La struttura delle particelle elementari

Introduzione

Introduzione

Il primo oggetto di ricerca della filosofia fu l’archè, L’archè, per i filosofi greci era il principio primo temporale e sostanziale di tutto l’universo. Si tratta del principio primo temporale perché dall’“archè” tutto l’universo ha origine; si tratta del principio primo sostanziale perché l’archè è la sostanza primaria di cui tutti gli oggetti presenti nell’universo sono formati. Inizialmente i filosofi si affidarono agli elementi naturali. Famose sono, infatti, le spiegazioni di Talete e Anassimene secondo cui l’intero cosmo derivava, rispettivamente, da acquae aria. In seguito Empedocle identificò i principi della realtà in quattro elementi: l’acqua, l’aria, la terra e il fuoco. Essi hanno le stesse caratteristiche dell’essere di Parmenide (mescolandosi tra loro restano sé stessi) e sono diversi dal punto di vista qualitativo.

La ricerca di Anassimandro dell’archè della fysis culmina nell’àpeiron: che letteralmente significa senza (-à ) limite(-péras), quindi l’illimitato, l’indefinito, l’indeterminato. Secondo Eraclito la realtà è costituita da elementi contrari (caldo-freddo, bene-male, ecc.). Non esiste un elemento senza il suo contrario, l’uno determina l’esistenza dell’altro, cioè sono inscindibili e interdipendenti. Democrito identifica negli atomi le particelle indivisibili che compongono la materia organica e inorganica. Gli atomi hanno solo due qualità: la grandezza e la forma geometrica; ogni aggregato di atomi può disporsi secondo un ordine differente, formando composti diversi. Gli aggregati di atomi generano in noi delle percezioni sensibili quando vengono a contatto con i nostri sensi.

La ricerca sull’”archè” è stata abbandonata dai filosofi ed è proseguita dai fisici. Agli inizi del 1900 sono state elaborate due teorie che spiegano tutti i fenomeni naturali. Si tratta della relatività generale di Einstein e della meccanica quantistica. La prima spiega i fenomeni a livello macroscopico; le seconda spiega i fenomeni a livello microscopico, cioè delle particelle elementari.

Queste due teorie sono difficilmente conciliabili per un motivo basilare. Si basano su un concetto di “sfondo” diverso. Le particelle elementari si muovono e interagiscono su uno sfondo spaziale, cioè uno spazio vuoto. Si tratta, quindi di uno sfondo non dinamico, che non si modifica. Nella relatività generale lo sfondo è dinamico, e può modificarsi nel tempo. Si tratta quindi di uno sfondo spazio/temporale. Lo sfondo spazio/temporale spiega l’”inflazione cosmica” del big bang. L’universo si espande non perché le galassie si allontanano l’una dall’altra ma perché lo sfondo vuoto che contiene la materia si espande.

Per unificare meccanica quantistica e relatività generale è stata elaborata una nuova teoria chiamata “teoria delle stringhe”. Si tratta di una generalizzazione della teoria “quantistica dei campi”. Nella teoria delle stringhe, al posto di particelle puntiformi sono stati introdotti “oggetti simili a corde” (le stringhe) che si propagano in uno sfondo spazio-temporale fisso. Questa teoria, però non ha dato i risultati sperati e molti fisici l’hanno abbandonata, cercando nuove teorie unificatrici.

Nella teoria delle stringhe, le particelle elementari non sono “enti semplici” ma sono costituiti da “corde” che vibrano. Dalla struttura e interazione di queste corde vibranti si originano le differenze riscontrate nelle particelle elementari. In questo scritto proponiamo un’ipotesi concernente la struttura delle particelle elementari diversa dalle stringhe. Inoltre approcciamo in modo filosofico la nostra ipotesi. L’approccio filosofico è diverso da quello fisico. I fisici, infatti, si basano sulle formule. Utilizzano le formule matematiche e le loro interazioni. L’approccio filosofico è diverso. Il punto di partenza è costituito da “enti semplici”, facilmente illustrabili che interagiscono. Ovviamente queste interazioni devono rispettare le formule matematiche ritenute valide.

La struttura delle particelle elementari deve possedere alcuni requisiti che possano spiegare alcuni aspetti paradossali delle due teorie (relatività generale e meccanica quantistica). Si tratta del “vuoto dinamico” di Einstein, del dualismo onda/particella, della “sovrapposizione di stati”, dei “numeri complessi” che sono presenti nell’equazione di Schroedinger. Inoltre, partendo da questa struttura delle particelle elementari, deve essere possibile ricavare i concetti di “carica”, e “massa” e spiegare la costanza della velocità della luce e la costante energetica di Planck (“h”).

L’onda elettromagnetica

Prendiamo come punto di partenza l’onda elettromagnetica e soffermiamoci sugli elementi che la costituiscono (figura 1)

 Figura 1. Un’onda elettromagnetica sinusoidale polarizzata linearmente che si propaga nella direzione +z in un mezzo omogeneo, isotropo e senza perdite (come potrebbe essere il vuoto). Il campo elettrico (frecce blu) oscilla nella direzione ±x, mentre il campo magnetico (frecce rosse), ortogonale a +z oscilla nella direzione ±y, in fase con il campo elettrico. 

Notiamo che l’onda elettromagnetica è composta di vettori elettrici (frecce blu) e magnetici (frecce rosse) d’intensità crescente e decrescente che si propagano nel vuoto. Nel sito Wikipedia è illustrata l’animazione dell’onda elettromagnetica. In quest’animazione si nota il formarsi dei vettori che generano l’oscillazione ondulatoria.

 Il punto energetico

Consideriamo uno dei paradossi della meccanica quantistica, cioè il dualismo onda/particella. Osservando la generazione dei vettori elettrici e magnetici possiamo ipotizzare che i vettori siano generati da una particella minuscola analoga al punto materiale di Euclide che chiamiamo “punto energetico”. Il punto materiale di Euclide è adimensionale. Anche il punto energetico è adimensionale. Il punto materiale di Euclide è spaziale. Il punto energetico è spazio/temporale. Possiamo immaginarlo come un punto di Euclide spaziale con l’istante temporale. Il punto energetico è la particella che genera i vettori che compongono l’onda elettromagnetica.

Sappiamo che i fisici utilizzano, come linea guida alle loro teorizzazioni, l’equazione della funzione d’onda di Schroedinger con le sue soluzioni. Stranamente, in ogni soluzione dell’equazione di Schroedinger, appaiono numeri complessi. Ad esempio, può capitare che nel punto “x” l’ampiezza dell’onda sia pari a 0,3 + 0,5i, dove “i” è uguale alla radice quadrata di -1. In altre parole, il numero “i” moltiplicato per se stesso da come risultato -1. Un numero reale sommato a un altro numero reale moltiplicato per –i si definisce numero complesso.

Anche noi, nel formulare le nostre ipotesi sulla struttura delle particelle elementari, utilizziamo come guida l’equazione di Schroedinger. Per tale motivo, ipotizziamo che l’onda elettromagnetica sia generata da due vettori: uno reale e uno immaginario. Nell’animazione dell’onda elettromagnetica, i vettori reali sono quelli elettrici e quelli magnetici. Il vettore immaginario è costituito dal moto lungo l’asse z.

Immaginiamo un punto energetico che si muove di moto rettilineo uniforme percorrendo un determinato spazio in un determinato tempo. La “misura” dell’energia avviene sulla base dello spazio energizzato. Essa può essere descritta da un vettore nel quale il punto di applicazione è quello in cui inizia il movimento. La direzione e il verso sono quelli del moto mentre il modulo è lo spazio energizzato. Chiamiamo questo vettore: “vettore materiale”. L’energia del vettore materiale è di natura spaziale perché essa descrive lo spazio vuoto energizzato (figura 2).

Figura 2. Vettore materiale. Il vettore materiale è una forma di energia spaziale generata da un punto energetico che si muove di moto rettilineo uniforme percorrendo uno spazio ben definito.

Immaginiamo un punto energetico situato in un punto “A” dello spazio. Esso, invece di muoversi, rimane fermo, cioè in “stasi”, per un intervallo temporale (tempo di stasi). Immaginiamo che questo punto energetico, finito il tempo della stasi, salti lo spazio istantaneamente portandosi nel punto “B”. Lo spazio/tempo generato da questo punto energetico è “vuoto di energia”, cioè vacuum. Ciò si evince dal fatto che il tempo non è energetico; infatti, mentre il tempo scorre, il punto energetico è fermo. Analogamente, neanche lo spazio è energetico; infatti, il punto energetico salta lo spazio senza percorrerlo. Chiamiamo questo salto del punto energetico: “salto quantistico”.

Il vacuum può essere rappresentato da un vettore spazio/temporale nel quale il punto di applicazione è quello in cui il punto energetico rimane in “stasi”; la direzione e il verso sono quelle del salto, mentre il modulo è lo spazio/tempo saltato.  Chiamiamo questo vettore: “vettore immaginario” (figura 3).

Figura 3. Vettore immaginario. Il vettore immaginario è una forma di “vuoto energetico” generata da un punto energetico che salta quantisticamente il vuoto,  percorrendo uno spazio ben definito.

Vettore materiale e vettore immaginario, generati ambedue dal punto energetico, hanno una interazione di complementarietà. I due vettori che il punto energetico genera sono disposti perpendicolarmente. Il tempo della “stasi” è lo stesso tempo del “vettore materiale”. Ciò significa che il tempo impiegato dal punto materiale per generare il vettore materiale è uguale al tempo della stasi concernente il salto quantistico (figura 4).

Figura 4. Interazione tra vettore immaginario e vettore energetico. I due vettori sono disposti perpendicolarmente. I tempi di attivazione dei due vettori coincidono.

Ipotizziamo che il punto energetico si muova alla velocità “v” e percorra lo spazio compreso tra “A” e “B”, nella direzione sopra/sotto e nel verso “sopra”. Completato questo moto, salta quantisticamente da “A” a “A1” in una direzione perpendicolare alla precedente e nel verso “avanti”, alla velocità della luce. Il tempo della stasi e lo spazio vuoto saltato sono lo spazio/tempo della luce.  Quando il punto energetico si porta in “A1”, istantaneamente accelera. Percorre quindi, a una velocità doppia lo spazio verso “sopra”, mantenendo invariante il tempo. Nello stesso tempo con cui aveva percorso lo spazio “AB”, adesso percorre lo spazio “A1B1”, doppio del precedente (figura 5).

Figura 5. Doppio movimento verso l’alto (lineare) e in avanti (immaginario) del punto energetico. I due movimenti lineari verso l’alto avvengono con raddoppio di velocità; i due movimenti immaginari avvengono alla velocità della luce. I tempi dei quattro movimenti sono uguali. L’intensità del secondo vettore energetico è doppia rispetto a quella del primo.

Soffermiamoci sull’accelerazione del punto energetico che si muove di moto rettilineo uniforme generando i due vettori energetici. La velocità del salto quantistico è costante e corrisponde alla velocità della luce. La velocità di moto verso “sopra”, che genera vettori materiali, varia raddoppiando. Il punto energetico “accelera” istantaneamente nel suo moto lineare e, mentre è in “stasi”, durante il salto quantistico. Il salto quantistico è il tempo della variazione di energia, cioè di velocità del punto energetico. Si genera una situazione paradossale nella quale si ha un’accelerazione istantanea e duratura (tempo di stasi) (figura 6).

Figura 6. Accelerazione istantanea e duratura. Il doppio movimento del punto energetico consente l’accelerazione istantanea e duratura. Il punto energetico che si muove di moto lineare generando i vettori materiali accelera istantaneamente. Questa accelerazione avviene nel tempo di stasi del moto in avanti. Questo tempo ha una durata.

Un aspetto paradossale della meccanica quantistica è la sovrapposizione di stati. Una particella elementare può trovarsi contemporaneamente in due “stati” differenti. Per poter interpretare la sovrapposizione di stati, ipotizziamo che il punto energetico possa “sdoppiarsi” e muoversi in due direzioni perpendicolari. Questo movimento doppio concerne il moto lineare di generazione dei vettori materiali. Dopo ogni salto quantistico, il punto energetico si sdoppia muovendosi in due direzioni complementari di 90 gradi e genera un vettore materiale elettrico e un vettore materiale magnetico di uguale intensità.

Osserviamo l’immagine in basso sono illustrati i tre moti del punto energetico. Le frecce tratteggiate designano il salto quantistico. Le frecce rosse e blu indicano i due moti perpendicolari, uno elettrico (verso l’alto) e uno magnetico (verso destra). Le frecce verdi indicano il tempo costante per tutti e tre i moti. I due movimenti perpendicolari elettrico e magnetico sono contemporanei. Il punto energetico, quindi, dopo il salto quantistico si sdoppia dirigendosi contemporaneamente in due direzioni contrapposte (figura 7).

Figura 7. Sdoppiamento del punto energetico. Il punto energetico quando si trova nei punti A e A1, si sdoppia dirigendosi in due direzioni perpendicolari. Genera, quindi, due vettori materiali, uno elettrico (blu) e uno magnetico (rosso) di uguale intensità. Il moto da A ad A1 è un salto quantistico. I moti che generano il vettore elettrico e il vettore magnetico sono contemporanei.

Per il prosieguo della trattazione non consideriamo il moto del punto energetico che genera i vettori magnetici. Ciò ci consente di semplificare le figure.

L’onda elettromagnetica

Supponiamo che il punto materiale si muova, saltando quantisticamente da un punto all’altro lungo la linea di moto e che a ogni salto generi un vettore materiale il cui modulo dapprima cresce poi decresce. Ipotizziamo che tutti i salti quantistici siano uguali.  Ipotizziamo che lo stesso punto materiale alterni movimenti che generano vettori materiali in un verso con movimenti che generano vettori materiali in verso opposto. Esso, ultimati i salti con generazione di vettori materiali in un verso, riprende a saltare da un punto all’altro lungo la linea di moto generando vettori materiali nel verso contrapposto, i cui moduli dapprima aumentano di grandezza, poi diminuiscono di grandezza. L’insieme di questi due movimenti del punto materiale genera l’oscillazione di un’onda. Quest’oscillazione è costituita da due figure a forma di semicirconferenze: la cresta con oscillazione verso l’alto e il ventre con oscillazione verso il basso. Cresta e ventre si alternano lungo la direzione di moto (figura 8).

Figura 8. Struttura ondulatoria dell’energia. Il punto energetico salta quantisticamente, alla velocità della luce, da un punto all’altro lungo la linea di moto generando vettori energetici di intensità crescente e decrescente, dapprima verso l’alto poi verso il basso. La struttura complessiva è l’oscillazione di un’onda con una cresta e un ventre. 

Nell’oscillazione i tempi di composizione di ciascun vettore materiale e della stasi del salto quantistico sono uguali. Si tratta della costanza temporale tra tempo del vettore materiale e tempo di stasi (figura 9)

Figura 9. Costanza temporale tra salti quantistici e generazione di vettori materiali. I tempi delle stasi e i tempi di generazione dei vettori materiali si mantengono costanti in ogni oscillazione dell’onda.

Sulla base di questa invarianza temporale, illustriamo un’oscillazione. Le frecce verdi verticali indicano i tempi con cui si generano i vettori materiali. Essi sono tutti uguali tra di loro. Le frecce verdi orizzontali indicano i tempi delle “stasi”. Essi sono uguali tra di loro e uguali ai tempi dei vettori. Nell’oscillazione, gli unici “enti” che variano sono i vettori materiali, cioè gli spazi energizzati (figura 10).

Figura 10. Oscillazione dell’onda e costanza temporale tra tempi di generazione dei vettori materiali e tempi dei salti quantistici.

Le particelle elementari indivisibili, come il fotone e l’elettrone, hanno questa struttura ondulatoria generata dal doppio movimento del punto energetico.

La costante di Planck

Il punto energetico, all’interno di un’oscillazione, aumenta/diminuisce la propria velocità, mantenendo costante il tempo e aumentando/diminuendo lo spazio percorso. In ogni oscillazione la velocità media del punto energetico si mantiene costante. Le oscillazioni si susseguono una dopo l’altra alla velocità della luce mantenendo costante la velocità media del punto energetico.

L’energia materiale, contenuta in un’oscillazione, corrisponde alla somma delle energie di ciascun vettore materiale. Essendo la grandezza dei vettori materiali invariabile, l’energia materiale, contenuta in un’oscillazione, è invariabile e corrisponde alla costante di Planck: “h”. 

La velocità media del punto energetico nel suo moto lineare, per quanto concerne il fotone, dipende dal tempo. Se il tempo di un’oscillazione si dimezza, la velocità media del punto energetico raddoppia. Osserviamo l’immagine in basso. Sono illustrate le oscillazioni di due fotoni (figura 11).

Figura 11. Il punto energetico del fotone in basso, per quanto concerne il moto lineare, ha una velocità media doppia rispetto alla velocità media del punto energetico del fotone in alto. Nello stesso tempo con cui il fotone in alto compie un’oscillazione, il fotone in basso compie due oscillazioni. Ogni oscillazione contiene l’energia materiale “h”. 

Onde e armoniche

In natura, qualunque forma di energia vibrazionale tende a distribuirsi e concentrarsi nello spettro delle frequenze secondo uno schema ben preciso e ricorrente. Se ordiniamo dalla più grave alla più acuta queste frequenze, otteniamo la scala degli armonici naturali. Questa “scala” non è stata creata o decisa dall’uomo, ma è una legge di natura, è la conseguenza di un fenomeno fisico e come tale può essere spiegato in termini matematici. Il modello matematico che descrive questo schema è chiamato: serie armonica.

Il modello matematico è semplice: data una frequenza fondamentale f, la serie armonica da essa generata è la successione dei suoi multipli interi (f x 1, f x 2, f x 3 …). Per semplicità queste frequenze multiple vengono dette “armoniche” o “armonici” (figura 12).

Figura 12. Serie armonica ottenuta dal frazionamento della frequenza fondamentale in 1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7.  

Le armoniche raffigurate in alto fanno parte di onde stazionarie. Le onde elettromagnetiche del fotone non hanno vincoli. Nelle onde stazionarie cresta e ventre sono sovrapposte spazio/temporalmente. Nell’onda elettromagnetica, invece, cresta e ventre sono sfasate e si susseguono nello spazio/tempo. Nelle due immagini in basso la stessa armonica è in moto (in alto) e stazionaria (in basso). La diversità è data dal salto quantistico. Nell’armonica in moto il salto quantistico avviene in una direzione e in un verso, quello di moto in “avanti”. Nell’armonica stazionaria il salto quantistico avviene nella direzione di moto ma in due versi contrapposti (avanti e dietro). Nell’armonica in moto, il punto energetico, completati i vettori verso l’alto, prosegue lungo la linea di moto (in avanti) per completare i vettori materiali verso il basso. Nell’armonica stazionaria, il punto energetico, completati i vettori verso l’alto, torna indietro e completa i vettori verso il basso (figura 13).

Figura 13. Oscillazione di due armoniche in moto (in alto) e stazionaria (in basso). Nell’armonica in moto ad oscillare sopra/sotto sono i vettori energetici; nell’armonica stazionaria ad oscillare sono sia i vettori energetici sia i vettori immaginari. I vettori energetici oscillano sopra/sotto; i vettori immaginari oscillano avanti/indietro.  

La massa

Ipotizziamo che l’energia di massa o più semplicemente “massa” sia costituita dall’insieme di vettori energetici che oscillano avanti/indietro in una o più armoniche stazionarie. Le particelle elementari, sulla base di questa ipotesi, quando sono stazionarie sono costituite da una o più armoniche che generano la loro massa. Se, invece, le particelle elementari sono in moto, non hanno massa, poiché la loro armonica si muove nello spazio in un’unica direzione. Il fotone è una particella elementare priva di massa. Ciò dipende dal fatto che il fotone è costituito da armoniche sempre in moto.

Frequenza fondamentale

Notiamo che la frequenza fondamentale è frazionata in parti sempre più piccole che ne determinano un aumento di energia. Il numero dei frazionamenti non può essere infinito. Esso dipende dalla grandezza della frequenza fondamentale di partenza. Più grande è la frequenza fondamentale, maggiori frazionamenti si possono ottenere.

La frequenza fondamentale dell’onda elettromagnetica, sempre in moto, è la più ampia consentita in natura ed è commisurata alla velocità della luce.

Dentro ogni oscillazione è contenta l’energia di Planck “h”. Nella frequenza fondamentale, l’energia dell’onda è pari a “h”. Ciò significa che il punto energetico che genera lo spazio di Planck si muove alla più piccola velocità media consentita in natura. Al raddoppio della frequenza, raddoppia la velocità media del punto energetico e aumenta l’energia. Quando la frequenza aumenta di tre volte, aumenta di tre volte la velocità media del punto energetico. Osserviamo l’immagine in basso. E’ illustrata la relazione tra velocità del punto energetico (freccia azzurra) e numero oscillazioni (frecce rosse) (figura 14).

Figura 14. Nella frequenza fondamentale alla velocità minima del punto energetico corrisponde  un’oscillazione. Quando il punto energetico raddoppia la propria velocità, raddoppiano le oscillazioni. Quando la velocità del punto energetico triplica, triplicano le oscillazioni 

Energia su base temporale ed energia su base spaziale

Sappiamo che fotone ed elettrone si differenziano per alcune caratteristiche. Il fotone non ha massa mentre l’elettrone ha massa a riposo uguale a 1. Il fotone non ha carica mentre l’elettrone ha carica negativa. Inoltre il fotone ha spin intero mentre l’elettrone ha spin dimezzato. Esiste un’altra caratteristica che differenzia fotone ed elettrone di cui non si è mai parlato. Essa concerne la varianza/invarianza dell’energia.

Abbiamo mostrato che l’energia generata dal punto materiale dipende esclusivamente dalla sua velocità. Al raddoppio della velocità aumenta l’energia generata. La velocità concerne la modalità di varianza/invarianza dell’energia del punto materiale. La velocità è lo spazio percorso nel tempo di percorrenza. Il punto energetico, quindi, può modificare la propria energia utilizzando come variante la componente temporale e come invariante la componente spaziale; analogamente, può modificare la propria energia utilizzando come variante la componente spaziale e come invariante la componente temporale.

Nel fotone l’energia varia temporalmente con invarianza dello spazio; nell’elettrone l’energia varia spazialmente con invarianza del tempo. Ciò significa che nell’onda elettromagnetica (del fotone), il punto energetico utilizza il tempo come variabile e lo spazio come invariabile; nell’elettrone, invece, il punto energetico utilizza lo spazio come variabile e il tempo come invariabile.

Il fotone

Supponiamo di essere in presenza di un fotone, la cui energia varia temporalmente. Ciò significa che, se l’energia aumenta, si riduce il tempo con cui il punto energetico genera i vettori materiali presenti in un’oscillazione. A questa riduzione temporale di generazione dei vettori materiali, corrisponde un’analoga riduzione temporale dei  salti quantistici. I due tempi, infatti, coincidono. Supponiamo che il fotone aumenti la propria energia, dimezzando il tempo con cui il punto energetico genera i vettori materiali di un’oscillazione. Nello stesso tempo con cui prima realizzava un’oscillazione, adesso ne realizza due. Anche lo spazio del salto quantistico si dimezza. Lo spazio di un’oscillazione corrisponde allo spazio di due oscillazioni.  Ciò dipende dal fatto che il tempo del salto quantistico e lo spazio del salto quantistico sono ambedue commisurati  al tempo e allo spazio della velocità della luce che è invariante.

Per rendere più chiaro quanto andiamo esponendo, rappresentiamo l’energia materiale contenuta in un’oscillazione, che è costante, con un vettore spesso. Inoltre rappresentiamo l’insieme dei salti quantistici di un’oscillazione con un vettore meno spesso. Il tempo complessivo di un’oscillazione corrisponde al tempo complessivo con cui si genera l’energia materiale. Lo spazio vuoto di energia che contiene i vettori materiali è rappresentato da un rettangolo. I salti quantistici avvengono alla velocità della luce. Nella figura 15, in basso, sono illustrate due oscillazioni. La seconda oscillazione avviene in uno spazio/tempo dimezzato rispetto alla prima. Si tratta dello spazio/tempo della luce.

Figura 15. Oscillazione di due fotoni a diversa energia. L’oscillazione del fotone a sinistra avviene in uno spazio/tempo (della luce) doppio rispetto all’oscillazione del fotone a destra.

Come abbiamo già scritto, l’energia materiale contenuta in un’oscillazione corrisponde alla costante di Planck: “h”. L’energia di un fotone è data dalla formula E = hυ, dove “h” è la costante di Planck e “υ” è la frequenza, cioè il numero di oscillazioni il secondo. Osserviamo le due immagini in basso. Notiamo che, nello stesso spazio/tempo costante della luce, l’immagine in basso contiene il doppio di “h” rispetto all’immagine in alto (figura 16).

Figura 16. Raddoppio di frequenza. Il fotone illustrato in basso  ha una frequenza doppia rispetto al fotone illustrato in alto. Nello stesso spazio/tempo complessivo (della velocità della luce), il fotone in alto compie cinque oscillazione, il fotone in basso compie dieci oscillazioni. 

L’elettrone

Abbiamo scritto che nel fotone l’energia varia temporalmente con invarianza dello spazio; nell’elettrone l’energia varia spazialmente con invarianza del tempo. La varianza temporale comporta un frazionamento dei tempi della frequenza fondamentale. La varianza spaziale comporta una moltiplicazione o un aumento dimensionale degli spazi della frequenza fondamentale. La frequenza fondamentale su base temporale è la più grande possibile. La frequenza fondamentale su base spaziale è la più piccola possibile.

Sappiamo che il fotone aumenta/diminuisce di energia attraverso la variazione di frequenza. L’elettrone, a differenza del fotone, può aumentare di energia in due modi diversi: aumentando/diminuendo di frequenza e aumentando/diminuendo di intensità. Questa doppia possibilità discende dalla caratteristica dell’elettrone, che varia spazialmente con invarianza del tempo.

Analizziamo i due modi con cui l’elettrone aumenta/diminuisce di energia. Soffermiamoci dapprima sull’aumento dell’energia attraverso la frequenza.

Osserviamo l’immagine in basso. E’ illustrata la frequenza fondamentale dell’elettrone legato al nucleo dell’atomo. Si tratta di un’armonica. Le doppie frecce nere indicano gli spazi e le diverse velocità del punto energetico. Le doppie frecce verdi indicano i tempi. Essi sono uguali per ogni vettore energetico e per ogni salto quantistico. I vettori energetici oscillano nella stessa direzione ma in due versi opposti che possiamo indicare: sopra/sotto. La doppia freccia rossa indica la direzione di moto del salto quantistico. Essa è perpendicolare alla direzione dei vettori energetici. Il movimento del punto energetico è oscillatorio. L’elettrone oscilla avanti/dietro e questa oscillazione è designata con la freccia a doppia punta (figura 17).

Figura 17. Frequenza fondamentale dell’elettrone. L’oscillazione dell’elettrone è duplice e concerne la generazione dei vettori e il moto per salti quantistici. La generazione dei vettori consiste in una oscillazione sopra/sotto; il moto avviene nei versi avanti/dietro (da “A” a “B” e da “B” a “A”). 

Il moto oscillatorio dell’elettrone avviene per salti quantistici. Con questo moto, l’elettrone energizza lo spazio vuoto compreso in un’oscillazione. Nella frequenza fondamentale, l’elettrone è meno energetico e questa minore energia si traduce nella più piccola velocità del punto energetico, nella più piccola velocità dei salti quantistici e nella più piccola velocità di oscillazione avanti/dietro.

Supponiamo che un elettrone si trovi al suo livello più basso di energia. Analizziamo come avviene l’aumento di questa energia attraverso il raddoppio della frequenza. Il punto energetico raddoppia la velocità del salto quantistico. Questo raddoppio avviene mantenendo inalterato il tempo e  lo spazio percorso, ma raddoppiando i salti, cioè le oscillazioni. Il punto energetico si sdoppia. Questo sdoppiamento concerne il salto quantistico ed  è diverso da quello illustrato in precedenza che concerneva la generazione del vettore elettrico e magnetico. Con questo sdoppiamento il punto energetico, raddoppia le oscillazioni, mantenendo costanti tempi e spazi di ogni singola oscillazione.

Osserviamo l’immagine in basso è illustrato l’elettrone, al secondo livello di energia. Le armoniche sono due e corrispondono alle due oscillazioni sopra/sotto e alle due oscillazioni avanti/dietro.  Osserviamo la doppia freccia rossa. Essa è raddoppiata rispetto all’elettrone al primo livello energetico. Le due oscillazioni sono contemporanee. Nello stesso tempo con cui l’elettrone al primo livello energetico oscilla una volta avanti/indietro, l’elettrone al secondo livello energetico oscilla due volte avanti/indietro. Ciò è reso possibile dal fatto che le due oscillazioni sono contemporanee. Nello stesso tempo dell’elettrone di primo livello, l’elettrone di secondo livello energizza uno spazio doppio. Al salire di livello dell’elettrone aumenta il  numero delle oscillazioni sopra/sotto e, concomitantemente aumenta il numero di oscillazioni di moto avanti/dietro. (figura 18).

Figura 18. Elettrone con due armoniche. Rispetto all’elettrone della figura precedente, in quest’elettrone il punto energetico ha raddoppiato la velocità lineare sdoppiandosi in due e raddoppiando le armoniche.

Consideriamo adesso l’aumento dell’energia attraverso l’intensità. Supponiamo che un elettrone di primo livello aumenti raddoppiando la velocità del punto energetico. Questo raddoppio avviene mantenendo inalterato il tempo e raddoppiando lo spazio percorso. Ciò può comportare che i vettori energetici raddoppiano la loro intensità (senza raddoppiare di numero). Nell’elettrone lo spazio dei vettori energetici è direttamente proporzionale allo spazio del salto quantistico. Se lo spazio energizzato raddoppia, raddoppia anche lo spazio relativo al salto quantistico. Nello stesso tempo con cui prima realizzava un’oscillazione con l’intensità di primo livello, adesso realizza un’oscillazione con intensità raddoppiata, cioè di secondo livello. Anche in questa circostanza gli spazi dei vettori (energetici e immaginari) sono raddoppiati. Il raddoppio della velocità del punto energetico comporta un raddoppio di velocità dei salti quantistici, cioè della velocità dell’elettrone.

Le due immagini in basso illustrano l’aumento dell’energia di un elettrone al primo livello e al secondo livello. Quest’aumento di energia è avvenuto attraverso un raddoppio d’intensità (figura 19).

Figura 19. Aumento di energia tramite raddoppio di intensità. L’elettrone illustrato in alto si trova nella frequenza fondamentale, nella quale il punto energetico compie i due movimenti alla minima velocità possibile. Nell’elettrone illustrato in basso, il punto energetico viaggia al doppio della velocità. In questa circostanza non si ha un raddoppio di armoniche ma l’aumento di intensità dell’armonica fondamentale.

Gli orbitali atomici

Gli orbitali degli elettroni sono considerati dai fisici “spazi astratti”, meglio definiti “spazi di Hilbert”. Sono ottenuti attraverso la soluzione dell’equazione di “Schroedinger”. Il quadrato della funzione d’onda di Schroedinger è considerato lo spazio volumetrico nel quale è altamente probabile trovare l’elettrone. Quest’ultimo è una particella indivisibile che si muove senza precise traiettorie in questi spazi astratti. Riteniamo che gli orbitali non siano spazi astratti in cui l’elettrone si muove. Gli orbitali sono le forme reali degli elettroni, che sono armoniche. Queste armoniche avvolgono il nucleo atomico e sono generate dai doppi moti (lineare e immaginario) del punto energetico.

Il punto energetico che compie i due movimenti, reale e immaginario, a velocità elevatissime, è la particella, che genera le armoniche.

Gli orbitali atomici dell’elettrone sono costituiti, da armoniche. Per analizzare gli orbitali atomici realizzati dall’elettrone, dobbiamo considerare che gli orbitali atomici hanno forma volumetrica. Questo si spiega ricordando che i vettori materiali dell’elettrone oscillano non soltanto sopra/sotto (energia elettrica) ma anche a sinistra/destra (energia magnetica) (figura 20).

Figura 20. Rappresentazione completa dell’elettrone al primo livello di energia. In questa figura sono stati inseriti i vettori magnetici. Sono perpendicolari ai vettori elettrici e concorrono a conferire una forma volumetrica all’elettrone.

L’armonica dell’elettrone presenta alcune proprietà che è bene sottolineare. Esso è generata da tre oscillazioni simmetriche, perpendicolari l’una all’altra. Le due oscillazioni energetiche, cioè quella elettrica e quella magnetica sono costituite da vettori quasi equipollenti con direzioni perpendicolari e si mantengono tali a ogni variazione di forma. L’armonica dell’elettrone è, inoltre, flessibile. Può assumere le più svariate forme, mantenendo le simmetrie e la quasi equipollenza (con direzione perpendicolare) dei vettori energetici. La flessibilità armonica è consentita dal salto quantistico che avviene istantaneamente nel vuoto energetico.

Lo spin dell’elettrone

Due elettroni intrecciati (entangled) disegnano uno stesso orbitale. Riteniamo che l’intreccio avvenga per contrapposizione di fase del punto energetico. Quando il punto energetico di un elettrone oscilla in “avanti”, il punto energetico dell’altro elettrone oscilla “indietro” e quando il punto energetico di un elettrone oscilla a sinistra, il punto energetico dell’altro elettrone oscilla a destra. I due elettroni che disegnano lo stesso orbitale, inoltre hanno spin opposto. Sappiamo che se si ruota di novanta gradi un elettrone, s’inverte lo spin. Ipotizziamo che lo spin dell’elettrone dipenda dall’inclinazione dell’oscillazione magnetica che può essere ruotata di novanta gradi (figura 21).  

Figura 20. Rappresentazione di due elettroni intrecciati (entangled). Si può notare il diverso orientamento dei vettori magnetici. Essi risultano ruotati di novanta gradi. I vettori elettrici e magnetici, inoltre, oscillano in opposizione di fase.

Due elettroni intrecciati (entangled) con la stessa forma di orbitale, formano il “legame armonico fondamentale”.

Il tipo di orbitale dipende dal numero di armoniche o lobi. Il numero di armoniche (o lobi) nell’orbitale di tipo “s” è uno; il numero di armoniche nell’orbitale di tipo “p” è due; il numero di armoniche nell’orbitale di tipo “d” è quattro; i numeri di armoniche nell’orbitale di tipo “f” sono otto e sei.

Le armoniche degli elettroni amano “intrecciarsi” cercando di realizzare il “legame armonico fondamentale”. Le armoniche degli elettroni, inoltre si dispongono attorno al nucleo in un ordine preciso che è stato attentamente studiato e che è stato ricavato da soluzioni dell’equazione di Schroedinger. Nel prossimo scritto analizzeremo la struttura dell’atomo e i legami armonici.

L’elettrone può essere accelerato da un campo magnetico e muoversi libero nello spazio. In questa circostanza, il moto oscillatorio cessa. Cresta e ventre non si sovrappongono oscillando avanti/dietro ma si susseguono lungo la linea di moto in “avanti”. L’elettrone può muoversi descrivendo un’onda generata all’energia della frequenza fondamentale. Se l’energia aumenta, raddoppia la velocità del punto energetico e raddoppia la velocità di moto dell’elettrone. L’elettrone, in questa circostanza si sta muovendo al secondo livello di energia. Osserviamo le due immagini in basso. Sono illustrate le oscillazioni di un elettrone in moto al primo livello e di un elettrone al secondo livello. Il primo elettrone nel tempo “T” compie un’oscillazione. Il secondo elettrone nello stesso tempo “T” compie due oscillazioni. Il secondo elettrone realizza salti quantistici alla velocità doppia del primo (figura 22).

Figura 22. Rappresentazione di due elettroni che si muovono nello spazio al primo e al secondo livello di energia. Nello stesso tempo in cui il primo compie un’oscillazione, il secondo ne compie due di uguale ampiezza e intensità.

1 pensiero su “La struttura delle particelle elementari

  1. Ciao Salvatore.Nessun esperimento,ad oggi,ha dimostrato che l’elettrone abbia una struttura complessa.Anzi, tutto sembra dimostrare che esso sia elementare,cioe che non abbia,una struttura interna ,tanto meno complessa.Il fotone si muove, sempre , alla velocita’ della luce. L’elettrone non puo’, mai, muoversi alla velocita’ della luce.
    l’elettrone ha carica elettrica,il fotone,no.
    Voglio dire che ,sono essenzialmente, due entita’ distinte,non legate tra loro.
    Andrea Minissale. Ciao. A presto.

Lascia una risposta

L'indirizzo email non verrà pubblicato.