0071. Che differenza c'è tra quanti e particelle?

 Quando è che si possono chiamare quanti invece che altre particelle. Voglio dire,c'è un ordine di grandezza che le distingue dalle altre particelle che invece seguono la legge della fisica come noi la conosciamo? (Tiziano Tibaldi)

La fisica cerca di descrivere le interazioni fra le particelle, cioè il modo in cui due o più particelle che compongono un "sistema" influenzano reciprocamente il loro moto. Esprimendomi con maggiore generalità parlerei dell' influenza sul loro "stato" che è l' insieme dei numeri che distingue un "sistema" da un altro. Costituiscono un sistema, per esempio, un protone e un elettrone legati nell'atomo di idrogeno oppure, in un esempio macroscopico, la radiazione luminosa emessa da un filamento incandescente e l'energia termica degli atomi del filamento. Si può definire il quanto come l' entità fisica che, per effetto dell' interazione tra le particelle, cambia di una unità uno dei numeri che descrivono il loro "stato". In questo schema il quanto è una ulteriore particella virtuale che porta il 'carico' di un numero quantico dall' una all' altra particella del sistema, rispettandone le leggi di conservazione. Possiamo farci una rappresentazione di questo processo immaginando due persone su due zattere vicine: il primo stacca un tronco dalla zattera e lo lancia al secondo, che glielo rilancia indietro, e così via. Il tronco che viaggia da una zattera all’ altra è il quanto di questa interazione, che trasferisce impulso ed energia, e fa cambiare di una unità in più o in meno il numero dei tronchi di ogni zattera; il tronco è anche una particella virtuale cha alla fine sarà inglobato in una delle zattere. Questa rappresentazione descrive abbastanza fedelmente quello che avviene nell’interazione tra due nuclei.

Alla domanda del lettore si può quindi rispondere che un quanto è una particella virtuale che esiste tra le particelle reali durante un’interazione per trasferire impulso, energia e numeri quantici. Poiché al termine dell’interazione lo stato finale deve soddisfare le leggi di conservazione è possibile che la particella virtuale, avendo scambiato solo parte dell’ impulso ed energia che aveva, appaia nello stato finale come una particella reale necessaria a chiudere il bilancio energetico. Si spiega così come certe particelle, storicamente concepite come mediatori, per esempio il pione come quanto dell’ interazione forte, o il bosone Z⁰ come quanto dell’ interazione debole, appaiano anche come particelle reali.

Per capire quando sia possibile fare a meno di questo complicato schema di scambio di un quanto-mediatore che appare come una ‘particella virtuale’, bisogna considerare quali sono gli stati iniziali e finali dell'interazione. Lo stato "fondamentale" di un sistema è caratterizzato da numeri piccoli, tipicamente un insieme di zeri o di uno; un cambiamento di stato che coinvolga lo stato fondamentale o quelli ad esso molto vicini, deve certamente essere descritto con la meccanica quantistica.

È plausibile che un sistema che passi tra stati individuati da numeri 0, 1, 2 o 3 subisce dei cambiamenti molto maggiori di un sistema che passi tra stati 101, 102 o 103. Questo è il principio di corrispondenza che asserisce che la descrizione della meccanica quantistica deve coincidere con quello della meccanica classica quando i numeri 'quantici' degli stati coinvolti siano molto grandi. Tornando all’ esempio delle zattere, è evidente che se queste fossero costituite da centinaia di tronchi il fatto di toglierne uno e di usarlo come mediatore dello scambio di impulso cambia poco lo stato del sistema (ogni scambio di tronco darà solo una piccola spinta alle zattere): se invece fossero costituite solo da due o tre tronchi lo scambio anche di uno solo di essi ha un grande effetto sullo stato complessivo. Si può rispondere quindi che non è importante la 'grandezza' del quanto per determinare se sia necessaria la trattazione quantistica (che implica lo scambio di particelle virtuali) o sia sufficiente quella classica, ma è la grande o piccola diversità degli stati fra cui il quanto causa la transizione che impone la scelta. A titolo di esempio, l'assorbimento di un fotone di bassa energia, molto minore dell' energia di agitazione termica, nella materia ordinaria non richiede solitamente la meccanica quantistica, ma se il fotone viene assorbito da un sistema a temperature prossime allo zero assoluto, dove pochissima energia e' inizialmente disponibile, il fotone apporta una variazione di energia significativa e la descrizione quantistica diviene necessaria.

Piero Patteri – Fisico