LA ROTTURA DI UNA SIMMETRIA

Al riguardo si è discusso e si discute molto, tendendo spesso all'interdisciplinarietà, in quanto il fenomeno è un mistero in tutti i campi in cui si manifesta.
Si parla soprattutto di fisica in questo intervento di Elena Castellani.

 "Perché una simmetria si spezza? Perché i sistemi naturali devono essere stabili: devono conservare la loro forma anche quando li si perturba. Uno spillo posato orizzontalmente su un tavolo è stabile: in verticale sarebbe instabile e cadrebbe al minimo soffio. Curie aveva ragione affermando che sistemi simmetrici devono evolvere verso stati simmetrici, ma sbagliava nell'omettere considerazioni di stabilità.

Quando uno stato è instabile, il sistema evolve verso un altro stato meno simmetrico. In particolare, l'esistenza di alberi dalla corteccia elicoidale non deve sorprendere: se i solchi perfettamente cilindrici corrispondessero a una crescita instabile, allora perturbazioni anche di entità minuscola potrebbero spezzare la simmetria, e apparirebbe la simmetria elicoidale. Riuscite a pensare ad altri esempi di rottura di simmetria? Ne indico alcuni alla fine dell'articolo.

Vi propongo anche di meditare sul problema seguente: le tigri hanno corpo e coda striati, mentre i leopardi hanno il corpo macchiettato e la coda striata. È possibile che un animale abbia la coda a macchie e il corpo a strisce? Che cosa c'entrano le tigri con le rotture di simmetria?Le rotture di simmetria si manifestano in alcuni semplici esperimenti.

Appendete verticalmente un tubo cilindrico, con l' apertura verso il basso, e fatevi scorrere dell' acqua. Il sistema è simmetrico intorno all' asse centrale del tubo e, quando l'acqua scorre lentamente, la simmetria cilindrica è conservata. Tuttavia, se si aumenta la portata, il tubo comincia a oscillare. Esistono due tipi di oscillazioni: quelle che si osservano dipendono dalla lunghezza e dalla flessibilità del tubo. In certi casi, il tubo oscilli lateralmente a guisa di pendolo; in altri, gira su se stesso, spruzzando l' acqua a spirale.

Questi movimenti non hanno la simmetria cilindrica del sistema iniziale; essi corrispondono a due tipi di rottura di simmetria. In questo fenomeno appare inoltre una rottura di simmetria meno visibile ma molto importante: quella relativa al tempo. Inizialmente il flusso d'acqua è costante, ma quando oscilla non lo è più.

La simmetria in rapporto al tempo non va completamente perduta perché i due tipi di movimento sono periodici: lo stato del tubo è invariante in istanti separati da multipli interi del periodo. La simmetria temporale continua dello stato stazionario si è ridotta a una simmetria periodica. La rottura di simmetria genera strutture stupefacenti.

Così, sul terreno si osservano a volte bizzarre formazioni di ciottoli, in reticoli a nido d'ape. Perché? Supponiamo che i ciottoli siano inizialmente distribuiti sul fondo di un grande lago ghiacciato poco profondo. Il calore solare genera correnti nell'acqua, perché riscaldando il lago rende l'acqua superficiale più densa e quindi pesante di quella presente sul fondo (questo fenomeno di "appesantimento", caratteristico dell' acqua, avviene alla temperatura di circa 4 gradi Celsius).

Tuttavia un grande lago è quasi invariante per traslazione in tutte le direzioni orizzontali e per le rotazioni nell'asse verticale; senza rottura di simmetria, le correnti dovrebbero avere queste stesse simmetrie: non ci sarebbe alcun movimento d' acqua e il calore fluirebbe solo per conduzione.

Di fatto, il riscaldamento del lago crea una corrente d'acqua che è possibile riprodurre in una padella: versatevi un po' d'acqua (il lago) e ponetela sul fornello (il Sole). Che cosa vedete quando vi lasciate cadere qualche goccia di inchiostro con una siringa? Appaiono strane strutture a cella, perché l'acqua calda tende a risalire e quella fredda a scendere; poiché lo strato più caldo presso il fondo è intrappolato sotto quello più freddo superficiale, la situazione è instabile e appaiono moti convettivi: l' acqua calda risale in alcune zone e quella fredda scende in altre.

Le celle di liquido in movimento sono "celle di Benard"; a volte hanno la forma di rulli paralleli, e a volte sono celle esagonali. In una padella reale, la simmetria iniziale è solo approssimativa, e le celle non sono perfettamente esagonali, ma in una padella infinita e ideale la struttura è perfetta. Le simmetrie sono molte, ma comunque in numero minore che nello stato stazionario iniziale.

La realtà è dunque più complessa di quanto indichi il principio di simmetria (diciamolo: Curie lo sapeva e prevedeva le critiche che gli faccio). Dobbiamo piuttosto adottare un principio di simmetria modificato: un sistema simmetrico adotta stati di simmetria identici, salvo quando li adotta diversi! Curie aveva dunque sempre ragione, salvo quando aveva torto?
Certamente, ma la battuta nasconde un concetto più profondo, che viene in luce quando si analizzano le condizioni nelle quali si ha rottura di simmetria.
Precisiamo prima di tutto che cos'è una simmetria, con l'aiuto del concetto matematico di gruppo. "