Che diavolo è un bosone?

Che le particelle siano strane non è proprio una novità. Ad esempio, si comportano (in un certo senso) come se girassero come una trottola. Però non si stanno muovendo affatto. E anche se lo facessero, a provare ad immaginare come lo fanno probabilmente ci si scioglierebbe il cervello, tanto è inconcepibile. Fortunatamente c’è però una proprietà che misura questo trottolare (anche se nulla si sta muovendo) e si chiama “spin”.

Alcune particelle si comportano allo stesso modo, non importa come le ruotiamo: quelle hanno spin 0. Altre ci si accorge quando vengono ruotate, e tornano esattamente uguali dopo un giro completo, come una trottola, hanno spin 1. Altre ancora tornano uguali dopo solo mezzo giro (quindi nient’affatto come una trottola): hanno spin 2. E così via.

La prima sfera è come una particella di spin 0 ed è sempre uguale, indipendentemente da quanto la si ruota, la seconda è come avesse spin 1 e torna uguale ruotandola di un giro completo, la terza torna uguale dopo mezzo giro, come una particella di spin 2.

Ma alcune particelle hanno tutto un altro livello di stranezza: sono particelle di spin 1/2, che tornano le stesse solo dopo aver fatto due giri completi. Tutti gli elettroni, i protoni e i neutroni in tutti gli atomi, tutti i quark ovunque nell’universo hanno spin 1/2.

Questo gruppo di particelle sono i fermioni. Una regola della meccanica quantistica, chiamata principio di esclusione, dice che due fermioni non possono mai essere esattamente nello stesso stato quantistico. Questo è quello che impedisce agli atomi di sciogliersi nel caos. In fondo, il principio di esclusione è il filo che tiene l’ordine dell’universo sospeso su un baratro di particelle indistinguibili.

Questa si può chiamare una sorgente a base di fermioni di radiazione di bosoni. Credit: pexels/pixabay

Le particelle con spin intero (0, 1, …) non hanno questa seccatura. Possono attraversare il mondo quantistico fregandosene di quello che fanno le loro sorelle. Se diversi fotoni (spin 1) uscissero contemporaneamente da un laser infinitamente piccolo sarebbero esattamente nello stesso stato quantistico.

I fotoni non escono da un laser esattamente allo stesso tempo, e non sono proprio nello stesso identico posto. Ma in linea di principio potrebbero esserlo, i fermioni no. CC-BY-SA Andrea Pacelli/flickr

Questo gruppo di particelle sono i bosoni. Il loro mestiere spesso è colpire altre particelle, facendo loro “sentire” un’interazione. I fotoni trasportano interazioni elettromagnetiche, il bosone di Higgs comunica il meccanismo di Higgs, che dà massa alle particelle, come spiega in questo video Don Lincoln del Fermilab (un po’ datato, ma comunque accurato).

Se, invece che con uno di questi “campi”, le particelle interagiscono tra loro, si scambiano bosoni “virtuali”, che vivono pochissimo, ma quella è un’altra storia.

E quindi, se ve lo state chiedendo, ognuno di noi è 0% bosoni.

Per saperne di più
  • Il grande Veritasium ha fatto un bel video spiegando meglio cos’è lo spin.

Cover photo: CC0 Pexels/Pixabay

Cerchi, cerchie e Pi Day

Il 14 marzo (3/14 nel calendario anglosassone) è Pi Day, la giornata mondiale del pi greco. Durante questa buffa festività, i nerd della scienza di tutto il mondo fanno operazioni inutilmente complicate e mangiano torte (in inglese, si legge “pài” sia il numero che pie, torta) per festeggiare che il rapporto tra circonferenza e diametro di ogni cerchio è 3.14152653… Da fuori può lasciare disorientati, ma è un po’ quello il punto.

Pi Day ha diverse ragioni, credo: Pi è un ottimo simbolo per la scienza, è un simbolo incredibilmente inclusivo ed unificante, ed è la cosa perfetta da trasformare in una festa nerd.

Iniziamo dal suo valore simbolico. Pi è molto riconoscibile, perché un po’ tutti ci si sono imbattuti ad un certo punto della propria istruzione. Questo vale anche per molte importanti costanti fisiche e matematiche. Tuttavia, le costanti fisiche non sono proprio assolutamente costanti (il loro valore dipende dalle unità di misura), in più sono spesso sgradevolmente grandi o piccole.

Le costanti matematiche, invece sono solo numeri, come 0 e 1. Perché non celebrare uno di questi due eccellenti numeri invece? Beh, perché Pi ha più spessore. Nessuno conosce tutto Pi perché è una sequenza infinita e sempre diversa di cifre. I numeri irrazionali come Pi (o la sezione aurea, e, o la radice di 2) sono tutti sfuggenti ed affascinanti, ma nessuno si può festeggiare quanto Pi.

Intanto, pochi (se ce ne sono) si possono scrivere come una data. Poi, nessuno è famoso come Pi, che è dannatamente onnipresente: dalla geometria che si fa a scuola alla meccanica quantistica, dal pendolo alla teoria dei numeri e della probabilità.

La sua ubiquità dimostra come i cerchi entrino proprio ovunque nella scienza: che qualcosa coinvolga veri cerchi (o sfere) o la trigonometria (nient’altro che cerchi ”travestiti Studenti di una scuola ordinati per altezza in un vecchissimo esperimento: seguono la caratteristica forma a campana della gaussiana.[/caption]

La gaussiana, in realtà, è la maniera ninja dei cerchi per intrufolarsi di nuovo sulla scena (per via di dettagli nei calcoli con cui non vi annoierò). E troviamo traccia del loro passaggio, indovina un po’, grazie a Pi.

Insomma, questo fantastico numero è ugualmente familiare ai matematici, come ai fisici, agli ingegneri, e a tutti gli scienziati, che lo usano quotidianamente. Allo stesso tempo, Pi compare quasi solo in contesti scientifici. Quindi, come simbolo, include tutte le branche della scienza, niente di meno, ma neanche niente di più.

Questo è anche il motivo per cui è ottimo materiale per una festa nerd. John Green ha dato una delle mie (pressappoco) definizioni preferite di “nerd”:

I nerd come noi possono essere entusiasti, senza ironia, delle cose. I nerd possono amare le cose, tipo saltare-su-e-giù-sulla-sedia amarle. Quando qualcuno chiama qualcun altro nerd, quello che stanno dicendo è più che altro “a te piacciono cose”, che non è per niente un insulto. Come dire “tu sei troppo entusiasta del miracolo della coscienza umana”.

Perciò cos’è più nerd che celebrare il fatto che una data si scriva come il rapporto tra circonferenza e diametro di un cerchio? Insomma, la festa non riguarda Pi, ma piuttosto incontrarsi, mangiare torte e trovare nuovi e creativi modi di calcolare questo numero sfuggente.

Come Natale in realtà parla di amore e famiglia, il Pi Day in realtà parla di comunità, di identità nerd, e di essere entusiasti, senza ironia, della scienza e della matematica. Non ci sono tanti giorni così, teniamoci buono questo.

Cover photo: CC-BY Bill Ward/flickr

Le superfici auto-pulenti

Per secoli abbiamo avuto sotto il naso (almeno quelli di noi che hanno foglie di loto attorno) il segreto per superfici perpetuamente antimacchia. Ma grazie alla fisica stiamo scoprendo come non pulire mai più, non importa cosa rovesciamo.

La chiave di tutto è come fa l’acqua ad attaccarsi, insomma, come fa la roba a bagnarsi.

Le molecole d’acqua sono fatte di idrogeno ed ossigeno. L’ossigeno ama gli elettroni e costringe i piccoli idrogeni che ha attorno a passarglieli. In questo modo la molecola acquista una piccola carica elettrica negativa da un lato ed una positiva dall’altro.

La densità media degli elettroni in una molecola d’acqua. L’ossigeno ci tiene ai suoi ed è avido di quelli degli altri, perciò tende ad avere più carica attorno. credit: Lawrence Livermore Laboratory

Avvicinandosi ad una superficie dal lato dell’ossigeno, la molecola d’acqua spinge un pochino via gli elettroni del materiale della superficie (e l’opposto avviene se si avvicina dal lato dell’idrogeno). La superficie prende temporaneamente una piccolissima carica opposta, che attrae immediatamente l’acqua. Insomma, la roba si bagna per via dell’elettricità.

CC-BY-NC-ND Thomas, via Flickr.

Ma le molecole d’acqua stanno attaccate anche tra loro. Se questa forza è più forte di quella che le attacca alla superficie, si appallottolano in una gocciolina e rotolano via. I materiali che creano questo fenomeno si chiamano idrofobici, che significa “ che temono l'acqua“… anche se sarebbe più corretto dire che è l’acqua a temerli!

Rivestimenti speciali, come quelli delle padelle antiaderenti possono rendere una superficie idrofobica. Ma c’è una via migliore— quella della fisica

Prendete una foglia di loto: è coperta di gobbette e creste, piccole fino a pochi atomi. Le gocce d’acqua non hanno abbastanza contatto da potersi attaccare bene, perché toccano solo la cima di poche gobbette. Semplificando un po’, questo fa sì che la coesione all’interno della goccia “vinca”, tenendola appallottolata. Rotolando via, poi, raccatta tutto lo sporco che trova.

Uno schemino di come una goccia d’acqua sta sulla microstruttura di una foglia di loto.

Studiando queste foglie, gli scienziati hanno scoperto il trucco e l’hanno usato per creare materiali con gobbette e creste simili. Con questi materiali che non si bagnano e non si sporcano mai si possono fabbricare strumenti chirurgici che non si sporcano di sangue o gabinetti che non serve pulire, risparmiando acqua in posti dov’è scarsa.

Per saperne di più
  • Questo post è parte di una serie in corso sulle forze molecolari e come si bagnano le cose. Trovate gli altri episodi qui
  • In realtà, anche la forma delle gocce d’acqua è importante: le foglie di loto, col vapore, si bagnano tantissimo
  • Leggendo in giro ho trovato questo coltello idrofobico che taglia l’acqua. Che figata è?!

 

Foto copertina: CC0 yang pin/pixabay

Il jazz e l’atmosfera degli esopianeti

L’atmosfera di un pianeta è la chiave per renderlo abitabile, perciò dovremo studiarle bene per scoprire se i pianeti che scopriamo sono abitabili. Gli esopianeti sono troppo lontani per mandarci delle sonde, come facciamo con Marte o le lune di Giove, ma comunque gli scienziati possono studiarle da qua, guardando a come bloccano la luce.

Quando la luce infrarossa (le invisibili onde elettromagnetiche che trasportano anche il calore) colpisce gli atomi di una molecola, li fa vibrare. Però gli atomi non possono muoversi come gli pare, perché sono legati ai loro vicini. A seconda di come sono disposti e legati i suoi atomi, ogni molecola vibra in un modo particolare, e molecole fatte diversamente vibrano diversamente. Ognuna assorbe la luce della stessa frequenza delle vibrazioni dei suoi atomi (le cosiddette frequenze risonanti) e lascia passare il resto.

Quanta luce di varie frequenze passa attraverso un campione di materiale. Ognuno dei “buchi” nel grafico è luce bloccata da qualche vibrazione di questa molecola (chiamata pentene). Quelli colorati corrispondono a vibrazioni che gli scienziati hanno identificato. credit: MSU.edu

È un po’ il contrario di quello che fanno gli strumenti musicali coi suoni. Gli strumenti producono solo suoni solo alle frequenze che risuonano con la loro forma. La combinazione di quei suoni costituisce la voce tipica dello strumento.

Un grafico di quanto intenso è il suono che produce una chitarra a varie frequenze (pomposamente chiamato spettrogramma). Rovesciandolo, assomiglia un po’ al grafico della luce assorbita da una strana molecola. credit: chandrakantha.com

Anche quando suonano la stessa nota, sappiamo distinguere il suono di una chitarra da quello di una tromba. Allo stesso modo, gli scienziati distinguono tra loro le molecole guardando quale luce lasciano passare e quale no.

Tatyana Kazakova/pixabay

Per studiare l’atmosfera di un esopianeta, gli astronomi misurano com’è la luce della stella attorno a cui ruota. Poi la misurano di nuovo quando il pianeta ci sta passando davanti: la luce ora appare “filtrata” dall’atmosfera del pianeta.

Proprio come un orecchio esperto può riconoscere gli strumenti che suonano in un’orchestra, gli scienziati possono ricostruire tutte le molecole nell’atmosfera di un pianeta guardando alla luce mancante.

Che sia vero o no che nel jazz contano le note che non si suonano, la ricerca di vita nell’universo dipende certamente dalla luce che pianeti lontani non stanno suonando.

Per saperne di più

Cover photo: CC0 Ahkeem Hopkins/pixabay

Banchi di robot seguono la corrente e svelano i misteri dell’oceano

Il 70% della superficie terrestre è coperta dagli oceani. Eppure, rimangono un mistero: abbiamo mappe più dettagliate della superficie di altri pianeti che del fondo del mare, e sappiamo ancora meno dei meccanismi in moto nell’intricato sistema oceanico.

Un team interdisciplinare dell’Istituto Scripps di oceanografia della University of California, San Diego (UCSD) ha dimostrato che banchi di piccole sonde robotizzate ed autonome possono scrutare le acque, facendo luce sulle interazioni tra la fisica dell’oceano e la vita che lo abita.

Il gruppo, guidato dagli oceanografi Peter Franks e Jules Jaffe, ha sviluppato dei piccoli robot sottomarini, chiamati M-AUE (abbreviazione di Miniature Autonomous Underwater Explorer, o Esploratori Sottomarini Autonomi Miniaturizzati): tozzi cilindretti di plastica (lunghi circa 20 cm per un volume totale di circa 1.5 litri), equipaggiati con un gran numero di sensori.

Uno dei robot utilizzati nella ricerca pronto per l’azione (sopra) e tutto il suo contenuto (sotto). CC-BY Nature

I robot possono muoversi in su e in giù cambiando quanto galleggiano, ma altrimenti vanno alla deriva con la corrente. Però registrano la propria posizione di continuo, grazie ad un’ingegnosissima versione sottomarina del GPS (perché quello normale non arriva sott’acqua), in cui ricevono segnali acustici da speciali boe invece che dai satelliti.

Il primo caso che questi piccoli detective degli abissi si sono visti assegnare era l’origine delle maree rosse: crescite esplosive di alcune alghe microscopiche che normalmente fanno parte del plankton. Quando crescono fuori controllo, queste alghe formano dense chiazze rosse o marroncine—da cui il nome di marea rossa—e avvelenano l’acqua, uccidendo animali (dagli uccelli ai pesci, fino ai lamantini) e, talvolta, mettendo in pericolo le persone.

Secondo Franks, le chiazze affollate sono una delle chiavi dell’esplosione, perché aiutano le alghe a trovare partner con cui accoppiarsi, un po’ come i locali per single.

Una marea rossa in Angola. credit: G.C. Pitcher, S. Bernard and J. Ntuli/ESA

Circa vent’anni fa, Franks aveva proposto un modello secondo cui le chiazze si sarebbero formate quando dei processi fisici nell’oceano avessero interagito in modi particolari con le alghe. Siccome seguire singolarmente miriadi di microorganismi in mare aperto è impossibile, l’ipotesi era rimasta tale. Fino ad ora. I M-AUE possono imitare il movimento delle alghe, e i loro spostamenti vengono registrati di continuo. Così i ricercatori ne hanno liberati 16 in un’area di circa 300m di diametro lungo la costa californiana, li hanno programmati per nuotare come alghe (cioè mantenendo una profondità fissa), poi ne hanno analizzato i vagabondaggi.

Proprio come aveva previsto il modello, i robot si sono raggruppati in chiazze, spinti dalle onde interne—enormi, lente onde che scorrono sott’acqua, invisibili dalla superficie. Le creste delle onde schiacciano lo strato d’acqua in cui si trovano i robot, raccogliendoli nei ventri, e formando gli stessi motivi che si vedono nelle maree rosse. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature communications.

Secondo Jaffe, questo primo successo non è che l’inizio: “Penso che sciami di veicoli capaci di misurare dati dell’oceano in 3D per lunghi tempi siano il futuro delle misure oceanografiche”. I M-AUE sono relativamente economici, quindi possono essere usati in grandi numeri per osservare vaste porzioni di oceano in una volta sola. Questo farà capire meglio come funzionano le correnti locali, per controllare le maree rosse ma anche, ad esempio, per contenere perdite di petrolio.

Banchi compatti di M-AUE muniti di idrofoni (microfoni subacquei) potrebbero ascoltare i rumori degli abissi—dalle canzoni delle balene ai segnali delle scatole nere di aerei dispersi. “La densità di ricevitori è importantissima per individuare la provenienza di un suono e creare una registrazione utile”, dice Jaffe. In più, M-AUE alla deriva non hanno la corrente che scorre loro contro, rovinando la registrazione come il vento su un microfono.

Dalle correnti alla vita in fondo al mare, sembra che esploreremo i misteri dell’oceano con gli occhi di piccole flotte robotiche.

Foto copertina: CC0 Jeremy Bishop/unsplash

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Cos’è un pianeta abitabile

Giusto pochi giorni fa, la NASA ha annunciato la scoperta di ben sette pianeti rocciosi di dimensioni simili a quelle della Terra in orbita attorno alla piccola stella TRAPPIST1, tre dei quali sembrano essere nella “zona abitabile”. Insomma, abbiamo trovato la casa degli alieni?

 

No. Però i termini ingannano, quindi facciamo un po’ d’ordine su cosa serve ad un pianeta abitabile.

Sui pianeti troppo vicini alla stella fa troppo caldo e l’acqua evapora, su quelli lontani fa troppo freddo e congela. Solo quelli in mezzo possono restare bagnati al punto giusto. credit: NASA/JPL/Caltech

L’acqua liquida è la base di tutto. Tutta la vita che conosciamo—dai batteri ai gatti, dalle carote a Lionel Messi—dipende da reazioni chimiche che succedono solo in acqua. Niente acqua liquida, niente vita.

La “zona abitabile” di una stella è la fascia di spazio intorno in cui un pianeta può aver acqua liquida in superficie. Più vicino e il calore della stella friggerebbe il pianeta con tutta l’acqua (pensate a Mercurio), più lontano e tutta la superficie congela (pensate a Plutone).

Ora serve una superficie su cui mettere quest’acqua. Ecco perché i pianeti rocciosi sono interessanti: senza una superficie rocciosa, l’acqua non può raccogliersi. Di nuovo, niente acqua, niente vita.

Tuttavia, la location non è tutto: l’atmosfera conta moltissimo. L’atmosfera della Terra mantiene l’acqua sul pianeta e le temperature miti (per gli standard planetari). Ne avessimo meno, rischieremmo di diventare Marte, che è nella zona abitabile ma è un gelido deserto, dove l’acqua è più che altro una fanghiglia assassina. Ne avessimo di più e potremmo di diventare Venere (pure quello nella zona abitabile) che è praticamente l’inferno, laghi di piombo fuso e piogge di acido comprese. I venti nell’atmosfera possono anche favorire l’abitabilità di certi esopianeti.

Poi bisogna tenersela, l’atmosfera. La Terra ha un comodo campo magnetico che deflette parte delle radiazioni del Sole. Marte probabilmente aveva un’atmosfera, quando aveva anche oceani, ma non ha un campo magnetico. Atomo per atomo, il costante flusso di energia e particelle dal Sole l’ha letteralmente erosa. Persa l’atmosfera, anche l’acqua se n’è andata. Niente acqua, niente vita.

La scoperta, immortalata nel doodle di Google

I pianeti scoperti attorno a TRAPPIST1 non sono importanti perché potenzialmente abitabili (anche se promettono bene), ma perché TRAPPIST1 è la prima stella del suo genere che studiamo e subito abbiamo trovato diversi pianeti promettenti. Questo vuol dire che dovrebbe essere relativamente facile trovare pianeti interessanti attorno a quel tipo di stelle, il che moltiplica le possibilità di trovarne di davvero abitabili.

In più sono vicini alla Terra (“solo” 40 anni luce), quindi possiamo studiare le loro atmosfere con telescopi che abbiamo a disposizione oggi o con il telescopio James Webb, che sarà lanciato l’anno prossimo. Così possiamo fare allenamento per la moltitudine di pianeti che troveremo in futuro.

Per ora, come al solito, niente alieni.

Per saperne di più
  • Il post ha provato a raccogliere le risposte ad un po’ di domande tipiche sul tema
  • Ve lo ricordate quanto casino quando avevano trovato il primo esopianeta grande come la Terra in una zona abitabile? Stavolta tre in un colpo.
  • La NASA ha messo assieme una quantità di informazioni, illustrazioni, e pure un’app a riguardo. Trovate tutto qui
  • La star del gruppo è questo video a 360° fenomenale (visione a schermo intero altamente consigliata!) di come sarebbe stare su TRAPPIST1d

 

Foto copertina: CC0 David Mark/pixabay.com

Il drago assetato e altre magie della capillarità

Il magnifico drago spinoso. Credit: wikimedia

C’era una volta un drago che viveva nel deserto ed amava mangiare formiche. Ne era così ghiotto che per loro rinunciò all’abilità di bere, rendendo la propria bocca ottima per mangiare ma incapace di prendere sorsi.

Al suo posto aveva imparato qualcosa di meglio: come strappare acqua dalla sabbia stessa evocando una forza più potente della gravità.

È una storia vera: il drago (o diavolo) spinoso è una maestosa lucertola australiana di 20cm circa. Un recente studio ha rivelato che, per bere, usa un sofisticato sistema di stretti canali che partono dai suoi piedi, risucchiano l’acqua dal terreno e, facendosi largo tra le scaglie della sua pelle, gliela portano direttamente in gola.

La forza che sfrutta l’abbiamo imparata a domare anche noi, per miracolose tecnologie quali… ehm… lo scottex!!

Seriamente, però, la carta assorbente può succhiare l’acqua battendo la gravità. E siccome niente sta spingendo l’acqua in su, è sostanzialmente stregoneria. Scientificamente parlando, si chiama capillarità, ed è affascinante.

Probabilmente avrete notato che l’acqua si attacca alle cose. Scientificamente parlando, le bagna. Ma l’acqua sta anche attaccata a se stessa, ed è la combinazione di queste due cose che fa funzionare la capillarità.

È un po’ come tener su un’amaca. La rete sta assieme per come è fatta, è tenuta sospesa dai pali a lato, e scende nel mezzo, trascinata dal proprio peso. Nel caso di un tubo con l’acqua, le pareti del tubo fanno la parte di tanti paletti attorno all’amaca della superficie dell’acqua.

L’acqua in un capillare è come l’amaca, solo che i paletti intorno crescono un po’. credit: Stefanie Laubscher/pixabay

L’acqua ha un’importante differenza dalla rete: si attacca da sola alle pareti del tubo. Perciò può arrampicarsi (un pochino) sulla parete. Questo è il motivo per cui la capillarità è più forte in tubicini stretti, in cui le pareti laterali sono molto vicine. In pratica, la distanza tra i “pali” a lato dell’amaca è piccola, quindi la tela scende meno nel mezzo.

Un pezzo di carta da cucina e il suo labirinto di piccoli tubi visti al microscopio.. credit: Mattheyses Lab/Emory University

Anche se sembra un po' più prosaico, anche la carta assorbente funziona così. Nella sua trama si nasconde un’intricata rete di sottilissimi tubicini attraverso cui si arrampica l’acqua. Un po’ di magia dragonesca nelle nostre cucine.

Per saperne di più
  • Le forze con cui l’acqua si attacca alle cose si chiamano forze di van der Waals. Sono una figata, ma meritano un post tutto loro.
  • Ok, ora abbiamo capito come fare qualcosa che si bagna un sacco. Si può fare anche il contrario? Sì, rimanete sintonizzati!!

Cover photo: CC0 Tom Mathews/pixabay

2 domande difficili sulle onde gravitazionali (con cagnolini!)

Sembra ieri, ma è già passato un anno da quando gli scienziati di LIGO hanno annunciato di aver trovato le sfuggenti onde gravitazionali, che stirano e comprimono lo spazio (anche se di poco) al loro passaggio.

Ma cosa vuol dire “stirano e comprimono lo spazio”? e come si misura una roba del genere? Per rispondere a queste importantissime, difficilissime domande, mi serve un po’ di pucciosità.

Che vuol dire stirare e comprimere lo spazio?

Ho avuto problemi anche io con questa domanda. Farò il possibile, e se sbaglio mi corrigerete.

Prendiamo un universo adorabile, in cui tutto lo spazio è la foto di questo cagnolino:

credit: Torsten Dettlaff/pexels.com

Che caruccio. Se comprimiamo lo spazio in una direzione, accorciamo tutte le distanze in quella direzione, schiacciamo letteralmente tutti i punti uno contro l’altro. Così:

Qui è importante notare che abbiamo compresso le distanze, ma non abbiamo tagliato via nulla. Il cagnolino è ancora tutto lì, solo che le sue orecchie sono un po’ più vicine. Tutto l’universo con cui eravamo partiti è ancora lì.

Le onde gravitazionali comprimono pezzetti di spazio e ne stirano altri. Un po’ come fare così¹:

In pratica, stirare una porzione di spazio significa allontanare tutto in quello spazio da tutto il resto, proporzionalmente.

Inutile a dirsi, lo spazio-tempo è più complesso dei cagnolini, ma l’idea è più o meno quella.

Come si misura una modifica dello spazio stesso?

Se tutte le lunghezze cambiano allo stesso modo, non si può usare un righello per misurare un cambio dello spazio, perché cambia anche lui allo stesso modo. Per spiegare come si fa mi potrebbe servire un pochino di matematica. Prometto che non farà male e ci saranno i cagnolini.

Diciamo di avere due cagnolini perfettamente identici², Brian e Stella.

credit: Chiemsee2016/pixabay

Lanciamo a ciascuno una pallina da riportare, che atterra a 50m da noi. Questi cuccioli corrono costantemente a 10 metri al secondo (cagnolini veloci…), perciò ognuno ci mette 10 secondi a riportare la propria pallina: 5 per raggiungerla, altri 5 per tornare indietro.

Come respirano Stella e Brian mentre corrono per riportare la pallina. Siccome fanno percorsi lunghi uguali e partono uguali, tornano perfettamente sincronizzati.

Questi sono cagnolini speciali, che respirano molto regolarmente una volta ogni due secondi (un secondo di aria in dentro, un secondo in fuori). Perciò, se entrambi partono mentre stanno inspirando, nel tempo che ci mettono a riportare la pallina, ognuno avrà respirato esattamente 5 volte (una ogni due secondi), ed entrambi arrivano che stanno espirando.

Bravi cani!

Ok, ora lanciamo di nuovo una pallina. Però arriva un’onda gravitazionale incredibilmente intensa, che stira il percorso di Brian a 100m e comprime quello di Stella a 25m. Se partono di nuovo esattamente nello stesso istante, inspirando e correndo alla stessa velocità, non torneranno più assieme. Stella torna per prima, dopo 5 secondi (metà del tempo di prima, perché ha metà del percorso), ed arriva inspirando, mentre Brian torna dopo 20 secondi e sta espirando.

Come cambiano le cose se un’onda gravitazionale stira il percorso di Brian e accorcia quello di Stella. Lei ha meno distanza da percorrere e respira meno volte, perciò tornano indietro sfasati.

Ed è così che capiamo che lo spazio è cambiato. Dal fatto che i due cagnolini identici tornano indietro diversamente capiamo che i percorsi sono cambiati.

I veri cani, ovviamente, non respirano così regolarmente e non cambiano velocità istantaneamente. Neanche quelli super-addestrati. Ma sapete cosa si comporta esattamente così? La luce. La luce viaggia sempre esattamente alla stessa velocità, ed ogni “colore” ha una frequenza costante (“respira” regolarmente nel tempo).

LIGO funziona mandando serie di “cagnolini laser” perfettamente identici avanti e indietro lungo due percorsi perfettamente identici, e misurando qualsiasi microscopica differenza nel loro respiro (la fase delle onde luminose) al loro ritorno.

Bonus (senza cagnolini): il laser di LIGO non dovrebbe subire un redshift o blueshift?

Sì, dovrebbe proprio. Come lo stiramento dello spazio tra noi e galassie sposta la luce che ci arriva da loro verso il rosso, così il passaggio delle onde gravitazionali dovrebbe cambiare la lunghezza d’onda del laser di LIGO.

Però, nonostante gli sforzi degli scienziati, i laser di LIGO hanno lunghezze d’onda entro un certo intervallo. È un intervallo strettissimo—tipo tra 1063.99999999999999999nm e 1064.00000000000000001nm—ma comunque le onde gravitazionali le cambiano di 10 volte meno, quindi è impossibile vedere l’effetto.

In più, l’effetto che hanno sul tempo che serve alla luce per attraversare il percorso è mooooolto più grande e “facile” da misurare.

Un enorme grazie alla mia amica Leila che mi ha pazientemente e gentilmente spiegato tutta questa roba cosicché io potessi spiegarla a voi.

Per saperne di più
  • Wow, a qualcuno piacciono davvero tanto le onde gravitazionali! Ho ancora qualche post a riguardo
  • Intanto Virgo—l’osservatorio italiano fratello di LIGO—ha aperto
  • … e Veritasium questo bel video su quanto dannatamente difficile fosse misurare le onde gravitazionali

 

Note:

¹Le onde gravitazionali funzionano in modo un po’ diverso. Quello è solo un esempio semplificato, non prendetelo troppo letteralmente.

²Questi non sono veri cagnolini, sono un esempio. Per l’amor del cielo, vi prego non prendete questa cosa letteralmente.

Foto copertina: CC0 Chiemsee2016/pixabay

Perché i razzi sono dipinti a quel modo?

Qualche mese fa, durante una pausa ad una conferenza, ho incontrato un’interessantissima giovane ingegnere*. Mi ha raccontato che lavorava per SpaceX (quelli di Elon Musk, coi razzi riutilizzabili), e in particolare nel team che si occupa di verniciare i razzi. Non abbiamo parlato a lungo, per cui mi è rimasta un po’ la curiosità: veramente serve un team di ingegneri per verniciare un razzo?

A quanto pare, è sempre servito.

Ai vecchi tempi, la vernice serviva per tener d’occhio il rollio del razzo (quando gira intorno al suo asse più lungo). Gli strumenti di bordo non riescono sempre ad essere precisi abbastanza, in mezzo alle incredibili forze del lancio, l’enorme accelerazione e tutto che vibra.

Invece, guardando il movimento di grandi schemi a strisce e scacchi bianchi e neri dipinti sulla fiancata, si poteva controllare semplicemente guardando dal centro di comando.

In più, diverse parti erano verniciate diversamente. Se qualcosa fosse andato storto durante il volo, i tecnici avrebbero potuto capire quali componenti erano all’origine del guasto. Solitamente, poi, il guasto causava l’esplosione del razzo, perciò avevano solo qualche secondo di filmati sgranati da analizzare. Avevano bisogno di tutto l’aiuto che potevano trovare.

Al giorno d’oggi l’ analisi computerizzata delle immagini è molto migliore (anche meglio degli umani probabilmente), e la verniciatura ha perso parte di queste funzioni. La NASA usa ancora schemi a volte, ma i più recenti razzi dell’ESA e di SpaceX sono semplicemente bianchi.

Un’immagine del 2009 di parte del razzo Ares della NASA. Quello schema a Z è utilissimo per evidenziare il rollio. credit: NASA

Un lancio dello shuttle Discovery, ora sapete perché il serbatoio è colorato. credit: NASA, via commons

Ma perché proprio bianchi? Perché i razzi devono stare un sacco di tempo fermi in quello che si spera essere bel tempo in posti solitamente caldi tipo la Florida. La vernice bianca aiuta a non far bollire il freddissimo carburante nel serbatoio. Tuttavia, quando non è strettamente necessario verniciarli, i serbatoi vengono lasciati “al naturale”. È il caso dello shuttle, che aveva un serbatoio famosamente arancione.

Ovviamente, la vernice che usano per i razzi non è quella che si trova in ferramenta. Deve poter stare accanto al carburante gelido, poi resistere al lancio, alle condizioni tostissime nello spazio, e infine all’estremo calore al rientro.

Nuovi materiali vengono elaborati di continuo, così come tecniche speciali per applicarli in modo che non si stacchino e non si brucino.

Ecco perché, per dipingere un razzo, servivano—e servono ancora—squadre di ingegneri, come quella simpatica ragazza che ho incontrato quella volta.

Per saperne di più
  • Se volete sapere più di quanto vi servirà mai sapere su SpaceX, c’è un subreddit per quello! Ci ho trovato diverse dritte utili per questo post
  • Come per tante altre cose di spazio, la NASA ha un’interessantissima pagina anche sulla vernice dei razzi
  • Perché si potrebbe volere del rollio in un razzo? Ve lo spiega Vintage Space!

 

*o ingegnera? Non lo so, per ora mi attengo al correttore ortografico

Cover photo: CC0 kaboompics/pexels.com

Wormhole: tunnel attraverso lo spazio

Storie di fantascienza come The Martian o Black Mirror parlano di tecnologie quasi a portata di mano, come andare su Marte. Altre volte è roba più azzardata: è il caso dei wormholes. Però, siccome la relatività generale non li vieta del tutto, continuano ad affascinare scienziati ed autori.

Un esempio di un wormhole che collega due regioni di uno spazio bidimensionale. credit: telegraph.co.uk

Un wormhole (letteralmente, buco di verme) è un tunnel spaziotemporale, una scorciatoia tra due regioni lontane dello spazio-tempo. Il film Interstellar aveva molti difetti, ma la fisica era quantomeno plausibile (grazie alla supervisione della star della fisica Kip Thorne). Infatti spiegano efficacemente l’idea del wormhole: prendete un foglio e piegatelo, poi fateci un buco. Avete creato un wormhole nel vostro universo di carta.

L’entrata, in teoria, dovrebbe avere l’aspetto di un buco nero, un buco in cui luce e materia spariscono per sempre. L’uscita sarebbe l’opposto: una sorgente eterna di luce e materia—un buco bianco. Attraverso un wormhole, si potrebbero coprire distanze immense in tempi relativamente brevi, ma probabilmente non viaggiare nel tempo*.

Quindi, esistono?

Di sicuro non possiamo costruirli. Fare un wormhole con la carta è carino, ma funziona solo perché il foglio ha due dimensioni mentre noi siamo a nostro agio con tre. Per creare un vero wormhole dovremmo lavorare in quattro dimensioni. Auguri.

È anche poco probabile che esistano grossi wormhole naturali. Prima di tutto, almeno vedere una volta un buco bianco darebbe qualche indizio in quella direzione, ma non è mai mai successo. Poi, per tenere aperto un wormhole abbastanza grande serve qualcosa che cambi la gravità da una forza che attrae le cose una verso l’altra ad una che le spinge via. E pure quello non si è mai visto.

Ad ogni modo, trovo fico che possiamo immaginare qualcosa di così assurdo e, grazie al potere della fisica, fare ragionamenti seri e fondati su come potrebbe o no funzionare, anche se non l’abbiamo mai visto.

Una simulazione di come apparirebbe un wormhole tra l’università di Tübingen (Germania) e le dune di Boulogne (Francia). CC-BY-SA CorvinZahn/Gallery of Space Time Travel, via commons

Per saperne di più
  • È pieno di spiegazioni più o meno accurate dei wormhole in giro. A me è piaciuta questa, piuttosto matematica, su Chalkdust
  • La NASA ha fatto un lavoro eccellente per dare risposte serie ad ogni genere di domanda sui wormhole su questa pagina
  • Secondo alcuni, i buchi neri sono l’entrata di wormhole per altri universi. Forse, forse no. I buchi neri sono ben strani!

* MINI SPOILER: Ok, in Interstellar, Cooper fa una specie di viaggio nel tempo. Ma quello succede solo all’interno di altre dimensioni: ci siamo già spostati nell’ambito della magia.

Foto copertina: CC0 Pexels/pixabay