Gettare lo sguardo nel mondo quantistico

Nei post precedenti vi ho parlato spesso della crescente importanza della "visualizzazione scientifica" nel campo delle scienze della vita. L'utilità di poter "afferrare visivamente" concetti complicati, però, non si limita affatto alla biologia; anche la fisica, infatti, sta cominciando a sfruttare le opportunità offerte dalla grafica 3D. Come amava ricordare Richard Feynman l'immaginazione e la capacità di visualizzare mentalmente il proprio oggetto di studio è fondamentale per uno scienziato.
In fisica i risultati delle simulazioni numeriche eseguite sui più potenti supercomputers possono essere trasformati in accurate ricostruzioni visive della dinamica del fenomeno che si sta studiando. E' questa, ad esempio, l'origine del video nel quale viene ripercorsa l'evoluzione a grande scala dell'universo che è stato argomento di un precedente post.
Ciò che vi voglio mostrare in questo post è, invece, una applicazione alla fisica delle particelle e alla meccanica quantistica: anche quest'ultima, nonostante la sua fama (peraltro meritata!) di estrema controintuitività può essere "visualizzata".

Il brevissimo video qui sotto mostra come apparirebbe l'interno di una particella del tipo di un protone o di un neutrone, se potessimo "vedere" i campi quantistici dei quarks al suo interno.

I quarks, veri e propri "mattoni fondamentali della materia", sono particelle elementari che in natura non si trovano mai isolati, ma solo uniti in particelle composte dette "adroni", come per esempio il protone e il neutrone. Questo si deve alle particolari caratteristiche dell'"interazione forte" attraverso la quale interagiscono tra di loro.
Alla scala spaziale della fisica delle particelle sono fondamentali gli effetti della meccanica quantistica. La teoria quantistica dei campi (in inglese "Quantum field theory") è l'estensione della meccanica quantistica classica che sta alla base del "modello standard della fisica delle particelle": il modello che descrive tutte le particelle elementari e tre delle quattro forze fondamentali ad oggi note, ossia la interazione forte, quella elettromagnetica e quella debole.
La teoria quantistica dei campi descrive tutte le particelle esistenti non come corpuscoli o "palline" come siamo intuitivamente portati a immaginarle ma come "campi" nello spazio. Un campo è una struttura matematica che ad ogni punto dello spazio associa dei numeri che si possono interpretare come l'"intensità" del campo stesso in quel punto.
In termini più intuitivi è come se le particelle non avessero una posizione definita ma fossero "spalmate" in tutto lo spazio con densità variabile da punto a punto a seconda dell'intensità del campo nel punto stesso (proprio come sono "spalmati" gli elettroni negli orbitali di atomi e molecole).

Il video, realizzato da Massimo Di Pierro della "School of Computing" della DePaul University di Chicago, è frutto di simulazioni numeriche di Cromodinamica quantistica (QCD) su reticolo, termine con cui ci si riferisce genericamente a quell'insieme di tecniche di studio della QCD, la teoria dei quark e dei gluoni, che fanno uso di un reticolo spazio-temporale discreto per "semplificare i calcoli".
Nell'animazione ciò che è rappresentato come spazio pieno "colorato" sono i punti dello spazio all'interno di un adrone in cui i vari campi quantistici assumono la maggior intensità. Il processo rappresentato è di "raffreddamento" del sistema, cioè di passaggio da uno stato di maggiore ad uno di minore energia.