Pubblicato in: n. 04 Colore /

Il colore delle particelle

di Alessandro Pascolini

Atomos, paramanu, atomi
La concezione atomistica della materia ha attraversato la storia della cultura occidentale con alterna fortuna, dall’intuizione di Democrito ed Epicuro fino al diffuso successo attuale.

Gli atomos greci, non potendo essere osservati direttamente, non possono essere conosciuti in dettaglio: si sa solo che sono solidi, pieni, hanno figure e dimensioni differenti, si muovono; una cosa è assolutamente certa, e Lucrezio lo afferma con vigore: «Nessun colore affatto posseggono le particelle elementari della materia, né simile alle cose, né da esse diverso».

Anche nella tradizione indiana è stata elaborata una concezione atomista, che continua a vivere nello Jainismo. Le particelle fondamentali sono i paramanu che, a differenza degli atomos, sono allegri, dotati di sapore, odore, dimensione, estensione, moto continuo, due tipi di carica, e anche colore. Echi di questa concezione sono pervenute nell’Occidente medievale per tramite arabo, ma non hanno lasciato tracce significative.

Nel corso del medioevo l’atomismo, condannato sia nell’Occidente cristiano che nell’Oriente arabo, non costituì un tema importante nelle discussioni filosofiche. La teoria atomista verrà fatta rivivere nel XVII secolo da Pierre Gassendi. I suoi atomi materiali acquistano nuove proprietà: estensione, grandezza, forma, peso o massa, ed una velocità individuale, impressa da Dio ab initio. Ma niente colore. Anche la luce è fatta di atomi, più veloci di quelli materiali, ma anch’essi acromatici.

Neppure Galileo, con la sua distinzione fra qualità primarie e secondarie, attribuisce colore ai suoi atomi, che rimangono acromatici anche per Francesco Bacone. La tradizione atomistica resta fedele a Lucrezio.

Ma nel dibattito scientifico del Seicento, che si interroga specificamente sul problema dell’esperienza sensibile e quindi del colore, compaiono corpuscoli che in un certo senso ne sono dotati. Consideriamo la definizione di colore data da Cartesio e Locke, che possiamo esprimere nella forma: «x ‘è’ rosso se e solo se x ha una qualche caratteristica tale da produrre la sensazione del rosso». Cartesio, Locke, Newton negano al colore un’esistenza extra-mentale: si tratta di una sensazione interna. Tali sensazioni sono causate dalla luce sia nella concezione di Cartesio che in quella di Newton: nella prima i corpuscoli della matière subtile della luce evocano i diversi colori ruotando a differenti velocità, nella seconda i corpuscoli atomici che compongono i raggi luminosi provocano le sensazioni di colore venendo rifratti differentemente in base alle loro dimensioni. Ebbene, ammettendo la definizione di Cartesio-Locke, possiamo affermare che tali particelle di luce hanno lo stesso colore che sanno suscitare.

Fotoni, atomi, particelle
La teoria corpuscolare della luce verrà ripresa da Einstein nel 1905 con i suoi quanti di luce, i ‘fotoni’, caratterizzati da una precisa frequenza. Poiché le sensazioni luminose dipendono dalla frequenza della radiazione, in base alla definizione di Cartesio-Locke, potremmo dire che i fotoni di frequenze comprese nello spettro visibile hanno i colori corrispondenti (mentre tutti gli altri fotoni ne sono privi). In realtà, però, i colori si distinguono solo se la luce è abbastanza intensa, per cui solo impulsi composti da un numero sufficiente di fotoni riescono a produrre sensazioni di colore: il singolo fotone, pertanto, non può essere considerato colorato.

I grandi progressi sperimentali e teorici della fisica del secolo scorso hanno ulteriormente scavato nel cuore della materia: l’atomo è risultato composto da elettroni indivisibili e nuclei dalla struttura complessa, composti di due tipi di ‘nucleoni’, i protoni ed i neutroni, sottoposti a una forza prima sconosciuta, l’interazione ‘forte’. La stessa forza agisce su una miriade di nuove particelle, scoperte via via, chiamate ‘adroni’.

La meccanica quantistica, che fissa il quadro concettuale del microcosmo, associa ad ogni particella una descrizione ondulatoria con una precisa lunghezza d’onda: tali onde sono di frequenza estremamente alta, lontana dallo spettro visibile, per cui, in base sempre alla definizione di Cartesio-Locke, nessuno di tali sistemi possiede colore. La norma di Lucrezio rimane inesorabilmente valida per ogni possibile particella di dimensioni atomiche o inferiori.

I quark e il loro colore
Negli anni ’60, guidati da un’elegante teoria di simmetrie matematiche, i fisici introdussero sul palcoscenico della scienza una nuova famiglia: i quark, gli elementi fondamentali che costituiscono gli adroni e, quindi, la materia.Oggi conosciamo sei tipi di quark, distinti utilizzando la metafora del ‘sapore’; accanto ad ogni quark esiste il suo anti-quark, di proprietà speculari. Gli adroni si suddividono in barioni, composti da tre quark, e mesoni, composti da un quark e un antiquark. Un carattere comune di tutti i quark, assolutamente nuovo nel quadro concettuale dell’atomismo, è l’impossibilità di esistere individualmente allo stato libero, con grande disappunto degli scienziati che si sforzarono per una decina d’anni di estrarli dagli adroni o di produrli in reazioni di vario tipo.

Il modello a quark pone alcuni problemi: esistono particelle composte da quark identici nello stesso stato, in violazione apparente di uno dei principi fondanti la meccanica quantistica, il principio di esclusione di Pauli; i quark risultano sperimentalmente esistere in più forme dello stesso ‘sapore’.

La soluzione dei paradossi si ottiene postulando l’esistenza di un nuovo attributo dei quark, chiamato ‘numero di colore’, per cui ogni quark può trovarsi in uno di tre stati di colore distinti.

I colori vanno considerati come una nuova carica, che genera il campo di forza nucleare (in analogia con la carica elettrica che genera il campo elettromagnetico). La teoria di campo associata a questa interazione fondamentale si chiama ‘cromodinamica quantistica’.

Una proprietà fondamentale della nuova dinamica è che tutti gli adroni hanno carica di colore globale nulla, per cui il colore dei quark deve neutralizzarsi: nel caso del mesone, il quark e l’antiquark che lo compongono devono avere colore opposto, nel caso del barione, i tre quark devono essere di colori differenti, la cui combinazione deve dare carica di colore nulla. La legge che proibisce ai sistemi naturali di avere una carica di colore impedisce ai quark singoli di esistere in modo indipendente.

La scelta del colore come attributo dei quark è chiaramente solo una metafora: l’analogia permette di associare ai tre stati di carica i tre colori fondamentali e agli adroni uno neutro, di fatto bianco, come combinazione dei tre fondamentali o di un colore e del suo complementare. Utilizzando il sistema RGB, i quark sarebbero rossi, verdi e blu (ma alcuni sostituiscono al verde il giallo, forse anche perché in Cina e Giappone il verde è solo una sfumatura del blu); gli antiquark sarebbero invece ciano (antirosso), fucsia (antiverde), giallo (antiblu).

Così come i fotoni sono i vettori della forza elettromagnetica, l’interazione tra i quark viene mediata da particelle di massa nulla chiamate gluoni. A differenza dei fotoni, che sono elettricamente neutri, i gluoni hanno una loro carica di colore, pertanto possono interagire fra di loro e devono, come i quark, rimanere confinati all’interno degli adroni. In interazioni violente possono raggiungere energia sufficiente a produrre un ‘getto’ di particelle neutre di colore che escono dal barione: lo studio di questi getti ha permesso di ricostruire sperimentalmente le proprietà dei gluoni.

Ci sono in tutto otto tipi di gluoni, sei che modificano il colore (che possono essere descritti riferendosi ancora al sistema RGB) e due ‘biancastri’ per l’interazione fra quark dello stesso colore: ad esempio un quark verde diviene rosso emettendo un gluone rosa (verde-antirosso). I colori dei quark cambiano continuamente con la condizione che il sistema totale rimanga sempre neutro, per cui in nessun punto ed in alcun istante si può riconoscere il colore preciso di un quark o gluone.

La metafora del colore è, complessivamente, piuttosto infelice e non riesce a divenire strutturale: infatti, ad esempio, un gluone blu antiverde (indaco) trasforma un quark verde in uno blu, ma su una tavolozza combinando l’indaco col verde non si ottiene il blu. Oppure, i sistemi globali privi di carica di colore sono bianchi, ma in realtà l’assenza di colore è il nero, che non si può ottenere da colori complementari. Infine, mentre i singoli colori hanno una precisa valenza culturale, quelli specifici attribuiti ai quark sono assolutamente irrilevanti.
Del resto la stessa simbologia di colore scompare nella notazione e nei calcoli effettivi della teoria, in quanto i tre stati diventano genericamente 1, 2, 3 e la metafora viene completamente persa.

Era saggio seguire la prescrizione di Lucrezio: «E dunque evita di contaminare con un colore i germi delle cose».

Le particelle non hanno colore, ma…
No, non ha senso pensare che le particelle fisiche abbiano colore. Ma se osserviamo un ricercatore che segue su di un monitor il susseguirsi degli eventi in un esperimento di particelle, vediamo un succedersi ed intrecciarsi di traiettorie variamente colorate, e lui potrà dirci: le tracce verdi sono elettroni, quelle viola pioni… e allora?

Allora dobbiamo ricordare che i colori hanno un importante ruolo epistemologico, come segni o indicatori naturali per l’identificazione di oggetti fisici. Oltre al loro ruolo di ‘segni naturali’, essi servono come segni convenzionali, arbitrari, fissati secondo una corrispondenza che sia utile ed immediata. Anche al commissario Montalbano di Camilleri «veniva naturale, sin da quando era nicareddu, di dare un colore ad ogni odore che lo colpiva». Così, nell’analisi degli eventi, torna utile identificare le particelle con codici di colore che in genere vengono fissati all’interno della collaborazione di scienziati che partecipano allo stesso esperimento, a seconda dei gusti e delle tradizioni. Queste caratterizzazioni cromatiche permettono di ‘pensare con gli occhi’, ma rimangono patrimonio individuale e non entrano nel linguaggio scientifico.
In realtà le stesse immagini che descrivono gli eventi non sono altro che modelli teorici espressi mediante immagini: non mostrano il mondo, ma ciò che noi pensiamo del mondo. Visualizzano le nostre concezioni del mondo. E noi pensiamo a colori…

© Riproduzione riservata

Alessandro Pascolini

Alessandro Pascolini insegna Metodi matematici della fisica e Scienze per la pace presso l’Università di Padova. I suoi interessi di ricerca riguardano la fisica nucleare teorica, la fisica matematica, le tecnologie militari e la storia della scienza. Si dedica ad attività di promozione della cultura scientifica in Europa; nel 2004 la Società Europea di Fisica gli ha conferito il premio per la divulgazione scientifica.

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