Il colore delle particelle Alessandro Pascolini Università di Padova

Il colore delle particelle
Alessandro Pascolini
Università di Padova
Atomos, paramanu, atomi
La concezione atomistica della materia ha attraversato la storia della cultura
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Gli atomos greci, non potendo essere osservati direttamente, non possono essere
conosciuti in dettaglio: si sa solo che sono solidi, pieni, hanno figure e dimensioni
differenti, si muovono; una cosa è assolutamente certa, e Lucrezio lo afferma con
vigore: Nessun colore affatto posseggono le particelle elementari della materia,
né simile alle cose, né da esse diverso.
Anche nella tradizione indiana è stata elaborata una concezione atomista, che
continua a vivere nello Jainismo. Le particelle fondamentali sono i paramanu,
che, a differenza degli atomos, sono allegri, dotati di sapore, odore, dimensione,
estensione, moto continuo, due tipi di carica, e anche colore. Echi di questa
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La teoria atomista verrà fatta rivivere nel XVII secolo da Pierre Gassendi. I suoi
atomi materiali acquistano nuove proprietà: estensione, grandezza, forma, peso
o massa, ed una velocità individuale, impressa da Dio ab initio. Ma niente colore.
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Neppure Galileo, con la sua distinzione fra qualità primarie e secondarie,
attribuisce colore ai suoi atomi, che rimangono acromatici anche per Francesco
Bacone. La tradizione atomistica rimane fedele a Lucrezio.
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certo senso di colore. C onsideriamo la definizione di colore data da Cartesio e
Locke, che possiamo esprimere nella forma: x è rosso se e solo se x ha una
qualche caratteristica tale da produrre la sensazione del rosso. C artesio, Locke,
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interna. Tali sensazioni sono causate dalla luce sia nella concezione di C artesio
che in quella di Newton: nella prima i corpuscoli della matière subtile della luce
evocano i diversi colori ruotando a diverse velocità, nella seconda i corpuscoli
atomici che compongono i raggi luminosi provocano le sensazioni di colore
venendo rifratti differentemente in base alle loro dimensioni. Ebbene,
ammettendo la definizione di colore di Cartesio-Locke, possiamo affermare che
tali particelle di luce hanno lo stesso colore che sanno suscitare.
Fotoni, atomi, particelle
La teoria corpuscolare della luce verrà ripresa da Einstein nel 1905 con i suoi
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sensazioni luminose dipendono dalla frequenza della radiazione, in base alla
definizione di Cartesio-Locke, potremmo dire che i fotoni di frequenze comprese
nello spettro visibile hanno i colori corrispondenti (invece tutti gli altri fotoni
sarebbero privi di colore). In realtà, però, i colori si distinguono solo se la luce è
abbastanza intensa, per cui solo impulsi composti da un numero sufficiente di
fotoni riescono a produrre sensazioni di colore: pertanto il singolo fotone non può
essere considerato colorato.
I grandi progressi sperimentali e teorici della fisica del secolo scorso hanno anche
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La meccanica quantistica, che fissa il quadro concettuale del microcosmo, associa
ad ogni particella una descrizione ondulator
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onda:
tali onde sono di frequenza estremamente alta, lontana dallo spettro visibile, per
cui, in base sempre alla definizione di C artesio-Locke, nessuno di tali sistemi
possiede colore. La norma di Lucrezio rimane inesorabilmente valida per ogni
possibile particella di dimensioni atomiche o inferiori.
I quark e il loro colore
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introdussero sul palcoscenico della scienza una nuova famiglia: i quark, elementi
elementari costitutivi degli adroni.
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accanto ad ogni quark esiste il suo anti-quark, di proprietà speculari. Gli adroni si
suddividono in barioni, composti da tre quark, e mesoni, composti da un quark e
un antiquark. Un carattere comune di tutti i quark, assolutamente nuovo nel
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allo stato libero, con grande disappunto degli scienziati che si sforzarono per una
decina di anni di estrarli dagli adroni o di produrli in reazioni di vario tipo.
Il modello a quark pone alcuni problemi: esistono particelle composte da quark
identici nello stesso stato, in violazione apparente di uno dei principi fondanti la
meccanica quantistica, il principio di esclusione di Pauli; i quark risultano
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tre stati di colore distinti.
I colori vanno considerati come una nuova carica, che genera il campo di forza
nucleare (in analogia con la carica elettrica che genera il campo
elettromagnetico). La teoria di campo associata a questa interazione
fondamentale si chiama cromodinamica quantistica.
Una proprietà fondamentale della nuova dinamica è che tutti gli adroni hanno
carica di colore globale nulla, per cui il colore dei quark deve neutralizzarsi: nel
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combinazione deve dare carica di colore nulla. La legge che proibisce ai sistemi
naturali di avere una carica di colore impedisce ai quark singoli di esistere in
modo indipendente.
La scelta del colore come attributo dei quark è chiaramente solo una metafora:
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agli adroni un colore neutro, di fatto bianco, come combinazione dei tre colori
fondamentali o di un colore e del suo complementare. Utilizzando il sistema RGB,
i quark sarebbero rossi, verdi e blù (ma alcuni sostituiscono al verde il giallo,
forse anche perchè in C ina e Giappone il verde è solo una sfumatura del blù); gli
antiquark sarebbero invece ciano (antirosso), fucsia (antiverde), giallo (antiblù) .
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quark viene mediata da particelle di massa nulla chiamate gluoni. A differenza
dei fotoni, che sono elettricamente neutri, i gluoni hanno una loro carica di
colore, pertanto possono interagire fra di loro e devono, come i quark, rimanere
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continuamente con la condizione che il sistema totale rimanga sempre neutro di
colore, per cui in nessun punto ed in alcun istante si può riconoscere il colore
preciso di un quark o gluone.
La metafora del colore è, complessivamente, piuttosto infelice e non riesce a
divenire strutturale: infatti, ad esempio, un gluone blù antiverde (indaco)
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da colori complementari. Infine, mentre i singoli colori hanno una precisa valenza
culturale, i colori specifici attribuiti a quark sono assolutamente irrilevanti.
Del resto la stessa simbologia di colore scompare nella notazione e nei calcoli
effettivi della teoria, in quanto i tre stati diventano genericamente 1,2, 3 e la
metafora viene completamente persa.
Era saggio seguire la prescrizione di Lucrezio:
E dunque evita di contaminare con un colore i germi delle cose
Le particelle non hanno colore, ma...
No, non ha senso pensare che le particelle fisiche abbiano colore. Ma se
osserviamo un ricercatore che segue su di un monitor il succedersi degli eventi in
un esperimento di particelle, vediamo un succedersi ed intrecciarsi di traiettorie
variamente colorate, e lui potrà dirci: le tracce verdi sono elettroni, quelle viola
pioni... e allora?
Allora dobbiamo ricordare che i colori hanno un importante ruolo epistemologico,
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individuale e non entrano nel linguaggio scientifico.
In realtà le stesse immagini che descrivono gli eventi non sono altro che modelli
teorici espressi mediante immagini: non mostrano il mondo, ma ciò che noi
pensiamo del mondo. Visualizzano le nostre concezioni del mondo. E noi
pensiamo a colori
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1950). Un nucleo cosmico di zolfo (rosso) produce un getto di particelle:
un nucleo di fluoro (verde), frammenti nucleari (blù) e sedici pioni (gialli).
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2. Immagine a falsi colori di un evento prodotto in una camera a bolle (foto
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3. Lo spettro della luce solare: le barre nere corrispondono alle lunghezze
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laboratorio C ERN di Ginevra. I colori corrispondono a codici convenzionali
di identificazione delle caratteristiche delle particelle prodotte (C ERN-INFN)
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al laboratorio C ERN di Ginevra. I colori corrispondono a codici
convenzionali di identificazione delle caratteristiche delle particelle
prodotte (CERN-INFN)
6. I
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gluoni (disegno Luca Cesaro, direzione artistica Alessandro Pascolini)