INFORMATICA QUANTISTICA: DA JAMES BOND AL SIGNOR SPOCK

Qubit o bit quantistico

Io non so giocare a scacchi. Conosco le regole, ma se dovessi sfidare un ragazzino, mediamente allenato, finirei col soccombere in poche mosse. Insomma farei mosse avventate, per non dire assurde, perché ignoro i principi fondamentali del gioco, ben diversi dalle pure e semplici regole. Questi principi sono proprietà collettive ed emergenti, le quali non risultano evidenti studiando solo le regole, ma che nascono e si concretizzano dalle interazioni fra i pezzi disposti sulla scacchiera. Ebbene l’attuale concezione della meccanica quantistica è simile alla mia, come giocatore di scacchi. I fisici ne conoscono le regole da più di 80 anni, apprendendo anche qualche mossa intelligente da utilizzare in particolari situazioni, ma stanno ancora imparando i “trucchi” necessari per padroneggiare con abilità una partita completa.

Scoprire questi principi, queste mosse mirate, è l’obiettivo dell’informatica quantistica, un campo fondamentale che si sta spalancando in risposta ad un nuovo modo di concepire la realtà. Molte ricerche in questa emergente disciplina sono rivolte alle applicazioni tecnologiche: ci sono gruppi di ricercatori che “teletrasportano” stati quantici da un luogo all’altro, fisici che adoperano stati quantici per creare chiavi crittografiche, informatici e matematici che escogitano algoritmi e linguaggi di programmazione per futuri computer quantistici, molto più veloci dei più veloci computer convenzionali.

Queste applicazioni sono affascinanti e, oltremodo, auspicabili, ma sono solo la ricaduta tecnologica di ricerche teoriche che affrontano questioni scientifiche nuove e profonde. Il ruolo di scoperte quali il teletrasporto quantistico si può paragonare a quello delle macchine a vapore e di altri dispositivi che spronarono lo sviluppo della termodinamica dalla fine del Settecento e per tutto il periodo della rivoluzione industriale. Lo studio di questa branca della fisica era incentivato e alimentato da fondamentali questioni sulle relazioni che intercorrono fra energia, calore e temperatura, sulle trasformazioni di queste grandezze nei processi fisici e sul ruolo chiave dell’entropia.

In modo simile, i ricercatori, che si occupano di informatica quantistica, stanno studiando le relazioni tra unità d’informazione classiche e quantistiche, l’originalità con cui si possono elaborare e analizzare le informazioni quantistiche e la non trascurabile caratteristica degli oggetti quantistici chiamata correlazione non locale o entanglement, la quale implicherebbe peculiari connessioni fra oggetti (quantistici) differenti.

È sbagliato pensare alla correlazione non locale come ad una proprietà assoluta, secondo cui le particelle o sono correlate o non lo sono. L’informatica quantistica ha invece mostrato che la correlazione è una proprietà fisica quantificabile, come l’energia, che permette di elaborare informazioni: alcuni sistemi quantistici sono poco correlati, altri mediamente e altri ancora molto. Quanto più è disponibile correlazione, tanto più un sistema è adatto a elaborare informazioni quantistiche. Inoltre i fisici stanno sviluppando potenti leggi quantitative riguardanti l’entanglement, analoghe ai principi della termodinamica che governano i processi energetici, in grado di fornire una serie di capisaldi di alto livello per comprenderne il comportamento e descrivere come usarla per elaborare informazioni.

Numerosi studi sulla complessità si concentrano su sistemi, come la meteorologia, pertinenti più alla fisica classica che a quella quantistica. È ovvio, in quanto i sistemi complessi sono di solito macroscopici e formati da molte parti, come, d’altronde, molti sistemi perdono la loro natura quantistica con l’aumentare delle dimensioni. La transizione dallo stato quantistico a quello classico avviene perché i “grandi” sistemi quantistici interagiscono fortemente con l’ambiente circostante, producendo un fenomeno di decoerenza che distrugge le proprietà quantistiche del sistema stesso: classico esempio di decoerenza quantistica è il paradosso del gatto di Schroedinger. In teoria il gatto, chiuso in una scatola, si troverebbe in un bizzarro stato quantico, metà vivo e metà morto: non ha senso descriverlo come l’uno o l’altro. In un esperimento reale, il gatto interagisce con la scatola scambiando luce, calore e suono e la scatola, allo stesso modo, interagisce con il resto dell’ambiente. In un intervallo temporale infinitesimo questi processi annientano il delicato stato quantico all’interno della scatola e lo sostituiscono con stati descrivibili, con buona approssimazione, secondo le leggi della fisica classica. Il gatto all’interno è indubbiamente vivo, oppure purtroppo morto, e non si trova in alcun modo in una misteriosa combinazione quantica dei due stati. Raccomandazione: per l’esperimento reale usate gli scarafaggi, non i gatti!

La chiave per osservare comportamenti quantistici in un sistema complesso consiste nell’isolare con estrema accuratezza il sistema, impedendo la decoerenza e preservando i “fragili” stati quantici. L’isolamento è relativamente semplice quando si ha a che fare con sistemi piccoli, come atomi intrappolati magneticamente e sospesi nel vuoto, ma molto difficile con sistemi meno microscopici. La scoperta di fenomeni come la superconduttività, cioè il passaggio di corrente elettrica in un conduttore che non oppone resistenza, è un esempio di come i fisici abbiano ottenuto sistemi quantici ben isolati, dimostrando che le “semplici” regole della meccanica quantistica possono dare origine a comportamenti complessi.

Per comprendere i principi che agiscono nei rari casi in cui complessità e meccanica quantistica interagiscono, partiamo dal problema fondamentale dell’informatica in generale, di quella quantistica in particolare, che possiamo enunciare in questo modo: “Qual è la minima quantità di risorsa fisica che ci necessita per eseguire un compito assegnato in conformità a un criterio di successo ben delineato?”. Il problema fu risolto nel 1948 dal matematico americano Claude Elwood Shannon, che quantificò il contenuto d’informazione prodotto da una fonte definendolo come il numero minimo di bit necessario per immagazzinare l’output della fonte stessa. L’espressione matematica del contenuto d’informazione è oggi nota come entropia di Shannon. Questo concetto gioca un ruolo centrale nel calcolo di quanta informazione possa essere trasmessa in modo efficiente attraverso un canale di comunicazione disturbato da rumore stocastico e, persino, nel valutare strategie nel gioco d’azzardo o nel mercato azionario. Una peculiarità dell’informatica è che le questioni concernenti processi elementari stimolano e indirizzano approfondimenti su concetti unificanti processi più complessi.

Nell’informatica quantistica le risorse fisiche includono ora stati di sovrapposizione, i processi possono chiamare in causa misteriosi legami quantistici (correlazione non locale) fra oggetti lontani. Nel contempo i criteri di successo diventano più evanescenti rispetto al caso classico, perché per estrarre il risultato di un compito quantistico di elaborazione d’informazione dobbiamo condurre misurazioni sul sistema e questa procedura inevitabilmente lo modifica distruggendo gli stati di sovrapposizione.

L’informazione quantistica generalizza le risorse fondamentali dell’informatica classica, passando dal bit al qubit, o bit quantistico. Proprio come i bit derivano dai principi della fisica classica, i qubit si originano da quelli della meccanica quantistica: i primi possono essere rappresentati da regioni magnetiche su dischi o tensioni elettriche in seno a un circuito, i secondi dallo spin di un elettrone o dallo stato di polarizzazione di un fotone.

Però, mentre un bit è descritto solamente da due stati, 0 o 1, acceso o spento, true (vero) o false (falso), un qubit è descritto dalle infinite sovrapposizioni quantistiche degli stati 0 e 1. Essi corrispondono a punti sulla superficie di una sfera, con lo 0 e l’1 posti rispettivamente nei due poli: il continuo di stati fra questi due estremi è alla base di molte proprietà dell’informatica quantistica. Un qubit sembra possa contenere una quantità infinita d’informazione, perché le sue coordinate teoricamente possono codificare una sequenza infinita di cifre. Ma così non è: l’informazione in un qubit deve essere estratta tramite una misurazione e questo processo, come ho precisato poco fa, distrugge gli stati di sovrapposizione presentando come risultato l’ordinario bit classico: 0 oppure 1, la probabilità di ciascun risultato dipendendo dalla “latitudine” del qubit. Questo risultato venne dimostrato per la prima volta dal matematico russo Aleksandr Holevo: è come se il qubit contenesse informazioni nascoste che possiamo manipolare, ma alle quali non possiamo accedere.

I singoli qubit sono risorse fisiche indubbiamente interessanti, ma i comportamenti più affascinanti si possono “ammirare” quando ne interagiscono molti, come nel caso della correlazione non locale.

Schroedinger era così impressionato dalla correlazione che la elevò al rango di vero e unico tratto distintivo della nuova fisica. I componenti di un gruppo di oggetti correlati non possiedono stati quantici propri, solo il gruppo nel suo insieme ha uno stato definito. Questo fenomeno è ancora più peculiare della sovrapposizione di stati di una singola particella; essa, infatti, ha uno stato quantico definito, anche se dovuto alla sovrapposizione di diversi stati classici.

Gli oggetti correlati si comportano come se fossero collegati l’uno all’altro indipendentemente dalla distanza che li separa. Qualsiasi interazione con un oggetto, una misurazione per esempio, si ripercuote simultaneamente su tutto ciò che gli è correlato. Bisogna però non cadere nell’errore di ritenere la correlazione un escamotage per inviare segnali superluminali, violando la relatività speciale, perché la natura probabilistica della meccanica quantistica impedisce siffatti tentativi.

Network quantistici

All’inizio degli anni novanta del secolo scorso, lo spunto che la correlazione ricadesse al di fuori della fisica classica spinse alcuni ricercatori a domandarsi se non si potesse usare come principale strumento per elaborare informazione molto più rapidamente, in modo più sicuro e scevra di errori rispetto agli standard classici di allora. La risposta non tardò ad arrivare e fu affermativa. Nel 1991 iniziò il fisico polacco, naturalizzato inglese, Artur Ekert che mostrò come utilizzare la correlazione non locale per distribuire chiavi crittografiche non violabili. Nel 1992 i fisici americani Charles Henry Bennett e Stephen Wiesner dimostrarono che la correlazione può facilitare il trasferimento d’informazioni classiche da un luogo all’altro. Infatti, nel 1993, un altro gruppo internazionale di ricerca spiegò come teletrasportare, con la correlazione, uno stato quantico da un luogo a un altro. Quindi la parola d’ordine, in questo caso, è accorciare o, meglio ancora, annullare le distanze.

Così come i singoli qubit possono essere rappresentati da molti oggetti fisici differenti, spin elettronici o nucleari, stati di polarizzazione dei fotoni, anche la correlazione ha proprietà indipendenti dalla sua natura fisica. Adoperare un sistema fisico o un altro può essere più conveniente all’atto pratico, ma non ha alcuna importanza dal punto di vista concettuale: si può realizzare la crittografia quantistica con coppie di fotoni correlati, con coppie di elettroni o nuclei correlati e, persino, con fotoni ed elettroni correlati l’uno con l’altro. In linea di principio, se possedessi dei dadi correlati, allo stesso modo delle particelle quantistiche, potrei puntare sempre sulla doppia uscita e vincere la posta in gioco, anche se li lanciassi singolarmente su pianeti diversi o galassie lontane anni-luce e in istanti differenti.

L’indipendenza della rappresentazione mette in luce una stimolante analogia tra correlazione ed energia. Quest’ultima obbedisce ai principi della termodinamica indipendentemente dal fatto che si tratti di energia chimica, nucleare, elettrica o di qualsiasi altra forma. È possibile, perciò, sviluppare una teoria generale della correlazione su linee simili ai principi della termodinamica?

Questa speranza fu alimentata nella seconda metà degli anni novanta, quando si dimostrò come forme diverse di correlazione fossero qualitativamente equipollenti: la correlazione di uno stato può essere trasferita ad un altro, in modo simile all’energia elettrica che fluisce da un caricabatterie a una batteria. Studiando queste relazioni, alcuni ricercatori hanno introdotto strumenti matematici per misurare quantitativamente la correlazione.

La strategia migliore è analoga alla misurazione di una massa con una bilancia. La massa di un oggetto è definita dalla quantità di copie di una massa standard, presa come unità di misura, che occorre per equilibrarla su una bilancia. In corrispondenza l’informatica quantistica fa uso di una “bilancia di correlazione” teorica per confrontare la correlazione tra due differenti stati quantici: la quantità di correlazione in uno stato è definita dal numero di copie di una certa unità standard di correlazione necessario per bilanciarla.

Se due qubit sono correlati, abbiamo visto che non possiedono più stati quantici propri. È invece definita una relazione tra qubit; per esempio, in un tipo di coppia correlata, i qubit danno risultati opposti quando sono misurati. Se uno dà 0, l’altro restituisce 1, e viceversa. Una coppia totalmente correlata si dice che possiede un e-bit di correlazione. Quindi le coppie correlate in modo incompleto possiedono meno di un e-bit. Ora immaginiamo che la mia amica Genoveffa ed io condividiamo due coppie parzialmente correlate; possiamo tentare di “distillare” la correlazione in una singola coppia. Se otteniamo una coppia totalmente correlata, allora possiamo essere sicuri che originariamente le nostre coppie possedevano, sommato, almeno un e-bit di correlazione. Usando la distillazione, e il processo inverso, la diluizione della correlazione, si può quindi costruire una bilancia virtuale per “pesare” la correlazione di vari stati quantici in rapporto all’e-bit standard.

A questo punto facciamo una breve digressione sul teletrasporto quantistico. Se Genoveffa ed io condividiamo un e-bit, cioè siamo nella condizione di correlazione massimale, possiamo teletrasportare un qubit. L’e-bit condiviso sarà “consumato”, bruciato, nel senso che non lo condivideremo più dopo il teletrasporto. Se io teletrasporto a Genoveffa un solo componente di una coppia correlata, la correlazione di quella particella con il suo partner originario viene trasferita alla particella della mia amica. Visivamente, se correlazione significa stato legato da un immaginario elastico quantistico, dopo il teletrasporto di uno dei due componenti, l’elastico della particella di Genoveffa non legherà più il qubit condiviso in precedenza con me, ma il componente spaiato, acquisendo in questo modo tutte le informazioni concernenti lo stato quantico della particella teletrasportata: in definitiva ciò che si sposta dalla parte di Genoveffa è l’informazione quantistica e non materialmente la particella: la sua particella assume lo stato quantico teletrasportato. Per esempio se lo stato quantico delle particelle in gioco è lo spin e teletrasporto una particella con spin “su”, la particella della mia amica, originariamente con spin “giù”, avrà, dopo il teletrasporto, spin “su”.

Un’ultima applicazione, la correzione quantistica degli errori, fornisce quella che finora è la migliore prova dell’utilità dell’informatica quantistica come strumento per lo studio della realtà oggettiva. Gli stati quantici sono estremamente delicati e vengono facilmente distrutti da interazioni sporadiche o dal rumore, cosicché i metodi per combattere questi disturbi sono essenziali.

Il calcolo e le comunicazioni classiche hanno un variegato repertorio di codici di correzione degli errori che proteggono le informazioni dal degrado causato dal rumore. Ma come si fa ad elaborare codici per la correzione quantistica degli errori dal momento che la meccanica quantistica proibisce di conoscere con certezza lo stato di un oggetto? È lo stesso ostacolo che si presenta quando vogliamo estrarre da un qubit più di un bit e che ci impedisce di farlo. Il codice correttivo classico, che prevede di sostituire un bit con una stringa di tre bit (0 = 000 e 1 = 111), fallisce miseramente, perché non possiamo esaminare ogni copia di un qubit e determinare quella da scartare senza rovinare le altre. Peggio ancora, creare copie identiche non è come bere un bicchiere d’acqua: la meccanica quantistica proibisce la clonazione di qubit sconosciuti, risultato noto come teorema di no-cloning.

Deprimente situazione per gli scienziati impegnati nell’assetto della computazione quantistica, finché le idee geniali, elaborate dal matematico americano Peter Williston Shor e del fisico inglese Andrew Martin Steane, non indicarono come effettuare la correzione quantistica degli errori senza conoscere anticipatamente gli stati dei qubit e senza doverli clonare. Come accade con il codice classico delle triplette, ogni valore è rappresentato da un set di qubit. Questi vengono fatti passare attraverso un circuito (l’analogo quantistico delle porte logiche) che corregge l’errore presente in uno qualunque dei qubit senza effettivamente “leggere” i singoli stati. È come se si facesse transitare la tripletta “010”, rappresentazione errata del qubit 0, attraverso un circuito in grado di riconoscere che il qubit centrale è differente e di invertirlo, il tutto senza determinare l’identità di ciascuno dei tre qubit.

I codici per la correzione quantistica degli errori sono un trionfo dell’informatica quantistica. La correzione quantistica degli errori, verificata sperimentalmente presso i Los Alamos National Laboratory, all’IBM e all’MIT, hanno ispirato nuove idee come quella di limitare il rumore quantistico degli orologi atomici senza intervento umano, ipotizzando un’intrinseca capacità di recupero, da parte di questi sistemi, contro la decoerenza.

Quindi niente saga di Star Trek o agenti con licenza di uccidere, ma promettenti sviluppi che ci amplieranno l’orizzonte sulle capacità di elaborazione delle informazioni del nostro universo.

DIZIONARIO DI FISICA MODERNA (R - Z)

Particelle del Modello Standard e particelle supersimmmetriche

R

RADIAZIONE

Fenomeno di emissione e propagazione di energia secondo raggi che costituiscono il percorso di corpuscoli (radiazione corpuscolare o materiale) o la direzione di onde (radiazione ondulatoria). Le radiazioni ondulatorie sono dette luminose, elettromagnetiche o sonore a seconda del tipo di onda considerata. Le radiazioni corpuscolari sono dette radiazioni α, β o γ a seconda che i corpuscoli emessi siano particelle α, ossia nuclei di elio, β, ossia elettroni, o γ, ossia fotoni. La radiazione cosmica è composta da due parti, una proveniente direttamente dagli spazi extraterrestri, radiazione cosmica primaria, e l'altra originata dai processi di interazione di quella primaria con le particelle dell'atmosfera terrestre, radiazione cosmica secondaria. Con altro significato, la radiazione cosmica di fondo rappresenta la radiazione elettromagnetica isotropa e diffusa uniformemente nell'universo, corrispondente alla radiazione emessa da un corpo nero alla temperatura caratteristica di 2.7 kelvin, osservabile nella banda spettrale delle radioonde e che, secondo le teorie cosmologiche correnti, costituirebbe il residuo della radiazione elettromagnetica emessa nel corso del big bang: quest'ultima, inizialmente caratterizzata da una temperatura di centinaia di milioni di kelvin, si sarebbe successivamente raffreddata in seguito all'espansione dell'universo con conseguente diminuzione della frequenza caratteristica. Invece la radiazione solare descrive l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche emesse dal Sole, il cui spettro caratteristico è analogo a quello di un corpo nero alla temperatura di 6000 kelvin: nell'investire la Terra, in parte viene riflessa, diffusa e assorbita dall'atmosfera e dalle nubi, in parte (circa il 50%) raggiunge la superficie terrestre.

RADIOATTIVITA'

Emissione di radiazioni ionizzanti, corpuscolari ed elettromagnetiche, da parte di nuclei atomici instabili, nuclei radioattivi, che subiscono una modificazione strutturale (decadimento radioattivo) trasformandosi, in genere, in un nucleo diverso: in particolare si hanno la radioattività naturale e quella indotta, o artificiale, a seconda che sia una proprietà spontanea dei nuclei o sia stata provocata per mezzo di qualche reazione nucleare. Secondo il tipo delle radiazioni emesse si distinguono sei tipi di radioattività naturale o di decadimento radioattivo: radioattività α, in cui viene emessa una particella α, cioè un nucleo di elio; radioattività β, negativa o positiva, in cui vengono emessi, rispettivamente, un elettrone o un positrone; radioattività per cattura elettronica, in cui il nucleo cattura un elettrone appartenente ai livelli energetici più bassi, e la trasformazione si manifesta con l'emissione di raggi X dovuti al riassestamento della struttura elettronica; radioattività γ, in cui vengono emessi raggi gamma, ossia fotoni; radioattività per conversione interna, in cui il fotone emesso interagisce con un elettrone della struttura atomica, espellendolo.

RELATIVITA'

In fisica, genericamente, si parla di relatività quando talune proprietà o grandezze che caratterizzano un ente fisico sono definibili, e assumono quindi significati e valori univoci, solo se si è convenzionalmente fissato un criterio di riferimento (per esempio, un sistema di coordinate), cosicché tali significati e tali valori non possono essere considerati assoluti (indipendenti cioè dal sistema di riferimento adottato) e inerenti all'ente fisico stesso, ma vanno al contrario concepiti come relativi, in quanto variano se il sistema di riferimento viene, per una qualsiasi ragione, cambiato. Con significato specifico, il termine è usato quando l'invarianza di alcune leggi fisiche sotto particolari trasformazioni del sistema di riferimento implica l'assenza di un sistema di riferimento privilegiato per lo studio dei fenomeni governati da quelle leggi. In particolare, il principio di relatività galileiana, basato sull'invarianza delle leggi della meccanica espresse in sistemi di riferimento i cui moti relativi siano rettilinei e uniformi (riferimenti inerziali), nega l'esistenza di fenomeni meccanici che possano determinare un riferimento inerziale privilegiato rispetto al quale siano individuabili stati di moto o di quiete assoluti. Il principio di relatività einsteiniana esclude l'esistenza di un riferimento inerziale privilegiato (che le teorie precedenti identificavano con il riferimento di quiete dell'etere) anche per quanto riguarda i fenomeni elettromagnetici (le cui leggi sono invarianti per trasformazioni di Lorentz tra riferimenti inerziali) e, assieme al postulato dell'indipendenza della velocità della luce dallo stato di moto della sorgente che la emette, è stato posto da Einstein a fondamento della teoria della relatività ristretta (o speciale), dalla quale discendono la costanza della velocità della luce in ogni sistema di riferimento, la relatività della contemporaneità (o della simultaneità), la dilatazione relativistica del tempo, la contrazione relativistica delle lunghezze, l'equivalenza tra massa ed energia. La teoria della relatività generale, successivamente formulata dallo stesso Einstein, estende il principio di relatività a sistemi di riferimento accelerati tra loro (riferimenti non inerziali) e, in base all'identità tra massa inerziale e massa gravitazionale, ipotizza l'equivalenza tra tali riferimenti e i campi gravitazionali, il che porta a considerare il campo gravitazionale come una deformazione (curvatura) della geometria dello spazio-tempo, che non va quindi considerata una proprietà intrinseca e a priori dello spazio e del tempo, e risulta invece determinata dai fenomeni fisici che vi si svolgono.

RINORMALIZZAZIONE

Nell'elettrodinamica quantistica, procedimento di calcolo mediante il quale le divergenze (i termini infiniti) che compaiono nello sviluppo perturbativo della teoria possono essere riassorbite in una nuova definizione della massa e della carica dell'elettrone (dette quindi massa e carica rinormalizzate), dando luogo a risultati finiti (e quindi dotati di senso fisico) per le probabilità di interazione tra le particelle e il campo. Per estensione, qualunque ridefinizione di grandezze fisiche misurabili che renda finito lo sviluppo perturbativo di una teoria quantistica dei campi.

RISONANZA

In fisica nucleare, si parla di risonanza in processi nucleari quando la sezione d'urto del processo assume valori di picco per determinati valori dell'energia delle particelle in gioco. Per estensione le risonanze nucleari rappresentano stati eccitati in condizioni di risonanza di nuclei e mesoni, classificabili come particelle ad interazione forte e vita media brevissima, dell'ordine di 10-²³ s. 

ROTONE

Denominazione del quanto di energia relativo a un moto rotatorio quantizzato, che interviene, accanto al fonone, nella descrizione delle forme di eccitazione elementare dei fluidi.

S

SAPORE

In fisica delle particelle elementari, uno dei numeri quantici che distinguono i quark.

SCALARE (PARTICELLA)

In fisica delle particelle, sono dette scalari le particelle di spin nullo e parità positiva, come i pioni, in quanto la loro funzione d'onda quantistica è definita da una sola componente, e costituisce quindi un campo scalare (se la parità è negativa, le particelle sono dette pseudoscalari).

SCAMBIO (FORZA DI)

Le forze di scambio, in fisica atomica, quelle derivanti dalla possibilità, di natura tipicamente quantistica, che hanno due elettroni di un sistema atomico di scambiarsi le rispettive posizioni, e che intervengono nella teoria quantistica dei legami chimici, del ferromagnetismo, ecc. Analoghe forze dovute allo scambio tra nucleoni intervengono nello studio dell'energia di legame nucleare.

SCATTERING

In fisica delle particelle elementari, il termine ha il significato specifico di interazione tra due particelle in moto una rispetto all'altra, che ne provoca la deviazione dalla loro linea di volo. L'angolo di scattering è l'angolo formato dalla direzione della particella uscente rispetto alla direzione iniziale. Gli esperimenti di scattering sono quelli nei quali si studia l'interazione tra due particelle inviando un fascio di particelle del primo tipo su un bersaglio costituito almeno in parte da particelle del secondo tipo e misurando la distribuzione in angolo ed energia delle particelle diffuse a causa dell'interazione. Lo scattering elastico è quello nel quale l'energia cinetica totale si conserva. Lo scattering anelastico, invece, è quello nel quale parte dell'energia cinetica iniziale è spesa nell'eccitazione di una o di entrambe le particelle, modificandone la massa invariante. Lo scattering profondamente anelastico è quello nel quale una delle due particelle si frammenta nei suoi componenti: è questa la tipica reazione con la quale si può studiare la struttura a partoni degli adroni. Lo scattering coulombiano è quello a cui è soggetta una particella carica che viene deviata dal campo elettrico, che è un campo coulombiano, di un atomo: è detto poi scattering multiplo il fenomeno per cui la particella, attraversando uno strato finito di materiale e subendo un grande numero di tali processi, all'uscita dello strato non si trova più sulla linea di volo iniziale. La matrice di scattering, o matrice S, rappresenta la matrice che descrive completamente una reazione di scattering tra due particelle, esprimendo ciascun elemento di essa l'ampiezza di probabilità che uno dei possibili stati iniziali delle due particelle, libere prima dell'interazione, dia luogo a uno dei possibili stati finali di particelle libere dopo l'interazione: questo approccio permette di ricondurre l'analisi quantistica di interazioni, per le quali non si disponga di una soddisfacente teoria di campo, a quella dello stato iniziale e finale, che sono di fatto quelli determinati e osservati in un esperimento, che possono essere trattati con la teoria quantistica dei campi non interagenti.

SCHERMATURA (EFFETTO DI)

In fisica atomica, l'effetto di schermatura è quello esercitato dagli elettroni più interni di un atomo sul campo coulombiano del nucleo.

SCIAME

In fisica delle particelle elementari, è detto sciame, o cascata, il processo di moltiplicazione a cui dà luogo una particella di energia sufficientemente elevata, detta primaria, quando attraversa uno spessore di materiale molto maggiore della lunghezza media percorsa dalla particella prima di interagire: le particelle prodotte nelle interazioni successive, dette secondarie, interagiscono a loro volta, per cui l'energia del primario si ripartisce tra tutte le particelle secondarie: la rivelazione di un segnale proporzionale al numero di queste, o al cammino totale percorso, o all'energia depositata nel materiale, permette di misurare l'energia iniziale, per cui il fenomeno è alla base di molti rivelatori, detti «calorimetri», poiché la misurazione di energia tramite un processo di degradazione di essa ricorda i calorimetri usati in termologia.

SELETTRONE

In fisica delle particelle, ipotetica particella che rappresenta il partner supersimmetrico di spin zero dell'elettrone.

SELEZIONE (REGOLA DI)

Con regola di selezione s'intende ogni regola che limiti la possibilità di una transizione tra stati di un sistema atomico, molecolare, nucleare o subnucleare; poiché le transizioni corrispondono a variazioni dei numeri quantici del sistema, le regole di selezione si esprimono in genere indicando le variazioni permesse di tali numeri quantici.

SEMICONDUTTORE

Materiale che presenta, rispetto alla conduzione elettrica, un comportamento intermedio tra quello degli isolanti e quello dei conduttori; la conduttività di un mezzo dipende dalla struttura a bande degli stati energetici degli elettroni: nei semiconduttori intrinseci, o puri, la banda di valenza e la banda di conduzione sono separate da un'energia comparabile con quella dovuta all'agitazione termica degli elettroni, per cui un elettrone di valenza può passare nella banda di conduzione, lasciando un vuoto, o lacuna, nella banda di valenza: sia l'elettrone sia la lacuna si possono spostare sotto l'effetto di un campo elettrico, contribuendo al passaggio di corrente nel mezzo, per cui il numero dei portatori negativi è uguale a quello dei portatori positivi; semiconduttori drogati, detti anche estrinseci, quelli in cui sono inserite impurezze costituite da atomi aventi nella banda di valenza un elettrone in eccesso o in difetto rispetto agli atomi della sostanza di base. I semiconduttori in cui le impurezze, dette in questo caso donatori, aggiungono elettroni, per cui la corrente è costituita principalmente da cariche negative, sono detti di tipo n, quelli in cui le impurezze, dette accettori, aggiungono lacune, per cui la corrente è costituita da cariche positive, sono detti di tipo p; in una giunzione tra uno strato n e uno strato p, la differenza tra la natura delle cariche di conduzione dei due strati dà origine a comportamenti di conduzione diversi a seconda del verso di passaggio della corrente (diodo). Queste proprietà della giunzione sono all'origine di tutti i dispositivi a semiconduttori (diodi, transistor, ecc.) impiegati nell'elettronica moderna.

SEMILEPTONICO (PROCESSO)

In fisica delle particelle elementari, detto di quei processi governati da interazioni deboli in cui intervengono sia leptoni, cioè particelle a interazione debole, sia adroni, cioè particelle a interazione forte; per esempio, i decadimenti semileptonici delle particelle strane.

SERIE (SPETTROSCOPICA)

In spettroscopia, serie spettroscopica o spettrale è la sequenza delle righe di uno spettro atomico: la prima serie osservata (nel 1885) è costituita dalla sequenza delle righe emesse dall'atomo di idrogeno nella regione del visibile, ed è detta serie di Balmer, dal nome del suo scopritore, il fisico Balmer. Altre serie dell'idrogeno sono la serie di Lyman nella regione dell'ultravioletto, la serie di Paschen nella regione dell'infrarosso, ecc; tutte queste serie corrispondono a transizioni atomiche in cui varia il numero quantico principale (ossia quello che identifica il valore dell'energia dello stato atomico). Le serie successivamente osservate nelle varie sostanze vennero classificate, a seconda delle caratteristiche spettroscopiche delle righe, in serie nette o s (sharp), serie principali o p, serie diffuse o d, serie fondamentali o f; queste classificazioni possono essere ricondotte ai diversi valori dei numeri quantici orbitali, quelli associati al valore del momento angolare, per cui la nomenclatura spettroscopica è passata a identificare direttamente gli stati quantici caratterizzati da tali numeri: così gli stati s corrispondono al valore 0 del numero quantico orbitale, gli stati p al valore 1, gli stati d al valore 2, ecc.

SEZIONE (D'URTO)

Con significato specifico, in fisica, la sezione d'urto rappresenta una grandezza, avente le dimensioni fisiche di una superficie, che determina la probabilità di una particella di interagire attraverso una determinata interazione con un'altra particella; in maniera analoga si introducono la sezione di cattura, la sezione di diffusione, ecc, che determinano le probabilità dei relativi processi.

SHELL

Termine usato in fisica atomica quantistica per indicare l'insieme degli elettroni di un atomo che hanno il medesimo numero quantico principale.

SIMMETRIA

In fisica, si parla di simmetria tutte le volte che una trasformazione, per esempio del sistema di riferimento, lascia invariate certe grandezze o proprietà fisiche, mentre si parla al contrario di violazione della simmetria quando si incontrano grandezze o proprietà non invarianti sotto la stessa trasformazione; la simmetria per rotazione e per traslazione descrivono l'invarianza delle leggi fisiche per rotazione o traslazione del sistema di riferimento. La simmetria per inversione del tempo, o simmetria temporale, detta anche simmetria T, descrive l'invarianza di una legge fisica per inversione del segno della coordinata temporale: le leggi della meccanica sono simmetriche rispetto al tempo, ma non lo sono, per esempio, quelle della termodinamica. La simmetria per inversione della parità spaziale, detta simmetria P, rappresenta l'invarianza di una legge fisica per riflessione delle coordinate spaziali, violata dalle interazioni deboli. La simmetria per coniugazione di carica, detta simmetria C, è l'invarianza del comportamento di un sistema sotto lo scambio di tutte le particelle con le corrispondenti antiparticelle. In meccanica quantistica si possono considerare simmetrie sotto trasformazioni di qualunque numero quantico: particelle che differiscono tra loro per il valore di questo numero quantico si possono considerare come componenti di un unico multipletto e possono essere trasformate l'una nell'altra attraverso rotazioni in uno spazio astratto o «interno» alle particelle, per cui si parla di simmetrie interne, largamente impiegate nella classificazione delle varie famiglie di particelle e nell'analisi delle loro interazioni. Le simmetrie globali sono quelle basate su trasformazioni, nello spazio ordinario o nello spazio interno, che sono le stesse per tutti i punti dello spaziotempo, in contrapposizione alle simmetrie locali, basate su trasformazioni i cui parametri dipendono dalle coordinate spaziotemporali e sono quindi diversi da punto a punto. Infine si parla di rottura spontanea della simmetria quando la simmetria delle equazioni dinamiche non è rispettata dallo stato fondamentale, lo stato di vuoto: questo meccanismo è alla base del modello standard delle interazioni elettrodeboli.

SIMULTANEITA'

Termine comunemente usato con riferimento, in particolare, all'importanza che la definizione della simultaneità tra due eventi distanti ha assunto nella teoria della relatività; più precisamente, secondo Einstein, due eventi distanti sono da considerarsi simultanei in un determinato sistema di riferimento se due segnali luminosi, partenti da ciascuno di essi nell'istante in cui essi si verificano, giungono nello stesso istante nel punto posto a distanza intermedia tra essi. Ne segue la relatività della simultaneità, in base alla quale la simultaneità di due eventi distanti dipende dal sistema di riferimento in cui questi eventi vengono osservati.

SINCROCICLOTRONE

Macchina acceleratrice di particelle cariche (protoni, deutoni, particelle alfa), detta anche ciclosincrotrone, che utilizza un campo magnetico costante, come il ciclotrone, ma a differenza di questo permette, attraverso la variazione della frequenza della tensione acceleratrice, di mantenere sincronizzate con questa anche particelle relativistiche; a causa di tale variazione il ciclo di accelerazione non può essere continuo, ma deve seguire un pacchetto di particelle fino alla massima energia per poi ricominciare con un nuovo pacchetto: il sincrociclotrone è quindi una macchina a funzionamento impulsivo.

SINCROTRONE

Macchina acceleratrice circolare di particelle cariche, nella quale, oltre alla modulazione della frequenza della tensione acceleratrice, tipica del sincrociclotrone, viene variato, in sincronismo con la variazione della quantità di moto delle particelle, il campo magnetico dipolare che mantiene l'orbita circolare delle particelle: in questo modo il raggio dell'orbita è mantenuto costante, e il campo magnetico deve coprire solo l'anello, costituito da una camera a vuoto, nel quale circolano le particelle; anziché un unico magnete, come nei ciclotroni, si possono quindi utilizzare una serie di dipoli magnetici allineati lungo l'orbita delle particelle: con questa disposizione si realizzano acceleratori con una circonferenza di parecchi chilometri. A seconda delle particelle accelerate, si distinguono protosincrotroni, che accelerano protoni le cui energie massime sono limitate solo dalle dimensioni fisiche dell'acceleratore, e elettrosincrotroni, che accelerano elettroni le cui energie massime sono limitate a qualche centinaio di GeV dalla perdita di energia dovuta alla radiazione di sincrotrone, ossia all'emissione di radiazione elettromagnetica da parte della particella carica accelerata, enormemente maggiore nel caso degli elettroni a causa della loro piccola massa; gli intensi flussi di fotoni dovuti a tale radiazione possono essere a loro volta impiegati, in acceleratori appositamente progettati, per varie esperienze di struttura della materia, chimica, ecc: in questi casi la radiazione prodotta è detta anche luce di sincrotrone. Infine le oscillazioni di sincrotrone rappresentano le oscillazioni rispetto ai valori centrali di energia e di fase delle particelle accelerate in un sincrotrone.

SINGOLETTO

In spettroscopia, riga spettroscopica isolata, tale cioè che, anche se osservata con spettroscopi di altissimo potere risolutivo, si conserva singola senza scindersi in due o più componenti assai ravvicinate e quindi senza presentare alcuna struttura. Con significato estensivo, il termine è poi usato, in riferimento ad atomi o a particelle subatomiche, in contrapposizione a multipletto, per indicare uno stato non degenere, non costituente cioè una sovrapposizione di più stati in qualche modo separabili.

SLEPTONE

In fisica delle particelle, famiglia di particelle che comprende tutti i partner supersimmetrici dei leptoni, come per esempio il selettrone.

SMAGNETIZZAZIONE (ADIABATICA)

La smagnetizzazione adiabatica è un procedimento, detto anche raffreddamento magnetico, per ottenere temperature estremamente basse, consistente nel magnetizzare un sale paramagnetico isotermicamente a temperatura dell'ordine di 1 kelvin, e nello smagnetizzarlo poi adiabaticamente rimuovendo il campo magnetizzante con conseguente ulteriore raffreddamento della sostanza.

SOLITONE

Termine introdotto inizialmente (1965) per denominare l'onda solitaria nei canali e poi generalizzato per indicare una perturbazione spazialmente localizzata che si propaga senza attenuarsi, mantenendo un profilo peculiare, rappresentata da una soluzione particolare di un'equazione differenziale non lineare, l'equazione di Korteweg-de Vries o equazione KdV, dal nome dei due matematici olandesi che la formularono nel 1895. Oltre alla detta onda solitaria, altri fenomeni riconducibili ai solitoni sono analoghe onde che si formano nei maremoti, propagandosi inalterate per migliaia di chilometri, certe onde nei plasmi e alcuni modi di propagazione di impulsi luminosi in fibre ottiche.

SOTTOLIVELLO (ENERGETICO)

In fisica quantistica, il sottolivello energetico rappresenta ognuno degli stati energetici componenti uno stesso stato degenere di un sistema. I sottolivelli risultano osservabili soltanto rimuovendo la degenerazione: per esempio, in fisica atomica la separazione dei livelli con uguali numeri quantici principale e orbitale si ottiene applicando un campo magnetico al sistema.

SPALLAZIONE

In fisica nucleare, processo di frammentazione di un nucleo atomico in più parti (nuclidi di spallazione), provocato dalle collisioni con particelle veloci di grande energia.

SPAZIOTEMPO

Spazio quadridimensionale, detto anche continuo spazio-temporale o cronotopo, utilizzato nella teoria della relatività per rappresentare il mondo fisico sulla base delle tre dimensioni corrispondenti allo spazio ordinario e di una quarta corrispondente al tempo; tale estensione è resa necessaria dal fatto che nella teoria della relatività ristretta l'intervallo temporale tra due eventi distanti nello spazio non è una quantità assoluta, ma dipende dal sistema di riferimento spaziale in cui viene misurato: nelle trasformazioni tra sistemi di riferimento diversi, le coordinate temporali si trasformano anche in funzione delle coordinate spaziali, e viceversa (trasformazioni di Lorentz). La formalizzazione matematica del concetto di spazio-tempo prende il nome di spazio di Minkowski, dal matematico lituano Minkowski che l'ha introdotta.

SPAZIOTEMPORALE (INTERVALLO)

L'intervallo spaziotemporale rappresenta la distanza tra due eventi rappresentati da due punti dello spaziotempo: se la distanza spaziale tra i due eventi è maggiore del percorso che può compiere la luce nell'intervallo temporale che intercorre tra gli eventi, questi non possono avere tra loro una relazione di causa-effetto ed esiste un riferimento nel quale i due eventi avvengono nello stesso istante in punti spaziali diversi, per cui un tale intervallo si dice intervallo spaziotemporale di tipo spazio; se viceversa la distanza spaziale tra i due eventi è minore del percorso che può compiere la luce nell'intervallo temporale che intercorre tra gli eventi, allora il secondo evento può essere influenzato dal primo ed esiste un riferimento in cui i due eventi avvengono uno dopo l'altro nella stessa posizione spaziale, per cui un tale intervallo si dice intervallo spaziotemporale di tipo tempo.

SPIN

In fisica delle particelle elementari, il momento angolare intrinseco che è necessario attribuire a una particella, indipendentemente dal suo moto nello spazio, per interpretarne il comportamento sperimentale: tale momento di spin, o semplicemente spin, si compone con il momento della quantità di moto orbitale dando luogo al momento angolare totale. Il numero quantico di spin rappresenta il valore del momento di spin di una particella, espresso in unità h/2π, essendo h/2π la costante di Planck razionalizzata, che in meccanica quantistica rappresenta l'unità naturale dei momenti angolari. Può assumere soltanto valori interi oppure seminteri, determinando nei due casi l'appartenenza della particella cui si riferisce alla statistica di Bose-Einstein o, rispettivamente, a quella di Fermi-Dirac: le particelle di spin intero sono quindi dette bosoni, mentre quelle di spin semintero sono dette fermioni. Lo spin isotopico, o isospin, descrive una grandezza introdotta per contraddistinguere particelle, come il protone e il neutrone, che manifestano lo stesso comportamento rispetto all'interazione nucleare, hanno masse molto vicine, ma differiscono per il valore della carica elettrica; ciascuno di questi gruppi, multipletto di spin isotopico, può essere considerato come un'unica particella che può esistere in differenti stati di carica (per esempio, il protone e il neutrone possono essere visti come due stati di carica di un'unica particella detta nucleone). Lo spin isotopico ha una stretta analogia formale con lo spin ordinario, potendo essere considerato come un vettore rappresentato in un suo spazio, detto isospazio, nel quale gode di proprietà analoghe a quelle dello spin nello spazio ordinario.

SPINORE

Ente matematico atto a rappresentare rotazioni spaziali in spazi a più dimensioni; ha il carattere di un vettore complesso ed è usato in meccanica quantistica per rappresentare la funzione d'onda degli elettroni e delle altre particelle dotate di spin.

SPLITTING

In spettroscopia, e in generale in fisica, la separazione o la risoluzione di un multipletto nei suoi componenti.

SPOSTAMENTO

In spettroscopia lo spostamento delle righe spettrali descrive il fenomeno che si verifica in seguito a variazioni di lunghezza d'onda per effetto Doppler: per esempio lo spostamento verso il rosso (red shift), nello spettro della luce emessa da astri che s'allontanano dalla Terra.

SQUARK

In fisica delle particelle, ipotetica particella che rappresenta il partner supersimmetrico di spin zero del quark.

SQUID

In fisica, sigla di Superconducting QUantum Interference Device, «dispositivo interferenziale quantistico superconduttore», indica un dispositivo basato sull'effetto quantistico, denominato effetto Josephson), consistente nel passaggio in una giunzione di due superconduttori debolmente accoppiati di una debole corrente continua senza applicare una tensione (SQUID in corrente continua) o di una corrente alternata di ben precisa frequenza se si applica una tensione (SQUID in corrente alternata); le sue principali applicazioni sono basate sul fatto che esso costituisce un magnetometro di ineguagliabile sensibilità (dell'ordine di soltanto 10^-14 tesla), per esempio per ricerche di magnetismo nell'ambito biologico.

STANDARD

In fisica delle particelle elementari, il modello standard delle interazioni elettrodeboli è una teoria unificata delle interazioni elettromagnetiche e deboli, basata sul meccanismo di rottura spontanea di una simmetria locale, che prevede l'esistenza dei bosoni intermedi.

STELLARATOR

In fisica, nome di un tipo di macchina a plasma per esperimenti sulla fusione nucleare, costituito da un recipiente toroidale su cui è posto un avvolgimento elicoidale percorso da corrente, che produce un campo magnetico la cui configurazione è tale da confinare il plasma in prossimità dell'asse del toro; con tale dispositivo si possono raggiungere temperature elettroniche dell'ordine di 106 K per un periodo dell'ordine di qualche millisecondo.

STRANEZZA

Il numero quantico di stranezza, detto anche, più brevemente, stranezza (indicato con la lettera S), è il numero quantico introdotto per giustificare il comportamento delle particelle strane, che possono essere prodotte in coppia nelle interazioni forti ma hanno una vita media estremamente lunga, per cui il loro decadimento deve essere attribuito alle interazioni deboli: questa «stranezza» viene spiegata per l'appunto assumendo che nelle interazioni forti valga la legge di conservazione della stranezza, violata invece nelle interazioni deboli: nella produzione forte di una coppia di particelle strane devono quindi essere prodotte sempre una particella con stranezza positiva e una con stranezza negativa, in modo che la somma algebrica dei numeri quantici di stranezza rimanga inalterata.

STRAPPO (REAZIONE)

In fisica nucleare, reazione di strappo (o di strappamento) descrive una reazione in cui una parte della particella si unisce al nucleo bersaglio, mentre l'altra parte prosegue all'incirca lungo la direzione d'incidenza e con il moto originale.

STRATO

Lo strato elettronico è l'insieme degli elettroni di un atomo che hanno il medesimo numero quantico principale e che occupano intorno al nucleo atomico una ben definita regione stratiforme a guscio vagamente sferico: si chiama strato di valenza lo strato più esterno, formato da non più di 8 elettroni, in quanto ivi sono gli elettroni che determinano la valenza dell'atomo. Lo strato di sbarramento è, invece, un doppio strato costituito dalle cariche nucleari e da quelle elettroniche degli atomi dello strato superficiale di un conduttore, al quale si può, in prima approssimazione, ascrivere il fatto che gli elettroni di un conduttore restino normalmente confinati nel volume del conduttore medesimo.

STRINGA

Generalizzazione del concetto di particella, secondo la quale quest'ultima viene vista come una struttura lineare alle cui estremità sono un quark e un antiquark, che ricordano i poli, opposti, alle estremità di una sbarretta magnetizzata: come quando la sbarretta si spezza si formano due sbarrette magnetizzate, così se si spezza una stringa si forma una nuova coppia di quark e antiquark, e se si riaccostano queste due stringhe com'erano prima, questa coppia scompare; si potrebbe per tale via elaborare un modello di processi di formazione e di distruzione di particelle (il cosiddetto modello a stringhe). Invece la stringa, o corda, cosmica, è la denominazione di strutture materiali lineari che si pensa possano essersi originate durante fasi di transizione dell'evoluzione cosmica; a differenza delle omonime strutture riguardanti le particelle elementari e ricordate prima, si tratta di oggetti con dimensioni macroscopiche e con struttura non particellare, dalla rottura di una complessa rete delle quali si pensa che possano essersi costituiti i germi di formazione delle galassie e degli ammassi stellari.

SUPERCONDUTTORE

Elemento o sostanza che presenta superconduzione. In particolare il magnete superconduttore è un elettromagnete il cui campo magnetico, generato da una bobina superconduttrice mantenuta a temperatura inferiore alla temperatura critica di superconduzione da un impianto criogenico, non è limitato dal valore di saturazione proprio dei materiali ferromagnetici con cui sono realizzati i nuclei degli elettromagneti convenzionali. Sono sostanze superconduttrici, metalli, leghe e altri composti che, al di sotto di una certa temperatura, presentano resistenza elettrica nulla; tra le proprietà delle sostanze superconduttrici vi è quella di espellere completamente le linee di forza del campo magnetico (proprietà opposta a quella delle sostanze ferromagnetiche, così che per i superconduttori si parla di «sostanze diamagnetiche perfette»), per cui il campo magnetico all'interno di un superconduttore è sempre rigorosamente nullo (effetto Meissner) quando il campo esterno è inferiore a un valore critico.

SUPERCONDUZIONE

Particolare tipo di conduzione elettrica presentato da alcuni elementi metallici, alcuni composti e leghe, una volta che siano stati portati a una temperatura minore della temperatura critica di superconduzione (o temperatura di transizione di superconduzione), variabile da sostanza a sostanza (ma tipicamente molto bassa), caratterizzato dall'assenza di sensibili fenomeni dissipativi e quindi dalla circostanza che una corrente elettrica instauratasi in una di tali sostanze superconduttrici ha praticamente carattere permanente, cioè si manifesta pressoché costante in intensità, anche al cessare della causa che l'ha prodotta. La superconduzione trova larga applicazione nella generazione di campi magnetici elevati (attraverso magneti superconduttori), mentre altri possibili usi di tale fenomeno («levitazione magnetica», linee di trasmissione elettrica prive di dissipazione, ecc.) sono stati fortemente limitati dalla difficoltà di mantenere temperature prossime allo zero assoluto per grandi volumi di materia. Recentemente il fenomeno della superconduzione è stato osservato per temperature elevate (anche prossime alla temperatura ambiente) in particolari materiali ceramici (per i quali si parla di superconduzione ad alta temperatura), aprendo nuove prospettive all'applicazione del fenomeno su larga scala.

SUPERCORRENTE

La corrente elettrica permanente che può instaurarsi in un superconduttore o, in parte, in una giunzione tra due superconduttori.

SUPERELASTICO (URTO)

L'urto superelastico rappresenta un tipo di urto tra una particella e un sistema atomico eccitato in cui la particella acquista energia cinetica dal sistema e questo torna allo stato fondamentale.

SUPERFLUIDITA'

Particolare stato della fase liquida dell'elio a bassa temperatura, nota come elio II: tale fase esiste per temperature inferiori a 2.19 K alla pressione della tensione di vapore dell'elio liquido, e mostra nei confronti della fase normale (elio I) una assai minore viscosità e una grande conducibilità termica. Mentre la fase normale non è in grado di attraversare un setto poroso con fori molto piccoli, ciò risulta agevole alla fase superfluida, e mentre nella fase normale la trasmissione del calore avviene per conduzione, per la fase superfluida avviene per onde elastiche di tipo particolare; inoltre, la fase superfluida è in grado di salire lungo le pareti del recipiente in cui si trova, bagnandole con un film molto sottile.

SUPERFLUORESCENZA

Nella fisica delle radiazioni elettromagnetiche, emissione di radiazione non coerente la cui intensità sia proporzionale al quadrato del numero degli atomi del sistema emittente, decadendo poi in un tempo notevolmente inferiore a quello di una radiazione incoerente la cui intensità sia proporzionale al numero degli atomi del sistema; tale decadimento accelerato è favorito dalla correlazione delle radiazioni emesse dai singoli atomi del sistema, la quale non è imposta da una causa esterna, come nel caso della superradianza, ma è generata dalla radiazione emessa dal sistema stesso le cui dimensioni devono essere minori della lunghezza d'onda della radiazione emessa (da 10^-4 cm a 10^-5 cm per radiazioni dal visibile all'infrarosso).

SUPERMULTIPLETTO

Gruppo di stati quantici caratterizzati dal possedere almeno un numero quantico uguale.

SUPERPROTOSINCROTRONE

Sincrotrone capace di accelerare protoni sino a conferire loro energie particolarmente alte, dell'ordine delle centinaia di GeV.

SUPERRADIANZA

Nella fisica delle radiazioni elettromagnetiche, in particolare nella tecnica dei laser, emissione coerente di radiazione da parte di un sistema di atomi preventivamente eccitato per mezzo di una radiazione coerente; in tale fenomeno, la radiazione è caratterizzata dal fatto che la sua intensità di emissione è proporzionale al quadrato del numero degli atomi del sistema emittente e decade in un tempo molto più breve di quello di una radiazione coerente, in quanto la radiazione emessa dagli atomi eccitati coerentemente reagisce sugli atomi stessi correlandone, e quindi accelerandone, il decadimento.

SUPERSELEZIONE (REGOLE DI)

Sono dette regole di superselezione alcune regole di conservazione aventi carattere assoluto, quali la conservazione, in ogni tipo di interazione, del numero barionico (?) e del numero leptonico.

SUPERSIMMETRIA

In fisica delle particelle elementari, particolare simmetria volta a raccogliere in un unico supermultipletto particelle con spin diversi, che permetterebbe di semplificare l'attuale divisione delle particelle note in campi di materia (i fermioni, di spin semintero), campi di forza (i bosoni, di spin intero) e campi scalari (di spin nullo), incorporando in un'unica teoria la descrizione di tutte le interazioni fondamentali. Lo sviluppo coerente di una teoria supersimmetrica richiede però che ad ogni particella nota corrisponda un partner supersimmetrico che differisca da essa per il numero quantico di spin. Nessuna di tali particelle supersimmetriche è stata finora osservata.

T

TACHIONE

Termine introdotto per indicare una particella che possa muoversi soltanto con velocità superiore a quella della luce nel vuoto, e la cui esistenza, pur non risultando in contrasto con la teoria della relatività ristretta, non è stata ancora dimostrata sperimentalmente.

TAUONE

Particella carica instabile, di spin 1/2 e vita media dell'ordine di 10^-15 s, appartenente alla famiglia dei leptoni (leptone t); poiché la sua massa è molto maggiore di quella degli altri leptoni (elettroni, muoni, ecc.) si chiama anche leptone pesante.

TENSORE (METRICO)

Nella relatività generale, il tensore metrico rappresenta il tensore che definisce le proprietà geometriche locali, ossia la metrica, dello spazio-tempo quadridimensionale.

TEVATRONE

Acceleratore capace di conferire a particelle energie dell'ordine dei teraelettronvolt, le maggiori ora realizzabili (1 TeV = 10¹² eV).

TOP

In fisica delle particelle, uno dei sapori di quark, di carica elettrica pari a 2/3 di quella del protone, dotato del numero quantico di truth e di simbolo t, la cui esistenza, prevista teoricamente, è stata dimostrata nel 1994-95; è così chiamato in quanto associato in un doppietto al quark bottom.

TOPONIO

In fisica delle particelle, ipotetico sistema legato costituito da un quark top e da un antiquark top (oggi si sa che un tale sistema non esiste perché non ha il tempo di legarsi prima che il quark top decada).

TRANSIZIONE

In meccanica quantistica, il passaggio di un sistema (un atomo, una molecola, un nucleo, ecc.) da uno all'altro dei suoi stati quantici. Con probabilità di transizione s'intende la probabilità che avvenga una data transizione da uno stato iniziale a uno stato finale. Più in generale, nelle teorie dei processi stocastici, per un sistema soggetto a processi aleatorî che possa trovarsi in un insieme (finito o numerabile) di stati, è detta matrice di transizione la matrice quadrata (di ordine uguale al numero di stati, e quindi eventualmente infinito) nella quale vengono ordinate tutte le probabilità di transizione da uno all'altro dei possibili stati del sistema.

TRIPLETTO

In meccanica quantistica, insieme di tre stati di un sistema atomico o subatomico che differiscono tra loro per uno solo dei numeri quantici, quando questo può assumere tre soli valori distinti.

TUNNEL (EFFETTO)

L'effetto tunnel descrive un fenomeno, tipicamente quantistico, per cui una particella ha una probabilità diversa da zero di superare una barriera di potenziale anche quando la sua energia è minore del valore massimo della barriera di potenziale; su tale effetto si basa il funzionamento del diodo tunnel, nel quale la profondità della regione di carica spaziale intorno alla giunzione è estremamente ridotta a causa di un drogaggio molto elevato, per cui la conduzione ha luogo anche in condizioni di polarizzazione inversa (contrariamente a ciò che avviene in un normale diodo): la zona di funzionamento caratteristica del diodo tunnel è quella per piccole polarizzazioni dirette (fino a qualche centinaio di millivolt) dove la conduttanza dinamica varia rapidamente, assumendo anche valori negativi. Il microscopio a effetto tunnel è un microscopio ad altissimo fattore di ingrandimento (anche superiore a quello del microscopio elettronico) basato sul fatto che tra due conduttori, se molto vicini, passa per effetto tunnel una corrente elettrica anche in assenza di contatto; nel microscopio, una punta molto acuta esegue uno scanning del campione essendo mantenuta alla distanza suddetta da un dispositivo di regolazione che retroagisce sulla punta ad ogni minima variazione di corrente: l'apparato è così sensibile che un calcolatore elettronico legge e visualizza su uno schermo spostamenti della punta dell'ordine delle dimensioni atomiche.

U – V – Z

ULTRARELATIVISTICO (MOTO)

Moto di una particella la cui velocità è prossima a quella della luce nel vuoto (limite che non può essere mai raggiunto da particelle dotate di massa in base alla teoria della relatività ristretta) e può essere posta uguale ad essa nei calcoli pratici, con grande semplificazione delle formule.

UNIFICAZIONE

In fisica dei campi, l'identificazione di interazioni diverse nell'ambito delle teorie unificate, come l'unificazione elettrodebole e le teorie di grande unificazione, o teorie «grandunificate», tentativi di ridurre tutte le interazioni, inclusa la gravitazione, a un unico principio.

UP

In fisica delle particelle, uno dei sapori di quark, di simbolo u.

URTO

Gli urti tra particelle microscopiche sono solitamente studiati inviando un fascio di particelle contro un bersaglio macroscopico, e vengono quantificati attraverso la sezione d'urto totale, indicata con la lettera σ e definita come σ = pV/dN, dove p è la probabilità che una singola particella del fascio interagisca con il bersaglio, V è il volume del bersaglio, d è lo spessore del bersaglio (che deve essere sufficientemente sottile affinché la probabilità p sia molto minore di 1) e N è il numero di particelle contenute in esso (la sezione d'urto ha quindi le dimensioni di una superficie). Si distingue tra sezione d'urto inclusiva o esclusiva a seconda che la probabilità sia relativa a tutti o solo ad alcuni tipi di interazione (per esempio quelli che producono un certo stato finale). E' detta sezione d'urto differenziale la derivata della sezione d'urto totale rispetto a una qualunque variabile cinematica dello stato finale.

VUOTO

Nel secolo 19° le difficoltà connesse alla concezione dell'azione a distanza, sintetizzate nella massima «un corpo non può agire dove non è», e la scoperta del carattere ondulatorio della radiazione portano alla postulazione dell'etere come ente materiale esteso in tutto lo spazio «altrimenti vuoto» e quindi alle teorie basate sul concetto di campo (elettromagnetico, gravitazionale) in base alle quali, a rigore, non esiste una zona di spazio totalmente priva di qualsiasi forma di energia. Nel secolo 20° Einstein elabora un programma teorico, basato sulle teorie della relatività speciale e generale, tendente a ricondurre i campi a semplici alterazioni delle proprietà geometriche dello spazio vuoto, mentre nella elettrodinamica quantistica, secondo la teoria del fisico inglese Dirac, lo spazio vuoto è sempre densamente popolato di stati di particelle con energia negativa, fisicamente non osservabili, che possono essere però eccitati da un campo elettromagnetico in stati di energia positiva, dando luogo alla materializzazione di un fotone in una coppia di particella e antiparticella. Con lo stesso meccanismo il campo elettromagnetico generato da una particella carica nel vuoto produce una serie di coppie di particelle virtuali con cariche di segno opposto che, pur essendo immediatamente riassorbite, modificano il campo originario, dando luogo a una correzione effettivamente misurabile detta polarizzazione del vuoto (sotto lo stesso nome vanno fenomeni simili che si manifestano nelle altre interazioni fondamentali).

ZERO (ENERGIA DI PUNTO)

In fisica quantistica, l'energia di punto zero, o a temperatura zero, è la denominazione introdotta dal fisico tedesco Planck per indicare l'energia dello stato fondamentale di ogni sistema quantistico.

DIZIONARIO DI FISICA MODERNA (I - Q)

Struttura a quark del protone

I

IBRIDO (ORBITALE)

Detto degli orbitali originatisi per il fenomeno dell'ibridizzazione: così, per esempio, nell'atomo di carbonio, avente come orbitali puri un orbitale s, a simmetria sferica, e 3 orbitali p disposti tra loro ad angolo retto, si formano 4 orbitali ibridi, formanti tra loro angoli di 109° 28', diretti cioè verso i vertici di un tetraedro regolare, attraverso i quali l'atomo di carbonio contrae legami con gli orbitali di altri atomi.

IDROGENOIDE (ATOMO)

In fisica atomica, detto di sistema atomico i cui stati possono essere calcolati, con opportuni fattori correttivi, a partire da quelli dell'atomo di idrogeno (composto da un solo elettrone e un solo protone): atomo idrogenoide, atomo con un elettrone fortemente eccitato che si muove a grande distanza dalla restante parte dell'atomo, la quale può essere considerata una singola entità di carica unitaria positiva, come il protone nell'atomo di idrogeno; a tale situazione si avvicina molto quella di un atomo che sia stato ionizzato fino ad aver perso tutti i suoi elettroni a eccezione di uno.

IMPACCHETTAMENTO (INDICE DI)

In fisica nucleare, l'indice di impacchettamento è il rapporto tra il difetto di massa di un nuclide e il suo numero atomico.

INCANTO

Nella fisica delle particelle elementari, termine (con cui viene spesso tradotto il vocabolo inglese charm) indicante la proprietà caratteristica del quark che occupa il quarto posto nella scala delle masse e la cui carica è pari a 2/3 di quella dell'elettrone.

INDETERMINAZIONE

Nella meccanica quantistica, il principio d'indeterminazione è il principio fondamentale (formulato nel 1927 dal fisico tedesco Heisenberg, per cui è detto anche principio di Heisenberg) per il quale non è possibile determinare con esattezza una quantità osservabile senza rendere indeterminato il valore di altre quantità osservabili; per esempio, nel caso di una singola particella, è impossibile determinare con esattezza simultaneamente la posizione e l'impulso (o, di conseguenza, la posizione e la velocità).

INDISTINGUIBILITA' (CONDIZIONE DI)

Nella fisica quantistica, con riferimento a due particelle identiche, l'impossibilità, in base al principio di indeterminazione, di distinguerle l'una dall'altra, cosicché, se tali particelle vengono scambiate fra loro in un sistema qualsiasi, lo scambio non è rilevabile in alcun modo.

INTERAZIONE

Nella fisica delle particelle elementari, le interazioni fondamentali sono quelle che stanno alla base degli scambî di forze tra particelle, in ultima analisi responsabili di tutta la struttura dell'universo, e classificabili, in ordine decrescente di intensità, in: interazioni forti, responsabili della struttura adronica e nucleare; interazioni elettromagnetiche, responsabili della struttura atomica e molecolare, e quindi delle reazioni chimiche e di tutte le forze macroscopiche (esclusa la gravitazione); interazioni deboli, responsabili dei decadimenti beta ed essenziali nei processi termonucleari; interazioni gravitazionali, responsabili della forza di gravità. Secondo le teorie correnti, questi quattro tipi di interazioni sono trasmessi o mediati da particelle a spin intero (bosoni) dette rispettivamente gluoni, fotoni, bosoni intermedi W e Z, gravitoni.

INVARIANZA

In fisica, il termine indica solitamente la circostanza per cui una data relazione tra grandezze fisiche rimane invariata per particolari trasformazioni di variabili; ad ogni proprietà d'invarianza (detta anche legge di simmetria) è sempre associata la conservazione di una grandezza fisica: per esempio, all'invarianza delle leggi della meccanica per trasformazioni di coordinate spaziali e temporali (simmetria dello spazio-tempo) è associata la conservazione dell'energia e della quantità di moto.

IPERCARICA

In fisica delle particelle elementari, la somma del numero barionico e della stranezza, così denominata in quanto è grandezza legata alla carica elettrica della particella considerata.

IPERFINE (STRUTTURA)

In spettroscopia, la struttura iperfine è una struttura complessa di righe spettrali, costituite ciascuna (come può rivelare un'osservazione ad alto potere risolutivo) non da una sola riga ma da un gran numero di righe vicinissime fra loro.

IPERONE

In fisica delle particelle, denominazione di particelle instabili, di cui si conoscono più varietà (lambda, sigma, ecc) distinte per la massa (maggiore, comunque, di quella del protone), per la carica elettrica e per la vita media.

IPERONICO (ATOMO)

In fisica delle particelle, relativo a iperoni: l'atomo iperonico è quello intorno al cui nucleo, ordinario, al posto di un elettrone, orbita un iperone carico negativamente.

ISOBARO (NUCLEO)

In fisica nucleare, detto dei nuclidi aventi ugual numero di massa ma diverso numero atomico, e quindi diverse proprietà chimiche.

ISOMERIA

L'isomeria nucleare è la proprietà di due nuclidi di avere lo stesso numero atomico e lo stesso numero di massa, ma contenuto energetico diverso, in quanto uno di essi si trova in uno stato eccitato nel quale tende a permanere con vita media relativamente lunga.

ISOSPAZIO

Nella fisica delle particelle elementari, lo spazio di rappresentazione dello spin isotopico.

ISOTONO (NUCLEO)

In fisica nucleare, di nuclidi che hanno lo stesso numero di neutroni ma diverso numero di massa, per i quali cioè la differenza tra numero di massa e numero atomico ha lo stesso valore.

J – K

J/PSI

Denominazione di un mesone pesante, di spin pari a 1, costituito da una coppia charm-anticharm; la denominazione deriva dal fatto che questa particella fu scoperta, nel 1974, indipendentemente e pressoché contemporaneamente da due gruppi di ricercatori statunitensi, che la denominarono l'uno particella J e l'altro particella Psi.

JET

Nella fisica delle particelle, insieme collimato di particelle, solitamente adroni (jet adronico), che emergono da un'interazione, interpretabile come il risultato della frammentazione di un protone elementare.

KAONE

In fisica delle particelle, altra e più corrente denominazione del mesone K, particella che può presentarsi con carica elementare positiva, negativa ovvero nulla (rispettivamente K⁺, K^-, K⁰), di vita media 1.23·10^-8 s (1.05·10^-10 s il K⁰), di spin nullo e stranezza 1.

KAONICO (ATOMO)

L'atomo kaonico, in fisica atomica, è l'atomo in cui un kaone, carico negativamente, ruota intorno a un nucleo ordinario.

L

LACUNA

La lacuna, o vacanza, elettronica è la mancanza di un elettrone nella struttura di un atomo; nei semiconduttori, il termine indica più precisamente la mancanza di un elettrone nella banda di valenza, dovuta al «salto» di tale elettrone nella banda di conduzione: l'elettrone e la lacuna così formatasi si comportano come cariche libere, e contribuiscono entrambi al passaggio di corrente nel semiconduttore.

LASER

Sigla di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = “amplificazione della luce per mezzo dell'emissione stimolata di radiazioni”. Dispositivo (detto anche maser ottico in quanto sfrutta il principio del maser nella gamma delle radiazioni visibili anziché in quella delle microonde) che emette fasci intensi ed estremamente collimati di radiazioni elettromagnetiche coerenti, nello spettro visibile o nell'infrarosso (o anche, in dispositivi sperimentali, nello spettro dei raggi X); se ne hanno di vari tipi, che si distinguono per la natura del mezzo attivo, cioè del materiale in cui ha luogo l'emissione stimolata della radiazione, oppure per particolarità di realizzazione: laser a colorante, a elettroni liberi, a elio-neon, a neodimio, a rubino, ecc. Nel 1994 è stato realizzato un nuovo tipo a semiconduttore per l'infrarosso, detto laser a cascata quantica, nel quale l'emissione dei fotoni è dovuta a transizioni compiute dagli elettroni da un livello superiore a uno inferiore in una opportuna nanostruttura. Il laser trova molteplici utilizzazioni: è impiegato, per esempio, nella tecnica, per operare fori piccolissimi e tagli di grande precisione su materiali vari; in biologia, per stimolare o distruggere parti di una cellula; in medicina, per necrotizzare porzioni minime di tessuti o anche per interventi chirurgici su zone di limitatissima estensione; in olografia, per realizzare ologrammi (immagini tridimensionali); nella tecnica della riproduzione dei suoni, per la lettura dei compact disc. Ne è inoltre prevista, purtroppo, l'utilizzazione nei sistemi di difesa antimissile, per realizzare armi (laser a raggi X) capaci di altissima penetrazione nei materiali.

LEGATO (STATO, ELETTRONE)

In fisica atomica e subatomica, si dice che un sistema di due o più elementi si trova in uno stato legato quando, predominando le forze di reciproca attrazione, i suoi componenti rimangono localizzati in una regione limitata di spazio; elettrone legato, quello che si trova in uno stato legato.

LEPTONE

Nella fisica delle particelle, termine con il quale sono state designate le particelle ritenute le più leggere, e che indica più propriamente quei fermioni (elettroni, muoni, leptoni tau e i loro relativi neutrini) che non sono soggetti all'interazione forte.

LETARGIA

In fisica, la letargia di un neutrone è il logaritmo naturale del rapporto tra una energia di riferimento e l'energia del neutrone.

LEVOGIRO (FERMIONE)

Sono detti convenzionalmente particelle levogire i fermioni il cui spin è orientato in senso opposto alla direzione di moto.

LIBERTA' (ASINTOTICA)

La libertà asintotica di una teoria è la proprietà che essa ha di diventare una teoria libera, cioè senza interazioni, per certi valori limite di determinate grandezze, per esempio per grandi energie.

LIVELLO

Nell'ambito delle teorie quantistiche, il livello energetico rappresenta ognuno dei valori discreti che può assumere l'energia di un sistema, per esempio un atomo (livello atomico), o di una particella in un sistema, per esempio un elettrone (livello elettronico): è cioè l'energia associata a uno stato quantico; in particolare, i livelli proibiti sono stati quantici in cui il sistema in esame non può trovarsi, in contrapposizione ai livelli permessi (o consentiti); invece la banda di livelli energetici indica l'intervallo di energie in cui sono distribuiti i livelli energetici relativi a stati quantici simili, come, per esempio, quello (banda di conduzione) in cui sono raggruppati i livelli degli elettroni di conduzione.

LUCE

Nella spiegazione della natura di questo ente, sin dall'antichità si sono avvicendate e contrapposte fondamentalmente due teorie: quella corpuscolare, sostenuta in particolare da Newton, che considera la luce composta di corpuscoli (o particelle) indivisibili, di massa nulla o trascurabile, e quella ondulatoria, secondo la quale la luce consiste nella propagazione di onde nello spazio, concepito originariamente come mezzo elastico (etere), del quale le onde sarebbero perturbazioni. Nella seconda metà del secolo 19° si afferma la teoria elettromagnetica della luce, enunciata dal fisico inglese Maxwell, in base alla quale la luce è costituita da onde elettromagnetiche, ossia dalla propagazione ondulatoria nello spazio di campi elettrici e magnetici: la luce visibile è quella costituita dalle onde appartenenti a un ben determinato intervallo di lunghezze d'onda (da circa 0.7 a circa 0.4 micrometri); tale teoria, pur dimostrandosi valida in vasti settori dell'esperienza, è contraddetta dai fenomeni relativi ai processi elementari di emissione e assorbimento della radiazione da parte di particelle subatomiche (per esempio l'effetto fotoelettrico esterno), per spiegare i quali è stata formulata una nuova teoria corpuscolare, basata sull'ipotesi dei quanti di luce, in seguito chiamati fotoni, che Einstein introdusse nel 1905. Allo stato attuale delle conoscenze, la concezione ondulatoria e la concezione corpuscolare si fondono nella teoria quantistica della luce, per la quale essa è costituita da fotoni, cioè da particelle elementari, di massa nulla ma di energia e impulso definiti e dipendenti dalla frequenza, la cui traiettoria è descritta in termini probabilistici da una funzione d'onda che rende conto degli aspetti ondulatorî della propagazione della radiazione luminosa nello spazio. Per il principio della costanza della velocità della luce, postulato di fondamentale importanza nella teoria della relatività, la luce si propaga nel vuoto alla velocità costante di circa 300000 km/s (detta appunto velocità della luce, indicata con il simbolo c), qualunque sia lo stato di quiete o di moto dell'osservatore e della sorgente.

LUXONE

Nome dato da alcuni autori agli enti, quali i fotoni e i neutrini (?), che si muovono con la velocità della luce (quelli più lenti di essi sono chiamati bradioni, e quelli più veloci tachioni).

M

MAGNETOFLUIDODINAMICA

Disciplina che studia il moto dei fluidi elettricamente conduttori in presenza di campi magnetici, trovando applicazione nella fisica dei gas ionizzati, nello studio di fenomeni cosmici o atmosferici, nella propulsione dei veicoli spaziali, nella regolazione dei reattori a fusione nucleare.

MAGNETONE

Unità di misura naturale dei momenti magnetici atomici (magnetone di Bohr) o nucleari (magnetone nucleare).

MAGNONE

Il magnone è il quanto dell'energia associata alle onde di spin.

MASER

Sigla di Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Amplificazione molecolare mediante emissione stimolata di radiazione. Amplificatore di segnali elettromagnetici ad altissima frequenza, caratterizzato da un bassissimo rumore proprio, basato sull'emissione stimolata di energia elettromagnetica da parte di sistemi molecolari o atomici, usato specialmente per amplificare radiosegnali stellari o segnali provenienti da veicoli spaziali.

MASSA (MANCANTE)

In astrofisica la massa mancante è la porzione finora non osservata della massa totale dell'universo, detta anche materia oscura, la cui esistenza è ipotizzata sulla base della considerazione che in alcuni ammassi di galassie l'attrazione gravitazionale della massa visibile non è sufficiente a giustificare la stabilità dinamica.

MATERIALIZZAZIONE

Con accezione particolare, in fisica, è la trasformazione di energia in materia prevista dalla teoria della relatività sulla base dell'equivalenza tra massa ed energia: la materializzazione di un fotone è la conversione di un fotone in una coppia particella-antiparticella.

MESONE

Termine che indica particelle di spin intero soggette alle interazioni forti, costituite da una coppia quark-antiquark. I mesoni più leggeri (pioni, kaoni) hanno masse intermedie (da cui la denominazione) tra quelle dell'elettrone e del protone.

METASTABILE (STATO, PARTICELLA)

In fisica atomica, lo stato metastabile di un atomo, o di una molecola, o di un nucleo atomico, è quello corrispondente a un livello energetico eccitato avente una vita media relativamente elevata. In fisica delle particelle elementari, le particelle metastabili sono quelle che decadono tramite interazioni deboli o elettromagnetiche e che hanno vita media molto più lunga della vita media delle particelle (instabili) che decadono tramite interazioni forti.

MIGRAZIONE (AREA DI)

In fisica nucleare, l'area di migrazione per i neutroni è il valore medio (moltiplicato per il fattore 1/6) del quadrato della distanza che un neutrone percorre in un dato mezzo dall'istante della sua formazione come neutrone veloce, in un processo di fissione, all'istante del suo assorbimento come neutrone termico; la radice quadrata di tale area è detta lunghezza di migrazione.

MONOPOLO (MAGNETICO)

Polo magnetico isolato o, per meglio dire, ipotetica particella costituente il «quanto» di massa magnetica (in analogia con una carica elettrica), di cui non è stata finora possibile l'individuazione sperimentale.

MONTECARLO (METODO)

In statistica, metodo numerico, detto anche più esplicitamente metodo montecarlo o Monte Carlo, basato su procedimenti probabilistici (donde il riferimento a Monte Carlo, sede del noto casinò e simbolo del gioco d'azzardo per antonomasia), per la risoluzione di problemi di varia natura (in cui la probabilità di per sé non interviene necessariamente) che presentano difficoltà analitiche non altrimenti o difficilmente superabili.

MORTE (TERMICA)

In fisica la morte termica è l'espressione metaforica, riferita in genere all'intero Universo, con cui si indicano le ipotetiche conseguenze a lungo termine dell'irreversibilità dei processi naturali, ossia del secondo principio della termodinamica: l'Universo, in quanto sistema isolato, tenderebbe progressivamente allo stato, uniforme e indifferenziato, di equilibrio termico, raggiunto il quale cesserebbe ogni ulteriore possibilità di cambiamento ed evoluzione.

MULTIPLETTO

Nella spettroscopia atomica, gruppo di righe molto vicine tra loro, presenti nello spettro di varie sostanze e che possono essere separate solo attraverso uno spettroscopio di elevato potere risolutivo. Per estensione, in fisica, è l'insieme di livelli energetici molto vicini, o di stati con proprietà fisiche simili; in particolare, in meccanica quantistica, rappresenta l'insieme degli stati che differiscono per il valore di un solo numero quantico, quando questo può assumere più valori distinti.

MUONE

Particella instabile (carica positivamente o negativamente), appartenente alla famiglia dei leptoni, chiamata anche, impropriamente, mesone μ perché la sua massa (pari a 206.8 volte quella dell'elettrone) risulta intermedia tra quella dell'elettrone e quella del protone, soggetta a interazioni elettromagnetiche e deboli con altre particelle.

MUONIO

In fisica nucleare, sistema, analogo all'atomo di idrogeno, formato da un muone positivo e da un elettrone: può essere considerato come un isotopo leggero dell'idrogeno, nel quale il protone è rimpiazzato dal muone positivo.

N

NABLA

Nell'analisi vettoriale, operatore costituito dalle derivate parziali rispetto alle tre coordinate spaziali, considerate formalmente come le tre componenti di un vettore, e che permette di esprimere simbolicamente, sotto forma di operazioni tra vettori, gli usuali operatori vettoriali come il gradiente, la divergenza, il rotore e il laplaciano.

NEBBIA (CAMERA A NEBBIA)

La camera a nebbia, o camera di Wilson, è un dispositivo (poi sostituito dalla camera a bolle) per visualizzare traiettorie di particelle ionizzanti, costituito da un recipiente cilindrico contenente aria saturata con un vapore e all'interno del quale è possibile, per mezzo di un pistone, provocare una brusca espansione adiabatica: questa, per raffreddamento, causa la condensazione del vapore intorno agli ioni prodotti dall'eventuale passaggio di una particella ionizzante, dando luogo, in condizioni opportune di illuminazione, a una traccia visibile che può essere fotografata.

NEGENTROPIA

Nella teoria dell'informazione, la quantità d'informazione contenuta in un messaggio e trasferita dal sistema trasmittente a quello ricevente, in quanto tale quantità può essere espressa in termini probabilistici con una formula analoga (a parte il segno opposto) a quella che esprime l'entropia in termodinamica; talora tale quantità è detta semplicemente entropia. Il termine è usato anche in ambito propriamente termodinamico, soprattutto in biologia, nello studio di quei sistemi che si evolvono verso stati di ordine e organizzazione crescenti, con particolare riferimento al ruolo dell'informazione nella termodinamica dei sistemi biologici.

NEUTRINO

Particella elementare priva di carica elettrica e di spin 1/2 (fermione), appartenente alla famiglia dei leptoni; più precisamente, a ciascun leptone carico è associato un particolare neutrino, per cui esistono il neutrino elettronico, associato all'elettrone, il neutrino muonico, associato al muone e il neutrino tauonico, associato al leptone tau (ciascuno con la sua corrispondente antiparticella, detta antineutrino). Postulati nel 1931 dal fisico teorico Pauli per giustificare lo spettro energetico degli elettroni nei decadimenti radioattivi, i neutrini furono osservati sperimentalmente solo nel 1955, in quanto, non risentendo né dell'interazione forte né di quella elettromagnetica, la loro interazione con la materia (e quindi la possibilità di rivelarli) è estremamente debole; sono considerati generalmente particelle di massa nulla, anche se l'ipotesi dell'esistenza di neutrini massivi, ossia di neutrini dotati di massa ancorché piccolissima, è stata recentemente introdotta per giustificare la massa mancante dell'universo.

NEUTRONE

Particella elettricamente neutra, di spin 1/2 e massa di poco superiore a quella del protone, insieme al quale è elemento costitutivo dei nuclei atomici; può essere emesso dal nucleo in molte reazioni atomiche (per esempio, bombardando nuclei di berillio con varie particelle) o nei processi di fissione nucleare, è instabile allo stato libero (decade infatti in un protone, un elettrone e un antineutrino con una vita media di circa 1000 secondi), ma può essere utilizzato per bombardare a sua volta altri nuclei atomici, dando luogo alle reazioni nucleari a catena che vengono utilizzate nei reattori nucleari, per la produzione di energia, e, purtroppo, nelle armi nucleari. Si parla di neutroni veloci quando tali reazioni sono innescate da neutroni di velocità prossima a quella con cui sono emessi, e di neutroni termici quando questi sono preliminarmente rallentati (o termalizzati).  La stella di neutroni, nelle correnti teorie astrofisiche, è uno dei tre possibili stadi finali dell'evoluzione stellare, relativo alle stelle aventi massa compresa tra 1.4 e 3 masse solari (quelle di massa minore evolvono in nane bianche, mentre l'evoluzione di quelle di massa maggiore porterebbe alla formazione dei buchi neri), le quali, dopo aver esaurito l'energia prodotta dalle reazioni nucleari che le alimentano, e dopo aver subito il processo di esplosione che dà luogo al fenomeno delle supernovae, collassano sotto l'azione della loro gravità, che spinge gli elettroni all'interno dei nuclei convertendo i protoni in un gas di neutroni degeneri capace di fornire la pressione necessaria a porre fine alla compressione. Poiché tali stelle devono essere caratterizzate da una rapida rotazione e da un forte campo magnetico, le loro caratteristiche osservabili sono quelle tipiche delle pulsar, che sono correntemente identificate con esse.

NUCLEO

Il nucleo atomico è il corpuscolo, carico positivamente, di dimensioni dell'ordine di 10^{-14 m}, che costituisce la parte centrale dell'atomo, molto piccola rispetto all'atomo stesso, ma nella quale si concentra quasi tutta la sua massa. È caratterizzato da due numeri interi: il numero atomico, che coincide con il numero d'ordine del corrispondente elemento chimico nel sistema periodico degli elementi, e che, moltiplicato per il valore assoluto della carica elettrica (negativa) dell'elettrone, rappresenta la carica elettrica del nucleo; e il numero di massa, che approssima la massa del nucleo, espressa in unità di massa atomica, cioè in multipli della massa del nucleo di idrogeno (costituito da un solo protone), convenzionalmente fissata pari a 1. Strutturalmente, è un aggregato di protoni (carichi positivamente) e neutroni (elettricamente neutri), tenuti insieme da forze (forze nucleari) che agiscono fra tutte le coppie di nucleoni, e in generale prevalgono sulle forze coulombiane che determinano una repulsione fra i protoni: poiché il protone e il neutrone possono essere considerati due stati diversi di uno stesso ente (il nucleone), il numero di massa di un nucleo è il numero dei suoi nucleoni, mentre il numero atomico indica quanti di questi nucleoni sono protoni. In particolare i nuclei isotopi sono nuclei dotati dello stesso numero atomico ma di diverso numero di massa, i cui corrispondenti atomi appartengono allo stesso elemento chimico; i nuclei isobari sono invece nuclei dotati dello stesso numero di massa ma di diverso numero atomico, che appartengono quindi ad atomi di elementi diversi.

NUCLEOSINTESI

In fisica, il processo di formazione dei nuclei atomici conosciuti a partire da preesistenti nuclei di idrogeno e di elio, che ha caratterizzato, secondo le correnti teorie cosmologiche, una delle fasi primordiali della storia dell'universo, detta appunto fase della nucleosintesi o, semplicemente, nucleosintesi.

NUCLIDE

Termine adoperato, in alternativa a nucleo atomico e isotopo, per indicare in generale una singola specie nucleare individuata da un numero stabilito sia di protoni sia di neutroni; i nuclidi sono quindi indicati, come gli isotopi, con il simbolo dell'elemento preceduto dai valori esprimenti il numero atomico (in basso) e il numero di massa (in alto). Nei processi di decadimento nucleare si chiama nuclide padre, o semplicemente padre, il nuclide che decade, e nuclide figlio, o semplicemente figlio, il nuclide risultante dal decadimento.

O

OLOGRAFIA

Metodo di registrazione e di riproduzione di immagini tridimensionali basato sull'impiego di un fascio di luce coerente emesso da un laser: tale fascio viene indirizzato sia verso il soggetto da riprodurre sia verso una lastra di materiale sensibile, in modo che l'interferenza tra la luce che proviene direttamente dal laser (fascio di riferimento) e la luce (anch'essa coerente) riflessa dal soggetto produca sulla lastra una figura assimilabile a un reticolo di diffrazione (ologramma), la quale contiene tutte le informazioni relative sia all'intensità sia alla fase delle onde luminose che l'hanno prodotta; se l'ologramma viene, a sua volta, illuminato dalla luce del laser, si ha, in seguito a un processo di diffrazione, la ricostruzione completa (donde il nome) del fronte d'onda che era stato emesso dal soggetto, la cui immagine stereoscopica appare, attraverso la lastra e in piani posteriori, con prospettive diverse a seconda del punto di osservazione. Successivi sviluppi hanno reso possibile la produzione di immagini olografiche osservabili con la luce bianca ordinaria: tale risultato si ottiene, nell'olografia in luce bianca o di volume, registrando in un'unica lastra una serie di ologrammi sovrapposti che, per interferenza, riflettono solo la componente monocromatica della luce incidente che ricostruisce l'immagine olografica, e, nell'olografia stampata, imprimendo (a partire da una matrice) il reticolo di diffrazione che costituisce l'ologramma su un supporto di plastica trasparente avente per sfondo uno strato argentato riflettente. Con il termine olografia si fa riferimento anche a tecniche analoghe di riproduzione di immagini tridimensionali che utilizzano però forme di propagazione ondulatoria diverse dalla luce, per esempio onde elastiche in un mezzo nell'olografia acustica, onde radio ad alta frequenza nell'olografia a microonde.

OMEGA (PARTICELLE)

In fisica, con la forma minuscola s'indica una classe di mesoni leggeri senza sapore, di spin isotopico nullo e numero quantico di spin non minore di 1, mentre nella forma maiuscola s'indica una classe di barioni, o iperoni, con stranezza pari a -3 e spin isotopico nullo, comprendente la particella omega meno, la cui scoperta ha avuto una grande importanza per la classificazione degli adroni.

ONDA (FUNZIONE D')

Nella formulazione ondulatoria della meccanica quantistica, l'onda di probabilità o funzione d'onda è la funzione che rappresenta l'ampiezza di probabilità associata a una particella.

ONDULATORIA (MECCANICA)

La meccanica ondulatoria è la formulazione della meccanica, elaborata nei primi decenni del 20° secolo per rendere conto del comportamento dei sistemi atomici e subatomici (non spiegabile con le leggi della meccanica classica), basata sull'idea che le particelle elementari si propaghino sotto forma di onde materiali; più specificamente, la descrizione dell'evoluzione temporale di un sistema microscopico per mezzo di una funzione d'onda, il quadrato del cui modulo esprime, istante per istante, la probabilità che il sistema si trovi in un determinato stato: in questo senso, la meccanica ondulatoria è una delle possibili formulazioni (tra loro equivalenti) della meccanica quantistica.

OPERATORE

Nella meccanica quantistica, sono detti operatori quegli enti matematici che si fanno corrispondere alle osservabili (cioè alle grandezze che caratterizzano un sistema fisico e che possono essere osservate e misurate), in modo che l'applicazione di tali enti alla funzione di stato che rappresenta il sistema permette di determinare il valore aspettato delle grandezze in questione.

ORBITALE

in fisica atomica, con riferimento a un determinato atomo, l'orbitale atomico è la funzione d'onda associata a un elettrone in un determinato livello energetico e con un particolare valore del momento angolare, la quale viene a sostituire l'orbita ellittica dell'elettrone su cui era basato il modello atomico di Bohr: tale funzione esprime, per ogni punto dello spazio, la probabilità che ha l'elettrone di trovarsi in quel punto, e viene spesso visualizzata con una «nuvola» la cui densità è proporzionale alla probabilità in questione. In particolare, gli orbitali molecolari sono quelli relativi agli elettroni degli atomi di una molecola; gli orbitali degeneri rappresentano invece orbitali aventi la stessa energia ma diversa orientazione spaziale.

OROLOGIO (PARADOSSO DELL')

Il paradosso degli orologi è un'apparente contraddizione della teoria della relatività, consistente nel fatto che la simmetria della legge di dilatazione dei tempi (in base alla quale due osservatori in moto inerziale uno rispetto all'altro vedono ciascuno l'orologio dell'altro procedere più lentamente del proprio e quindi non possono stabilire quale dei due è in quiete) sembrerebbe violata dal fatto che, dati due orologi inizialmente in quiete nello stesso sistema di riferimento e sincronizzati fra loro, se uno di essi prende a muoversi rispetto all'altro per poi tornare nella posizione iniziale, l'orologio che si è mosso segnerà un'ora che precede quella dell'orologio rimasto in quiete (sarebbe quindi possibile distinguere lo stato di moto dallo stato di quiete); il paradosso si risolve considerando che il primo orologio deve, per tornare al punto di partenza, subire accelerazioni, cosicché il suo moto non può essere sempre inerziale.

ORTOELIO

Forma atomica dell'elio in cui lo spin totale dei due elettroni orbitanti attorno al nucleo è uguale a uno (in unità h/2π).

ORTOPOSITRONIO

Una delle due varietà di positronio, cioè quella con spin totale del positrone e dell'elettrone uguale a uno (in unità h/2π).

OSCILLATORE

L'oscillatore atomico, o molecolare, è costituito da un amplificatore maser mantenuto in oscillazione permanente mediante un processo di reazione, che riporta all'ingresso, con fase opportuna, una parte del segnale d'uscita. L'oscillatore quantistico rappresenta un sistema microscopico che costituisce l'analogo quantistico di un oscillatore armonico classico: è caratterizzato da uno spettro di valori discreti dell'energia distanziati tra loro di una quantità costante, pari al prodotto della frequenza dell'oscillatore per la costante di Planck h.

OSSERVABILE

In fisica, qualifica o anche, denominazione con cui vengono designate le grandezze, nonché gli operatori ad esse associati, che definiscono lo stato di un sistema microscopico, in quanto suscettibili di essere misurate, pur essendo, a differenza di quanto avviene nella meccanica classica, soggette al principio d'indeterminazione e quindi non tutte determinabili simultaneamente con un singolo processo di misurazione (il risultato del quale può, in generale, essere previsto solo in termini probabilistici).

P

PARADOSSO (DI OLBERS)

Con il paradosso di Olbers, partendo dall'ipotesi che l'universo sia statico e infinito nel tempo e nello spazio, e che la distribuzione delle stelle, o delle galassie, sia uniforme, si è costretti a concludere, in contrasto con l'esperienza, che il cielo notturno dovrebbe apparire intensamente e uniformemente illuminato: l'ipotesi di partenza si rivela errata, essendo invece l'universo in espansione, come si scoprì successivamente.

PARAPOSITRONIO

Una delle due varietà di positronio, ossia quella in cui gli spin dell'elettrone e del positrone sono antiparalleli.

PARITA'

Qualità che contraddistingue le funzioni d'onda con le quali, in meccanica quantistica, si descrive il comportamento ondulatorio di una particella: gli stati descritti da funzioni pari, ossia che assumono valori uguali per valori opposti delle coordinate spaziali, sono detti a parità pari o positiva, mentre quelli descritti da funzioni che assumono valori opposti per valori opposti delle coordinate spaziali sono detti a parità dispari o negativa. Il principio di conservazione della parità è il principio secondo il quale la parità della funzione d'onda di un sistema isolato si conserva, e che può essere considerato la formulazione matematica del principio fisico per cui un sistema e la sua immagine speculare sono fisicamente identici. Infine con violazione della parità s'intende la violazione del precedente principio, che, ritenuto fino al 1956 di validità universale, si è dimostrato non essere valido nelle reazioni provocate dalle interazioni deboli.

PARTICELLA

Con la locuzione particelle elementari si indicano genericamente i componenti della materia al livello subnucleare, quali l'elettrone, il fotone, il protone, ecc, e con la quale originariamente s'intendeva sottolineare le caratteristiche di indivisibilità, stabilità e assenza di struttura interna ritenute proprie di tali corpuscoli. Poiché queste caratteristiche sono, in misura minore o maggiore, messe in discussione dalla fisica moderna, sarebbe più appropriata la denominazione, peraltro meno usata, particelle subnucleari. Con riferimento alla stabilità, si distinguono particelle instabili, che decadono in altre particelle, e particelle stabili, il cui decadimento non è mai stato osservato: propriamente, sono stabili solo l'elettrone, il protone (?), i neutrini e il fotone, ma si considerano solitamente tali anche tutte le particelle che non decadono per interazione forte, e hanno quindi vita media relativamente lunga, come il neutrone, il muone, il kaone, ecc. Con riferimento alla struttura interna, gli adroni, ossia le particelle che partecipano alle interazioni forti, come i mesoni, il protone, il neutrone, ecc., ne risultano sicuramente dotati, e sono quindi considerati, secondo le teorie correnti, stati legati di entità più elementari, dette quark o partoni, mentre non ci sono evidenze sperimentali di una struttura interna dei leptoni, ossia delle particelle che non partecipano alle interazioni forti, come l'elettrone, il muone, i neutrini, ecc.: l'insieme di tali circostanze, unito al fatto che i quark e i leptoni, entrambi dotati di spin semintero, presentano eleganti proprietà di simmetria, suggerisce che essi siano gli elementi costitutivi della materia, ai quali si aggiungono i bosoni, ossia le particelle a spin intero, come il fotone, i bosoni intermedi e il gluone, aventi il ruolo di mediatori delle interazioni.

PARTONE

Particella la cui esistenza è stata postulata per spiegare certe caratteristiche sperimentali della diffusione di elettroni da bersagli di protoni e neutroni; nel modello a partoni, tali particelle sono considerate parti costituenti, da cui il nome, dei nucleoni, e possono essere identificate con i quark e i gluoni.

PERTURBATIVO (CALCOLO)

Con perturbazione s'intende il complesso di metodi matematici di calcolo sviluppati nell'ambito della meccanica quantistica e delle teorie dei campi, nelle quali le interazioni tra i campi possono essere introdotte come perturbazioni, ossia piccole correzioni, alle equazioni che descrivono il comportamento dei campi non interagenti.

PHI

Con Φ s'indica una classe di mesoni leggeri, senza sapore, di spin isotopico nullo e numero quantico ≥ 1, descrivibili come stati legati di un quark strano e del corrispondente antiquark.

PICK-UP

In fisica nucleare, la reazione di pick-up rappresenta la reazione in cui una particella veloce interagisce con un nucleo catturando uno o più nucleoni.

PIONE

Denominazione comune del mesone π, particella elementare che interagisce fortemente con i nuclei ed esiste in tre varietà dotate rispettivamente di carica elettrica positiva, negativa e nulla: ha massa 273 volte quella dell'elettrone (264 per la varietà con carica nulla), vita media brevissima (circa 2.6∙10^-8 s per i pioni carichi, 10^-16 s per i pioni neutri), momento di spin nullo.

POLARITONE

Propagazione accoppiata, in un cristallo, di un eccitone e di un fotone.

POLARIZZAZIONE

In fisica delle particelle si parla di polarizzazione di un fascio di particelle quando esiste una direzione lungo la quale risultano preferenzialmente orientati gli spin delle particelle stesse, distinguendo tra polarizzazione trasversale o longitudinale a seconda che questa direzione sia ortogonale oppure parallela alla direzione di moto del fascio.

POLARONE

Elettrone che si muove in un cristallo polare inducendovi una polarizzazione dielettrica che a sua volta modifica il moto dell'elettrone: tale interazione non solo provoca la diffusione dell'elettrone, ma ne altera anche l'energia e la massa effettiva.

POSITRONE

Sinonimo di elettrone positivo, ossia l'antiparticella dell'elettrone, scoperta nel 1932 dal fisico statunitense Anderson, la cui esistenza era stata prevista precedentemente dal fisico teorico inglese Dirac.

POSITRONIO

Sistema instabile costituito da un positrone e un elettrone, che costituiscono uno stato legato simile a quello del protone e dell'elettrone nell'atomo di idrogeno; a seconda che gli spin del positrone e dell'elettrone siano paralleli o antiparalleli si hanno due varietà, dette rispettivamente parapositronio e ortopositronio, distinte per la vita media molto diversa (rispettivamente 10^-10 s e 10^-7 s) e per il modo di decadimento, in due fotoni per il parapositronio e in tre fotoni per l'ortopositronio.

PROTONE

Particella elementare stabile (?), di massa 1.00728 unità di massa atomica, cioè 1.6748∙10^-27 kg, pari a quella del nucleo di idrogeno; di carica positiva pari, in valore assoluto, a quella dell'elettrone; di spin 1/2, pari a quello dell'elettrone, e momento magnetico pari a 2.79276 magnetoni nucleari. Si identifica con lo ione idrogeno, cioè con un atomo d'idrogeno privo del suo elettrone. I protoni costituiscono, insieme ai neutroni, il nucleo atomico; il loro numero nel nucleo di un determinato elemento è il numero atomico dell'elemento medesimo.

PROTONIO

Atomo esotico costituito da un protone intorno a cui orbita un antiprotone.

PSI (MESONI)

Mesoni pesanti, di spin isotopico nullo e parità negativa, composti da una coppia di un quark c e del relativo antiquark.

Q

QUADRICORRENTE

Quadrivettore la cui componente temporale è la densità di probabilità e quella spaziale è la densità di corrente di probabilità; svolge un ruolo determinante nella teoria dei campi.

QUADRIDIVERGENZA

Operatore differenziale che, applicato a un quadrivettore, dà luogo a uno scalare pari alla somma delle derivate parziali di ognuna delle quattro componenti del quadrivettore rispetto alla relativa coordinata.

QUADRIGRADIENTE

Operatore differenziale che, applicato a uno scalare, dà luogo a un quadrivettore le cui componenti sono le derivate parziali dello scalare rispetto alle quattro coordinate.

QUADRIMPULSO

Quadrivettore, detto anche quadrimomento, che ha come componenti spaziali le tre componenti dell'impulso, o quantità di moto, di un punto o di un sistema e come componente temporale l'energia totale del punto o del sistema stesso; per un sistema si parla anche di quadrimpulso totale.

QUADRIPOTENZIALE

Quadrivettore ottenuto associando alle tre componenti del potenziale vettore come quarta componente il potenziale scalare.

QUADRIVETTORE

Vettore definito in uno spazio a quattro dimensioni, e quindi definito da quattro componenti: particolarmente importanti i quadrivettori ottenuti associando alle tre componenti di un vettore ordinario (trivettore), nell'usuale spazio a tre dimensioni (componenti spaziali), una data componente temporale.

QUADRUPOLO (TRANSIZIONE DI)

In fisica nucleare la transizione di quadrupolo è l'emissione di un fotone γ da parte di un nucleo il cui momento angolare varia di 2 unità; se la parità non varia, si parla di transizione di quadrupolo magnetico, altrimenti di transizione di quadrupolo elettrico.

QUANTIZZAZIONE

Procedimento mediante il quale, in base alle regole stabilite dalle teorie quantistiche, vengono determinati i valori discreti che possono assumere, in particolari circostanze, le grandezze fisiche (energia, momento angolare, spin, ecc) che caratterizzano un sistema fisico. Nella teoria quantistica dei campi, la seconda quantizzazione descrive l'operazione con cui si procede alla quantizzazione dei campi che rappresentano le particelle, attraverso la quale si possono descrivere sia la creazione sia la distruzione di particelle (o di antiparticelle).

QUANTO

Termine usato per indicare la «quantità» indivisibile, il valore più piccolo fisicamente possibile di una data grandezza variabile con discontinuità, come pure la particella elementare associata a un dato campo di forze nelle teorie quantistiche.

QUARK

In fisica delle particelle, denominazione data (1964) dal fisico statunitense Gell-Mann ai costituenti fondamentali della materia adronica, cioè di tutte le particelle osservate che sono soggette alle interazioni forti. L'esistenza di tali costituenti è attestata da numerose evidenze sperimentali, per quanto non siano mai stati osservati quark isolati, nonostante i molti tentativi di rivelarli con tecniche diverse: tale circostanza ha portato a formulare una teoria delle interazioni forti, detta cromodinamica quantistica, che attribuisce il confinamento dei quark all'interno degli adroni osservati a meccanismi legati a un numero quantico interno, detto colore. In base alle proprietà osservate i quark sono fermioni (hanno cioè spin 1/2) e hanno carica frazionaria, pari a -1/3 o 2/3 della carica del protone; ogni tipo di quark è replicato in tre colori. I tipi (o sapori, come si dice per distinguere questo numero quantico da quello di colore) di quark finora individuati sono 6, indicati con le lettere u, d, s, c, b e t. I primi due sono i costituenti dei protoni e dei neutroni, ossia della materia ordinaria, il terzo è presente nelle particelle strane, il quarto in quelle dotate di charm, il quinto in particelle dotate di un numero quantico detto in gergo beauty. Il quark t, scoperto recentemente (1995), essendo molto pesante, decade così rapidamente che non fa in tempo a formare particelle adroniche.

QUARKONIO

Famiglia di mesoni costituiti da un quark e da un antiquark dotati dello stesso sapore: esempi di quarkonio sono il charmonio, il toponio, ecc.

QUASIPARTICELLA

Nome delle eccitazioni elementari di un sistema condensato che vengono considerate per descrivere le loro interazioni a bassa temperatura e poterne dedurre le proprietà termodinamiche del sistema.