0371. La materia si può trasformare completamente in energia tra miliardi di anni?

La domanda del nostro web-nauta non è affatto sciocca, anzi, si collega ad alcune delle questioni fondamentali della fisica moderna e della cosmologia. Infatti un concetto-base è proprio l'invarianza delle leggi fisiche rispetto all'inversione del tempo (T-invarianza), che è una delle simmetrie [272] fondamentali della fisica: ciò significa che in principio ogni processo può avvenire in entrambe le direzioni temporali.

Nel caso proposto dal nostro web-nauta, dato dalla famosa equazione ( E = mc² ) di Albert Einstein l'energia si può trasformare in massa e la massa in energia equivalente . Dunque, finché non si ha violazione dell'invarianza temporale , entrambe le reazioni hanno la stessa probabilità di verificarsi e dunque non ci aspettiamo che tutta la materia di trasformi in energia o viceversa.

D'altro canto non sempre la T-invarianza è soddisfatta e in tal caso una direzione temporale per una reazione può essere preferita. Questo può accadere in due modi.

- La violazione è macroscopica e legata alla seconda legge della termodinamica , che ci dice che ogni stato termodinamico procede in modo da aumentare l'entropia del sistema [100] . Dunque, in un processo termodinamico una direzione temporale viene selezionata ed è quella che aumenta l'entropia. In questo casoi una reazione avviene preferibilmente in una direzione fino al momento in cui si raggiunge l'equilibrio termico (stato con la massima entropia). A quel punto l'entropia non può più aumentare e la reazione, e la sua inversa, sono in equilibrio. Nota che nel caso della transizione tra massa in energia, la reazione che produce energia è di solito favorita dal punto di vista termodinamico perché l'energia può essere divisa tra un maggior numero di stati e dunque l'entropia del sistema aumenta. E’ per questa ragione che una particella instabile   [37] decade in particelle più leggere con maggiore energia cinetica. Le particelle leggere possono ricombinarsi in quella più pesante, ma un simile avvenimento è statisticamente molto improbabile, specialmente se la densità delle particelle è bassa. Per la stessa ragione non accade che, spontaneamente, le molecole d'aria si concentrino in un angolo della stanza invece di sparpagliarsi in tutto lo spazio a disposizione. Tuttavia bisogna dire che, nei primi minuti di vita dell'Universo, le densità di particelle erano talmente elevate da permettere anche la reazione inversa da energia a massa e quindi anche particelle instabili come i neutroni (che sono stabili solo nei nuclei,[15] ) erano presenti ed in equilibrio termico [256].

- La violazione della T-invarianza può anche essere di origine microscopica e non statistica; in questo caso abbiamo anche la violazione della simmetria tra particella ed antiparticella [272] [299]. Crediamo che la simmetria fondamentale per la fisica delle particelle sia in realtà una combinazione di inversione spazio-temporale (riflessione rispetto all'origine delle coordinate) e scambio di particella in antiparticella (CPT) . Dunque ogni volta che una parte della simmetria CP viene violata [299] , ci aspettiamo una eguale ed opposta violazione della T-invarianza. Questo effetto è stato misurato ed è molto piccolo nel modello standard , ma deve aver giocato un ruolo fondamentale nella creazione di un Universo prevalentemente di materia [5], [60],[256] .

Laura Covi – Fisico