La conoscenza scientifica progredisce continuamente, attraverso osservazioni, esperimenti e teorie. Moltissime teorie fisiche, in particolare, si sono affermate negli ultimi secoli e ci hanno aiutato nella nostra comprensione della materia e dell’universo, ma al tempo stesso tante altre teorie sono state superate e soppiantate da nuove che si sono dimostrate essere migliori.

Un esempio in tal senso che mi piace ricordare è il modello dell’atomo di Thomson, detto anche modello dell’atomo “a panettone”, proposto da Joseph Thomson nel 1904, prima della scoperta del nucleo atomico. In questo modello, l’atomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa all’interno della quale sono inserite le cariche negative – cioè gli elettroni – un po’ come l’uvetta in un panettone. In questo modo, l’atomo era elettricamente neutro.

Pur basandosi sulle evidenze sperimentali dell’epoca, il modello atomico di Thomson non era in grado di giustificare molte cose, fra cui la radioattività. Nel 1908, il modello fu confutato dall’esperimento di Geiger e Marsden, poi interpretato da Ernest Rutherford nel 1911, che suggerì un modello atomico alternativo, nel quale la carica positiva era concentrata in un nucleo molto piccolo posto al centro dell’atomo. Si trattò di un progresso notevole.

Il modello atomico di Thomson e quello di Rutherford a confronto.

Una teoria fisica, infatti, è qualcosa che viene presentato per spiegare una o più leggi empiriche che sono già note. Le teorie fisiche vengono tradizionalmente accettate se sono in grado di fare delle previsioni corrette e nessuna (o poche) previsioni errate: è il caso, ad esempio, della teoria della Relatività ristretta e della Relatività generale di Einstein. Le teorie fisiche, poi, è più probabile che siano accettate se collegano una vasta gamma di fenomeni.

Una teoria fisica dovrebbe anche avere – almeno come obiettivo secondario – una certa “economia” ed eleganza (paragonabile alla bellezza matematica): una nozione talvolta chiamata “rasoio di Occam” dal filosofo inglese del 13° secolo Guglielmo di Occam, secondo cui fra due teorie quella più semplice che descrive la stessa materia in modo adeguato è da preferire (ma talvolta la semplicità concettuale può significare una complessità matematica).

Le teorie fisiche possono essere raggruppate in tre categorie: teorie tradizionali (mainstream), teorie proposte e teorie marginali. Per quanto riguarda il modello dell’elettrone – stiamo quindi parlando di una delle particelle più importanti della fisica! – la teoria tradizionale è quella della Meccanica Quantistica, la quale prevede che l’elettrone sia puntiforme e privo di una struttura. Tuttavia, si tratta di un modello che non ha alcun reale significato fisico.

La “timeline” della storia della teoria dell’atomo.

Inoltre, un modello “puntiforme” dell’elettrone (che trasporta un’unità di carica elettrica), in realtà, per sua stessa natura prevederebbe che la massa di questa particella e la sua energia siano infinite, e che lo spin e il momento magnetico dell’elettrone siano pari a zero. Ma queste ultime sono evidenti assurdità, dato che moltissime misurazioni di tali proprietà fondamentali mostrano che le relative grandezze sono, al contrario, diverse da zero e finite come valore.

Sia lo spin che il momento magnetico sono grandezze che richiedono una estensione nello spazio e la definizione di un raggio. Infatti, lo spin ha le dimensioni di un momento angolare, che è definito come il prodotto vettoriale di una quantità di moto per un raggio, mentre il momento magnetico è definito come il prodotto di un’area per una corrente. Quindi, l’auto-contraddizione nella teoria comune dell’elettrone è evidente: da un lato, si dice che tale particella sia simile a un punto; d’altro canto, gli esperimenti mostrano che l’elettrone ha una dimensione finita con uno spin, un momento magnetico e una densità finita della carica.

Le equazioni consolidate della meccanica e della elettricità forniscono la relazione tra le dimensioni di un oggetto e la sua rotazione (spin) e momento magnetico. Le stesse equazioni prevedono, senza discontinuità, che lo spin e il momento dell’oggetto diventino zero quando la sua dimensione si avvicina a un punto. Ma i valori misurati diversi da zero di spin e momento forniscono una prova convincente che l’elettrone non è puntiforme!

Inoltre, la concentrazione della carica elettronica in un punto richiederebbe una quantità infinita di energia e una forza infinita per bilanciare la forza di Coulomb diretta verso l’esterno. Se l’energia della massa a riposo è infinita, quindi, la massa equivalente m = E/c^2 deve (secondo la teoria tradizionale) anch’essa essere infinita. Ma la massa di riposo di un elettrone è stata misurata e non è infinita. Dunque, l’elettrone non è puntiforme.

Il modello dell’atomo di Schrodinger (teoria della Meccanica Quantistica).

Il cosiddetto “Criterio di Mach” per le teorie scientifiche richiede l’invalidazione di qualsiasi teoria contraria ai fatti osservati. Il vero obiettivo scientifico è una descrizione della verità e il metodo legittimo per convalidare un postulato è, come minimo, un’applicazione della “Legge di non contraddizione”. Il modello tradizionale dell’elettrone  è pertanto chiaramente invalidato dal Criterio di Mach e dalla “Legge di non contraddizione”.

Certo, la matematica ha una funzione importante nella scienza. Ma i modelli matematici – come quello quantistico dell’elettrone – che ignorano o fanno approssimazioni significative della struttura fisica reale sono inferiori ai modelli fisici che imitano la realtà fisica. Il modello tradizionale puntiforme dell’elettrone è dunque oggi utilizzato solo per comodità. In realtà, manca una teoria che conduca in modo naturale a un modello dell’elettrone fisicamente realistico.

Sono stati presentati in passato molti modelli di elettrone che tentano di risolvere le evidenti limitazioni del modello puntiforme dell’elettrone.  In nessuno di questi, per quanto ne sappiamo, viene evidenziato il ruolo fondamentale del potenziale vettore e della semplice equazione che lega indissolubilmente e direttamente l’elettromagnetismo e la meccanica:

p = eA = mc

In questa equazione e è la carica elementare, A il potenziale vettore generato dal moto alla velocità della luce della carica stessa e p è il suo momento meccanico.

Fa eccezione un nuovo modello di ricercatori italiani presentato in un precedente post, che rimanda naturalmente agli articoli originali (1 e 2) degli autori per ulteriori approfondimenti. Un nuovo lavoro degli stessi autori – “Electron Structure, Ultra-Dense Hydrogen and Low Energy Nuclear Reactions”, relativo al modello presentato nei precedenti due articoli – è stato recentemente pubblicato sul Journal of Condensed Matter Nuclear Science (JCMNS).

I 2 articoli scientifici che descrivono il nuovo modello dell’elettrone.

Ma quanti hanno letto e, soprattutto, capito la relativa teoria? Probabilmente pochissimi, non certo perché essa non sia valida, ma perché non è facile comunicare tali tematiche.

In questo senso, va apprezzato tantissimo – e “pubblicizzato” presso la comunità dei fisici italiani – l’eccellente video esplicativo (che potete trovare qui) di tale teoria e del relativo modello dell’elettrone, realizzato da Francesco Ferrara, ingegnere elettronico nonché docente di fisica dalle straordinarie capacità divulgative, come dimostrano anche i libri pubblicati (ci limitiamo qui a segnalare il libro di testo “Verso la fisica”, Arianna Edizioni).

Nel suo video, la superiorità del nuovo modello dell’elettrone risulta così evidente che il vecchio modello usato dalla fisica mainstream ne esce, a confronto, del tutto “ridicolizzato”.

Nel nuovo modello sviluppato dai fisici italiani, l’elettrone ha le seguenti caratteristiche fondamentali: è privo di massa, ha un raggio pari al raggio classico dell’elettrone (𝑟 ≅ 2,82⋅10^-15 𝑚), ha una carica elettrica pari alla carica classica dell’elettrone e, infine, ruota – a una velocità pari a quella della luce – lungo una circonferenza, il cui raggio è pari alla lunghezza d’onda di Compton ridotta (𝑅𝑒 ≅ 0,386 ⋅10^-12 𝑚), descrivendo, quindi, un anello di corrente.

Uno screenshot tratto dall’eccellente video realizzato dall’ing. Ferrara (clicca qui).

Il video spiega, innanzitutto, come sia possibile che una sferetta priva di massa possieda una quantità di moto. Poi dà un significato fisico immediato anche alla massa (che si evince dal modello stesso, non è stabilita a priori), allo spin, al momento angolare, etc. Nelle unità di misura “naturali”, la massa dell’elettrone in questo modello rappresenta proprio la pulsazione angolare della sferetta carica rotante e, al tempo stesso, l’inverso del suo raggio di curvatura.

Inoltre, il video mostra come, con questo nuovo modello dell’elettrone, si ottengano in maniera assolutamente naturale e quasi “stupefacente”: (1) la seconda legge fondamentale della dinamica; (2) la relazione relativistica per la massa e per il raggio della circonferenza; (3) un principio di indeterminazione simile a quello di Heisenberg; (4) la plausibilità della approssimazione di carica puntiforme nell’atomo; (5) la cosiddetta “costante di struttura fine” (1/137), che mette in relazione le principali costanti fisiche.

Vi invito quindi a guardare l’intero video con molta attenzione…

                                                                                                         Mario Menichella

(fisico, già Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)

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3 comments

    • Mario Marini

    • 1 Dicembre 2019

    • 21:14

    • Rispondi

    Articolo interessantissimo, brava Dr Vessela Puosi, come sempre,
    Mario Marini

  1. Grazie per avere linkato il mio video, spero che vi piaccia e che vi aiuti a dissipare dei dubbi sul nuovo modello di elettrone proposto, semmai ve ne fossero.
    Il video mostra anche delle animazioni in 3D, che descrivono il moto elicoidale della particella.
    Grazie ancora a Giorgio Vassallo e a Mario Menichella

      • vessinik

      • 3 Dicembre 2019

      • 9:46

      • Rispondi

      Grazie a te, e in bocca al lupo per la tua attività didattico-divulgativa! Vessela

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