Lettura: Il
tempo e l'antimateria (da Paul Davies, I misteri del tempo)
« Il concetto
di antimateria risale all'incirca al 1930 e alla famosa previsione di Dirac, che
aveva lottato per riuscire a unificare la nuova meccanica quantistica con
la teoria della relatività speciale di Einstein. Dirac voleva sapere in che
modo si comporta una particella quantistica come l'elettrone quando si muove a
una velocità prossima a quella della luce. Egli ricavò un' equazione che
sembrava rispondere ai requisiti richiesti, ma rimase sconcertato dal fatto che
ogni soluzione dell'equazione che descriveva un elettrone era accoppiata con una
specie di soluzione speculare che non sembrava corrispondere ad alcuna
particella conosciuta. Dopo aver molto riflettuto, Dirac formulò una coraggiosa
ipotesi. Le soluzioni « speculari », sostenne, corrispondono a particelle
identiche agli elettroni, ma con proprietà invertite. Per esempio invece di
avere carica negativa, le particelle speculari avrebbero dovuto essere cariche
positivamente. Nel giro di un paio d'anni, i « positroni » di Dirac vennero
effettivamente scoperti negli sciami di raggi cosmici. Esistono realmente.
I fisici si
resero finalmente conto che in natura a qualunque tipo di particella subatomica
corrisponde un'antiparticella. Oltre agli antielettroni (chiamati anche
positroni) ci sono gli antiprotoni, gli antineutroni e cosi via.
I positroni
vengono prodotti in coppia con gli elettroni in seguito a violenti urti fra i
raggi gamma e la materia. Tipicamente, un fotone gamma che incontra un atomo
produce una coppia elettrone-positrone. Il neonato elettrone si allontana per
godere di un'esistenza più o meno permanente, mentre il povero positrone va
incontro da subito a dei pericoli. Se si imbatte in un elettrone (e l'universo
è pieno di elettroni) la coppia si annichilirà istantaneamente, invertendo il
processo di creazione di coppia e restituendo fotoni. Questa è generalmente la
causa della breve carriera di un positrone.
Nella
figura è disegnato un diagramma spazio-temporale che mostra la creazione e la
successiva annichilazione di un positrone. In genere questo diagramma viene cosi
interpretato: il fotone gamma, raffigurato dalla linea ondulata proveniente dal
basso, crea una coppia elettrone-positrone in corrispondenza dell'evento a;
l'elettrone (contrassegnato con e2) se ne va a destra, mentre il
positrone (contrassegnato con p) si dirige a sinistra, colpisce un secondo
elettrone (e1) in corrispondenza dell'evento b e si annichila,
creando ancora una volta un fotone. L'effetto complessivo è che l'elettrone e1
è scomparso in un punto per essere rimpiazzato dall'elettrone e2
in un altro punto. Secondo l'audace congettura di Feynman, gli elettroni e1
ed e2 sono in realtà la stessa particella, anche se nell'intervallo
di tempo che separa gli eventi a e b entrambi gli elettroni sono presenti!
L'idea di
Feynman è che la linea continua a zig-zag nella figura non vada vista come la
concatenazione delle linee d'universo di tre particelle distinte, ma come un
cammino spazio-temporale continuo di un singolo elettrone. Il tratto con
pendenza negativa - il segmento corrispondente al positrone - rappresenta allora
l'elettrone che si muove indietro nel tempo. Questo salto temporale è indicato
dalle frecce sulla linea d'universo. Durante la fase normale, di elettrone, la
freccia punta avanti nel tempo, ma durante la fase di positrone punta
all'indietro. in quest'ottica, l'elettrone originale indisturbato (e1)
emette un fotone (in b) e salta indietro nel tempo, quindi assorbe un fotone (in
a) e ritorna di nuovo nel futuro. Un osservatore che si trovasse nell'intervallo
di tempo fra a e b vedrebbe due elettroni e un positrone, ma Feynman afferma che
si tratta in realtà di un'unica particella vista tre volte: prima (come e1)
nella sua forma originale indisturbata, poi (come positrone) mentre torna
indietro dal futuro, e infine (come e2) mentre va ancora una volta
avanti nel tempo.
L'idea di base
può essere estesa includendo molti più elettroni e positroni, lasciando che la
linea dell'universo continui a zigzagare. In effetti, secondo Wheeler tutti gli
elettroni dell'universo sono in realtà un'unica particella, che semplicemente
salta avanti e indietro nel tempo! In altre parole, voi, io, la Terra, il Sole,
la Via Lattea e tutte le altre galassie siamo composti da un solo elettrone (e
anche da un solo protone) visti un'innumerevole quantità di volte.
La conclusione
che possiamo trarre da queste osservazioni - ed è una conclusione davvero
profonda - è che la natura non presenta una simmetria fra materia ed
antimateria, e che quindi le leggi dell'universo non sono esattamente
simmetriche rispetto al tempo. Quali che furono i processi fisici all'origine
della creazione del materiale cosmico, presumibilmente nelle condizioni estreme
del Big Bang, essi dovettero essere non simmetrici, anche se di poco, rispetto
al tempo. In altre parole, deve esistere almeno un processo fisico fondamentale
che non è perfettamente simmetrico rispetto all'inversione temporale. »
Collisione tra
la galassia NGC 2207 (a sinistra) e la più piccola IC 2163, nella costellazione
del Cane Maggiore, distanti 114 milioni di anni luce da noi