In che modo l'Universo e la sua versione speculare sono diversi

La versione originale di questa storia è apparsa su Quanta Magazine .

Dopo le sue avventure nel Paese delle Meraviglie, la fantasiosa Alice attraversò lo specchio sopra il suo camino nel romanzo di Lewis Carroll del 1871 Attraverso lo specchio per scoprire quanto il regno riflesso fosse diverso dal suo. Scoprì che i libri erano tutti scritti al contrario e che le persone "vivevano al contrario", navigando in un mondo in cui gli effetti precedevano le cause.

Quando gli oggetti appaiono diversi allo specchio, gli scienziati li chiamano chirali. Le mani, ad esempio, sono chirali. Immaginate Alice che cerca di stringere la mano al suo riflesso. Una mano destra nel mondo dello specchio diventa una mano sinistra, e non c'è modo di allinearle perfettamente per una stretta di mano perché le dita si piegano nel modo sbagliato. (In effetti, la parola "chiralità" deriva dal greco e significa "mano").

L'esperienza di Alice riflette qualcosa di profondo sul nostro universo: non tutto è uguale se visto attraverso lo specchio. Il comportamento di molti oggetti familiari, dalle molecole alle particelle elementari, dipende dalla versione speculare con cui interagiamo.

All'inizio di Attraverso lo specchio , Alice tiene la sua gatta Kitty davanti allo specchio e minaccia di spingerla dall'altra parte. "Chissà se ti darebbero del latte lì dentro? Forse il latte dello specchio non è buono da bere", dice.

Alice aveva ragione. Poco più di vent'anni prima della pubblicazione del libro, Louis Pasteur scoprì, sperimentando con del vino scaduto, che alcune molecole possono essere chirali. Possono presentarsi in distinte forme strutturali, levogire e destrogire, impossibili da sovrapporre. Pasteur scoprì che, pur contenendo tutti gli stessi componenti, le versioni speculari delle molecole chirali possono svolgere funzioni chimiche distinte.

Il lattosio, lo zucchero presente nel latte, è chirale. Sebbene entrambe le versioni possano essere sintetizzate, gli zuccheri prodotti e consumati dagli organismi viventi sono sempre quelli destrorsi. Infatti, la vita come la conosciamo utilizza solo zuccheri destrorsi, ecco perché la scala genetica del DNA si snoda sempre verso destra. La radice di questa "omochiralità" rimane uno dei più grandi misteri che oscurano le origini della vita.

Kitty non avrebbe potuto digerire il latte dello specchio. Peggio ancora, se avesse contenuto batteri con la chiralità opposta, il suo sistema immunitario e i suoi antibiotici sarebbero stati inadatti a combattere. Un gruppo di eminenti scienziati ha recentemente messo in guardia contro la sintesi di forme di vita speculari proprio per questo motivo: se qualcuna di esse dovesse sfuggire al laboratorio, potrebbe eludere i meccanismi di difesa delle forme di vita normali.

Proseguendo nella tana del Bianconiglio, vediamo tracce di chiralità fino alle particelle elementari.

Il lavoro di Pasteur sulle molecole si basava su una precedente scoperta di Augustin-Jean Fresnel, che nel 1822 si rese conto che diversi prismi di quarzo potevano far ruotare il campo elettrico della luce in una delle due direzioni: oraria o antioraria. Se ogni particella di luce potesse lasciare una scia di fumo, da un prisma emergerebbe una spirale destrorsa e dall'altro una spirale sinistrorsa.

Oggigiorno, i fisici considerano la chiralità una proprietà fondamentale di tutte le particelle elementari, proprio come la carica o la massa. Le particelle prive di massa viaggiano sempre alla velocità della luce e possiedono tutte un momento angolare intrinseco, come se ruotassero come una trottola. Se le particelle volano nella direzione del pollice, il loro spin segue la direzione in cui si curvano le dita, sia della mano destra che della sinistra.

La situazione è un po' più complicata per le particelle massicce, come elettroni e quark. Poiché una particella massiccia viaggia più lentamente, un osservatore veloce potrebbe superarla e invertirne di fatto la direzione del moto, invertendo così la sua apparente chiralità. Per questo motivo, quando si descrive la chiralità delle particelle massicce, i fisici fanno spesso riferimento alla descrizione matematica delle proprietà quantistiche della particella. Quando si ruota una particella, la sua funzione d'onda quantistica si sposta a sinistra o a destra a seconda della sua chiralità.

Quasi ogni particella elementare ha un gemello attraverso lo specchio. Un elettrone sinistrorso con carica negativa è riflesso dall'antipositrone, una particella destrorsa con carica negativa.

Nel mondo dello specchio, Alice scopre che ogni logica è capovolta: le persone corrono per rimanere al loro posto e festeggiano i "non-compleanni" in tutti i giorni in cui non sono nati. Allo stesso modo, il nostro universo differisce dalla sua immagine speculare. La forza debole – la forza responsabile del decadimento radioattivo – è percepita solo dalle particelle levogire. Ciò significa che alcune particelle decadranno nel mondo normale, mentre le loro controparti nello specchio no.

Inoltre, c'è una particella che sembra non apparire affatto nello specchio. Il neutrino è stato osservato solo nella sua forma sinistrorsa. I fisici delle particelle stanno studiando se il neutrino destrorso esista o se le immagini speculari dei neutrini siano semplicemente identiche, il che potrebbe aiutare a spiegare perché l'universo contenga qualcosa invece del nulla .

Possiamo imparare molto sul nostro mondo guardando attraverso lo specchio. Ma attenzione a non bere il latte.

Articolo originale ripubblicato con autorizzazione di Quanta Magazine , una pubblicazione editorialmente indipendente della Simons Foundation, la cui missione è quella di migliorare la comprensione pubblica della scienza, occupandosi degli sviluppi e delle tendenze della ricerca in matematica, scienze fisiche e della vita.