I Premi Nobel del 1999 per la chimica e fisica

a cura di Mario Bruschi, Dipartimento di Fisica Università “La Sapienza”

Fisica
Il premio Nobel per la Fisica va quest’anno a Gerardus ‘t Hooft (Università di Utrecht) e Martinus Veltman (Università del Michigan, ma ora in pensione) per i loro lavori teorici sull’unificazione delle Forze (interazioni) fondamentali.

Le interazioni fondamentali in Natura sembrano (sembravano) essere già sorprendentemente poche: la gravità (la ben nota forza che fa cadere le mele sulla testa di Newton e che tiene i pianeti nelle loro orbite e l’universo nel suo corso), la forza elettrica (accende la lampadina, fa funzionare il frigo, etc), la forza magnetica (calamite, aghi della bussola), la forza debole (responsabile della radioattività), la forza forte (che tiene insieme i nuclei degli atomi e quindi, in definitiva, fa si che la realtà che percepiamo possa esistere).

Eppure già dal secolo scorso, e ancora più in questo secolo, gli scienziati hanno sospettato che anche il già ridotto numero di queste forze potesse essere ulteriormente ridotto, cioè che forze apparentemente diverse potessero essere solo “manifestazioni” diverse di una unica entità (un po’ come ghiaccio, acqua e vapore sono sì diversi ma in fondo sono solo manifestazioni diverse della stessa sostanza chimica, H2O).

Questo sogno di grande unificazione riguarda non solo le forze ma anche le teorie fisiche con cui descriviamo (più o meno efficacemente ) la realtà. Infatti, dopo il crollo delle classiche teorie della meccanica ed elettrodinamica (Galileo, Newton, Faraday, Maxwell…), nei primi anni del secolo sono apparse due nuove e potenti teorie, e dietro di loro due visioni del mondo, apparentemente inconciliabili: la Relatività di Lorenz, Poincarè, Einstein e la Meccanica Quantistica di Bohr, Sommerfeld, Heisenberg, Schroedinger, Pauli, Dirac e tanti altri.

Un primo spettacolare successo sulla via del Sacro Graal della Grande Unificazione si ha in età “classica”: nella seconda metà del secolo scorso Maxwell prevede teoricamente e Hertz conferma sperimentalmente che Elettricità e Magnetismo sono due facce della stessa medaglia e in più che luce, calore radiante, raggi X, raggi gamma, micro-onde, onde radio sono essenzialmente la stessa cosa: propagazione ondosa del campo elettrico-magnetico unificato.

Sull’altro fronte, quello delle teorie, una parziale unificazione di Relatività e Quantomeccanica, fu ottenuta da Dirac nella sua celebre equazione relativistica dell’elettrone (che sorprendentemente conteneva la previsione dell’esistenza dell’anti-materia, previsione poi ampiamente confermata sperimentalmente).

Tale unificazione è stata poi perfezionata e ampliata nella cosiddetta Teoria Quantistica dei Campi che però, pur molto essendo molto potente nello spiegare un gran numero di fenomeni (spiegava, tra l’altro, come le particelle decadono o come possano essere create o annichilate), presentava tuttavia gravi contraddizioni interne come la previsione di grandezze fisiche infinite.

Richard Feynman, Julian Schwinger e Sin-Itiro Tomonaga superarono queste difficoltà introducendo la cosiddetta “rinormalizzazione” che efficacemente eliminava le indesiderate quantità infinite: nasceva così la QED (Quanto-Elettro-Dinamica), la cui capacità e precisione di previsione è tuttora insuperata. Inoltre la QED (quale primo esempio di una teoria di “gauge” funzionante) mostrava la strada su come altre unificazioni potessero essere effettuate. E in effetti successivamente S. Weinberg e A. Salam riuscivano ad unificare l’interazione elettromagnetica con quella “nucleare debole” attraverso un teoria di “gauge” che però presentava (ad un altro livello) la stessa difficoltà delle prime teorie di campo: cioè la presenza di quantità infinite.

A questo punto si inserisce il contributo di questi due nuovi premi Nobel. I due fisici teorici infatti sono riusciti nel difficile compito di estendere la tecnica di “rinormalizzazione” già introdotta da Feynman & c. nella prima teoria dei campi “Abeliana” a questa nuova “teoria di gauge non-Abeliana” (mettendo fine all’ansietà dei teorici sulla utilizzabilità di questa nuova teoria elettro-debole).

Certo spiegare ai “profani” le difficoltà teorico-matematiche dell’impresa di Veltman e G. ‘t Hooft è abbastanza arduo. Basti qui dire che con il formalismo introdotto è stato possibile stimare le masse dei bosoni pesanti W e Z0, più tardi sperimentalmente trovati da Rubbia & C., e del quark Top, recentemente trovato sperimentalmente.

Consigliati anche due articoli divulgativi dei Nobel stessi:

G. ‘t Hooft, Scientific American, June 1980

M. Veltman, Scientific American, November 1986

Chimica

Il premio Nobel ’99 per la chimica è andato a Ahmed H. Zewail del Caltech, per lo sviluppo di una tecnica che permette di “vedere” le fasi intermedie estremamente rapide di una reazione chimica. Usando impulsi Laser ultra-rapidi si possono avere “istantanee” di gran lunga più veloci di quelle delle normali foto-camere, catturando il moto degli atomi entro le molecole ad una scala di tempi dell’ordine dei femtosecondi (un femtosecondo = un milionesimo di un miliardesimo di secondo!).

Dato che un atomo “vibra” in tempi dell’ordine di 10-100 femtosecondi, questa tecnica è abbastanza veloce per cogliere tutti i passaggi di ogni reazione chimica conosciuta. Zewail e i suoi colleghi la utilizzarono già 10 anni fa per “vedere” la disintegrazione dello iodocyanide (ICN=>I+CN), cogliendo anche il preciso momento in cui il legame chimico stava rompendosi.

Da allora la “FemtoChimica” ha studiato le fasi intermedie di moltissime reazioni, rivelando una intera classe di nuovi composti chimici che vivono una vita effimera tra l’inizio e la fine di una reazione chimica. Ciò ha permesso ovviamente sia nuovi progressi teorici (conoscenze nuove sui processi di corrosione, di catalisi, sintesi clorofilliana, etc) sia lo sviluppo di nuove tecniche di controllo delle reazioni chimiche stesse (con lo sviluppo, per esempio, di nuovi materiali per l’elettronica.

Altre letture:

Physics Today, October 1999, p. 19

Scientific American, December 1990