elio liquido. Importanti progressi sperimentali sono stati fatti nello studio dell'elio liquido, ma manca ancora una teoria soddisfacente di tutti i fenomeni che sono stati così scoperti. La situazione è in qualche modo analoga per il fenomeno della "sopraconduttività", nonostante che siano state recentemente suggerite teorie molto interessanti.

Notevoli progressi sono stati fatti nella teoria dei corpi solidi cristallini, benché anche qui importanti problemi rimangano aperti. Si deve infine segnalare che sono stati ottenuti interessanti successi nella teoria dei liquidi.

Si veda anche l'articolo biofisica in questa Appendice (p. 413).