sabato 4 febbraio 2012

Le scale mobili giapponesi, le autostrade cinesi ed il bosone di Higgs: rottura di simmetria e difetti topologici

Scale mobili a Tokyo: per
convenzione si sta fermi a
sinistra e si cammina a
destra. Ad Osaka è
l'opposto. Da qui.
La regola è chiara: a Tokyo e nel Kanto, sulle scale mobili, si sta fermi sulla sinistra e si cammina sulla destra. Non è chiaro come e quando si sia giunti a questo tacito accordo, ma -  come nel caso del traffico automobilistico – anche l’opposto è perfettamente accettabile. Infatti nel Kansai la convenzione è opposta: nelle città di Kyoto, Osaka e Kobe si sta fermi sulla destra e si lascia lo spazio per camminare sulla sinistra.

La regola della scala mobile è un esempio di “rottura spontanea della simmetria” che incontriamo ovunque nel nostro mondo. Il nostro corpo ci fornisce un altro esempio: il cuore si trova a sinistra ed il fegato  a destra, anche se in alcuni individui la disposizione degli organi è speculare . In questi casi vi sono solo due possibilità: destra o sinistra (e si parla più propriamente di parità), ma si possono immaginare esempi più complessi: immaginate di prendere uno spillo e tenerlo  in verticale con un dito  facendogli toccare il tavolo con l'altra estremità. Lasciato il dito lo spillo cadrà in una direzione a caso: Si è passati da una configurazione simmetrica (lo spillo in verticale) ad una asimmetrica (lo spillo caduto da un lato). 

In un materiale ferroso si passa
da uno stato  disordinato ma
 simmetrico ad  uno ordinato
 in cui la simmetria  è rotta dalla
 direzione della calamita che si
è venuta a formare. 
Lo stesso accade in un materiale ferroso: anche se inizialmente smagnetizzato, dopo un certo tempo si magnetizzerà spontaneamente diventando quindi una calamita. Microscopicamente, le mini-calamite costituite dai dipoli atomici si sono allineate tra loro passando da uno stato disorganizzato e casuale ad uno ordinato (ad energia più bassa e dunque più stabile) in cui tutti i dipoli puntano nella stessa direzione.

Si ritiene che un fenomeno analogo sia avvenuto nei primi istanti di vita dell’universo: si è passati da uno stato perfettamente simmetrico in tutte le particelle non hanno massa ad uno asimmetrico (ma ad energia più bassa), in cui le particelle elementari che compongono il nostro universo hanno masse tutte diverse tra loro. Nel caso dello spillo, il responsabile della rottura di simmetria è il nostro dito, nel caso delle particelle elementari, il “colpevole” di questa rottura di simmetria dovrebbe essere  il bosone di Higgs (il condizionale è d'obbligo dato che non è stato ancora trovato con certezza).

Schema dei domini di Weiss
in un materiale ferromagnetico
da qui
Torniamo al nostro pezzo di ferro: spesso la magnetizzazione non è uniforme. Può accadere che parti del metallo si magnetizzino in direzioni diverse. Queste microscopiche regioni in cui la magnetizzazione è uniforme prendono il nome di domini di Weiss, dal nome del suo scopritore. Particolarmente interessante è quanto avviene al confine tra questi lillipuziani paesi: la transizione tra un dominio e l’altro crea delle discontinuità, delle “zone di nessuno” (o domain wall) che esibiscono particolarità geometriche e matematiche molto particolari. 



La strada da Hong Kong alla Cina
collega regioni in cui si guida in
verso opposto: è quindi un esempio
macroscopico di difetto
topologico.
Nell'autostrada che collega Hong Kong alla Cina è possibile vedere una di queste transizioni, creata apposta per facilitare il passaggio dal primo paese, con la guida a sinistra al secondo, in cui si guida a destra. 
In Giappone non c'è nulla di simile nel caso delle scale mobili, anche se ci si potrebbe immaginare una fantastica città di Escheriana memoria, sita tra il Kansai ed il Kanto, in cui si passa da una convenzione all'altra.  

E per il nostro universo? La questione è ancora aperta: la teoria del Big Bang prevede un’espansione talmente rapida del nostro universo che la rottura di simmetria regolata dal bosone di Higgs potrebbe essere avvenuta in maniera diversa in punti diversi del nostro universo. Lì le  leggi della fisica potrebbero essere diverse dalle nostre.   Messaggeri di questi remoti angoli dell'universo potrebbero essere i difetti topologici, strutture geometriche simili ma infinitamente più complesse dell'autostrada cinese che potrebbero giungere anche sul nostro pianeta. Al momento sono relegati nel mondo della fisica teorica e della fantascienza, ma esperimenti in corso di progettazione hanno in programma la ricerca di queste splendide rarità.