Lettura: Il tempo e l'antimateria (da Paul Davies, I misteri del tempo)

 « Il concetto di antimateria risale all'incirca al 1930 e alla famosa previsione di Dirac, che aveva lottato per riuscire a unificare la  nuova meccanica quantistica con la teoria della relatività speciale di Einstein. Dirac voleva sapere in che modo si comporta una particella quantistica come l'elettrone quando si muove a una velocità prossima a quella della luce. Egli ricavò un' equazione che sembrava rispondere ai requisiti richiesti, ma rimase sconcertato dal fatto che ogni soluzione dell'equazione che descriveva un elettrone era accoppiata con una specie di soluzione speculare che non sembrava corrispondere ad alcuna particella conosciuta. Dopo aver molto riflettuto, Dirac formulò una coraggiosa ipotesi. Le soluzioni « speculari », sostenne, corrispondono a particelle identiche agli elettroni, ma con proprietà invertite. Per esempio invece di avere carica negativa, le particelle speculari avrebbero dovuto essere cariche positivamente. Nel giro di un paio d'anni, i « positroni » di Dirac vennero effettivamente scoperti negli sciami di raggi cosmici. Esistono realmente.

I fisici si resero finalmente conto che in natura a qualunque tipo di particella subatomica corrisponde un'antiparticella. Oltre agli antielettroni (chiamati anche positroni) ci sono gli antiprotoni, gli antineutroni e cosi via.

I positroni vengono prodotti in coppia con gli elettroni in seguito a violenti urti fra i raggi gamma e la materia. Tipicamente, un fotone gamma che incontra un atomo produce una coppia elettrone-positrone. Il neonato elettrone si allontana per godere di un'esistenza più o meno permanente, mentre il povero positrone va incontro da subito a dei pericoli. Se si imbatte in un elettrone (e l'universo è pieno di elettroni) la coppia si annichilirà istantaneamente, invertendo il processo di creazione di coppia e restituendo fotoni. Questa è generalmente la causa della breve carriera di un positrone.

Nella figura è disegnato un diagramma spazio-temporale che mostra la creazione e la successiva annichilazione di un positrone. In genere questo diagramma viene cosi interpretato: il fotone gamma, raffigurato dalla linea ondulata proveniente dal basso, crea una coppia elettrone-positrone in corrispondenza dell'evento a; l'elettrone (contrassegnato con e₂) se ne va a destra, mentre il positrone (contrassegnato con p) si dirige a sinistra, colpisce un secondo elettrone (e₁) in corrispondenza dell'evento b e si annichila, creando ancora una volta un fotone. L'effetto complessivo è che l'elettrone e₁ è scomparso in un  punto per essere rimpiazzato dall'elettrone e₂ in un altro punto. Secondo l'audace congettura di Feynman, gli elettroni e₁ ed e₂ sono in realtà la stessa particella, anche se nell'intervallo di tempo che separa gli eventi a e b entrambi gli elettroni sono presenti!

L'idea di Feynman è che la linea continua a zig-zag nella figura non vada vista come la concatenazione delle linee d'universo di tre particelle distinte, ma come un cammino spazio-temporale continuo di un singolo elettrone. Il tratto con pendenza negativa - il segmento corrispondente al positrone - rappresenta allora l'elettrone che si muove indietro nel tempo. Questo salto temporale è indicato dalle frecce sulla linea d'universo. Durante la fase normale, di elettrone, la freccia punta avanti nel tempo, ma durante la fase di positrone punta all'indietro. in quest'ottica, l'elettrone originale indisturbato (e₁) emette un fotone (in b) e salta indietro nel tempo, quindi assorbe un fotone (in a) e ritorna di nuovo nel futuro. Un osservatore che si trovasse nell'intervallo di tempo fra a e b vedrebbe due elettroni e un positrone, ma Feynman afferma che si tratta in realtà di un'unica particella vista tre volte: prima (come e₁) nella sua forma originale indisturbata, poi (come positrone) mentre torna indietro dal futuro, e infine (come e₂) mentre va ancora una volta avanti nel tempo.

L'idea di base può essere estesa includendo molti più elettroni e positroni, lasciando che la linea dell'universo continui a zigzagare. In effetti, secondo Wheeler tutti gli elettroni dell'universo sono in realtà un'unica particella, che semplicemente salta avanti e indietro nel tempo! In altre parole, voi, io, la Terra, il Sole, la Via Lattea e tutte le altre galassie siamo composti da un solo elettrone (e anche da un solo protone) visti un'innumerevole quantità di volte.

La conclusione che possiamo trarre da queste osservazioni - ed è una conclusione davvero profonda - è che la natura non presenta una simmetria fra materia ed antimateria, e che quindi le leggi dell'universo non sono esattamente simmetriche rispetto al tempo. Quali che furono i processi fisici all'origine della creazione del materiale cosmico, presumibilmente nelle condizioni estreme del Big Bang, essi dovettero essere non simmetrici, anche se di poco, rispetto al tempo. In altre parole, deve esistere almeno un processo fisico fondamentale che non è perfettamente simmetrico rispetto all'inversione temporale. »

 

 

Collisione tra la galassia NGC 2207 (a sinistra) e la più piccola IC 2163, nella costellazione del Cane Maggiore, distanti 114 milioni di anni luce da noi

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