La costante di struttura fine (alpha): il codice PIN della Natura

In elettrodinamica quantistica (QED), ciò che è davvero bello è l’unificazione da essa proposta delle caratteristiche naturali della luce e della materia. Nella QED , se è vero che le onde costituenti la luce operano come particelle, è anche vero che le particelle costituenti la materia, ad esempio l’elettrone, si comportano come onde che si diffondono in una qualche regione dello spazio. Se riuscite a pensare agli elettroni e ai fotoni come minuscole particelle coinvolte in una partita di biliardo che segue le regole della meccanica quantistica, avrete l’essenza della QED.
Mentre le palle da biliardo continuano ad esistere, alcune particelle possono apparire e sparire. La capacità di irradiare o assorbire fotoni non è specifica dei soli atomi, ma è propria anche delle particelle elettricamente cariche. Ad esempio un elettrone, in un certo punto dello spazio, potrebbe emettere un fotone, che porta via energia e quantità di moto (la grandezza fisica definita come il prodotto della massa per la velocità). Quando questo fotone colpisce un’altra particella carica, la mette in moto. Così, secondo la QED, l’interazione elettromagnetica viene trasferita per l’azione dei fotoni, i quali vanno a sbattere contro altre particelle e, quasi a gomitate, le spingono. Una parentesi: Queste particelle transitorie o “virtuali”, quali appunto i fotoni, non si manifestano direttamente nei rivelatori, ma la loro presenza è dimostrata da altri fenomeni. Oggi sappiamo che esse non sono soltanto frutto dell’immaginazione perché è possibile progettare esperimenti in cui le particelle virtuali si trasformano in altre che sono osservabili direttamente. Ad esempio, due fotoni virtuali possono scontrarsi e mutare nella coppia elettrone-positrone. Chiusa parentesi.
Quando i fotoni e gli elettroni si scontrano, si fondono e si separano e la QED codifica la probabilità della loro interazione in un numero, indicato con la lettera greca alpha. Secondo la QED , alpha è espresso in funzione della velocità della luce (c), della costante di Planck (h) e della carica elettrica (e). Essa quindi stabilisce in modo estremamente persuasivo la relazione tra le grandi teorie del XX secolo: la relatività speciale (per la presenza di “c”) e la teoria dei quanti (per la presenza di “h”). L’allettante caratteristica della formula è data dal fatto che la particolare combinazione di queste quantità, alpha, è un numero puro, adimensionale. Questo numero definisce la scala degli oggetti naturali: le dimensioni degli atomi e di tutte le cose che sono formate da atomi, l’intensità e i colori della luce, l’intensità delle forze elettromagnetiche e il tasso metabolico della vita stessa. Controlla e ordina tutto ciò che vediamo. Sperimentalmente se ne è individuato il valore, che risulta essere: 0,00728. Esso non sembra molto interessante finché non si scopre che il suo inverso (ossia 1/0,00728) ha quasi esattamente il valore di un numero intero: 137. Poco dopo la sua scoperta, il numero ha acquisito un’aurea di mistero esoterico, che ha affascinato e continua ad affascinare i fisici. Sembra che, in 137, per dirla con Frank Close: “la scienza abbia trovato il codice PIN della Natura”.
Negli anni Trenta, a Cambridge (nel Regno Unito), l’astronomo Arthur Eddington, sedotto da questa numerologia, divenne il propugnatore di una sorta di culto pitagorico. Egli elaborò un sistema di sedici equazioni, coinvolgenti varie costanti fondamentali, con le quali sperava di costruire una “Teoria dell’Universo”. Ha quindi sostenuto che il valore di alpha poteva essere dedotto dal seguente calcolo: (16 x 16 – 16)/2 + 16; che dà come risultato 136. Quando i dati sperimentali indicarono che il valore di alpha era più prossimo a 137, Eddington sostenne che era necessario aggiungere ai parametri usati per descrivere le particelle, un ulteriore “grado di libertà” e disinvoltamente riuscì ad ottenere 137 dalla seguente somma: 136 + 1. Oggi sappiamo che l’inverso di alpha non è esattamente 137 e soprattutto che questo valore non ha alcuna connotazione mistica. Nessuna di queste realtà sperimentali era nota nel 1928, quando Dirac prima elaborò la sua equazione per descrivere l’elettrone e poi ne ampliò il significato includendovi l’interazione tra un elettrone e un campo magnetico. 
Il fisico Wolfgang Pauli collaborò con lo psicologo svizzero Carl Gustav Jung in un infruttuoso tentativo di trovare il profondo significato del suo valore. Lo stesso Richard Feynman lo descrive come “uno dei più grandi tra i dannati misteri della fisica: un numero magico che ci arriva senza una possibilità di comprensione da parte dell’uomo”; aggiungendo che se “la mano di Dio” ha scritto quel numero, noi “non sappiamo come Egli abbia usato la matita”. Questo sguardo alla “mano di Dio” ha stuzzicato i fisici e i mistici per ottant’anni. Di recente abbiamo scoperto però dove potremmo trovare una spiegazione, una risposta finale ad uno dei grandi misteri nel campo della fisica: forse nei futuri esperimenti con il Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra (dove l’energia in gioco per le collisioni tra particelle ha già raggiunto, poche settimane fa, i 14 TeV).
Fausto Intilla, 5 aprile 2020