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
  • 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

Malattie idee ed evoluzione

Capita a tutti di ammalarsi. E quando succede, c’è una certa probabilità di trasmettere la nostra malattia agli altri, che poi la trasmetteranno ad altri ancora e così via. Finché non passa l’ondata.

CC-BY Tina Franklin/flickr

Si può descrivere matematicamente come la malattia si diffonde. Per esempio, possiamo scoprire quanto contagioso deve essere un virus perché diventi una vera epidemia, o quali categorie di persone hanno più probabilità di venirci a contatto. O come l’ondata di ammalati spazzerà la popolazione.

Anche i computer spargono virus: qualcuno apre stupidamente un allegato e il loro computer si infetta. Il virus si replica e inizia a tempestare tutti i suoi contatti con email infette per diffondersi. Ma i computer spargono anche un altro tipo di infezione: idee.

Tutti quanti vediamo post e notizie sui social. Qualche volta, poi, condividiamo quello che abbiamo visto coi nostri amici, che potrebbero condividerlo coi loro e così via. Se si diffonde abbastanza, poi, quel puccioso video di gattini che abbiamo condiviso diventa… beh… virale.

Lo stesso modello matematico che descrive genericamente come si diffondono i germi nella rete dei nostri conoscenti lo si può usare pure su reti di computer o i social network. L’idea è esattamente la stessa.

C’è anche un’altra cosa che possiamo diffondere nella nostra popolazione: i nostri geni. Come le malattie e le bufale, anche i geni si spargono (col passare delle generazioni), in continua competizione per accaparrarsi le limitate risorse a disposizione. E come i geni, anche i post accattivanti e i virus mutano ed evolvono, cercando il modo più veloce di moltiplicarsi. Qualunque esso sia.

Prima della follia di PenPineappleApplePen, del Rickrolling, e di Doge—in realtà, molto prima di internet proprio—il famoso biologo Richard Dawkins coniò il termine meme. Descrive proprio quello che sono i memi su internet: “un’unità di imitazione culturale“, un elemento concettuale che si replica e diffonde nella popolazione, come fa un gene.

Sebbene le idee di base sulla diffusione di malattie e idee siano molto vecchi, il mondo reale è—come al solito— più complicato. Perciò matematici e fisici lavorano sodo per trovare descrizioni migliori e più realistiche, con cui difenderci meglio dall’influenza… ma anche dalle bufale.

Per saperne di più
  • Un team italiano ha pubblicato di recente un esempio di queste descrizioni più realistiche: una descrizione efficiente di virus e memi all’interno di intricate popolazioni.
  • Un articolo di uno scrittore un po’ nerd sulle epidemie non può dirsi completo se non si nomina almeno una volta Pandemia
  • Un paio d’anni fa, CGP Grey ha descritto piuttosto in dettaglio come i memi si evolvono su internet

 

Cover photo: CC0 Myriam/pixabay.com

Tutta la fisica è sbagliata!

La Meccanica Quantistica ha torto. La Relatività Generale ha torto. Il Modello Standard della fisica delle particelle ha torto, torto, torto!

Tutta la fisica (diamine, la scienza in generale!) è sbagliata—un po’. E gli scienziati lo sanno! Ma niente panico: la scienza deve avere torto. Perché non cerca la Verità, piuttosto spiega quello che vediamo meglio che si può.

Potrebbero esserci cose nuove che non avevamo visto, o spiegazioni migliori per quelle che conoscevamo già.

Newton pensava che la gravità fosse una forza tra due oggetti con massa. Ci sta. A dirla tutta, è una spiegazione buona abbastanza per arrivare sulla Luna. Di certo non aveva mai pensato che la massa deformasse lo spaziotempo. Ma d’altra parte non aveva mai visto la gravità piegare la luce (anche se non ha massa) o cambiare lo scorrere del tempo. Einstein, con la sua Relatività Generale spiegava tutto, comprese queste cose, senza neanche averle osservate!

Si possono descrivere perfettamente le orbite di tutti i pianeti anche tenendo la Terra al centro. Però è complicato, e più sbagliato che farlo con la gravità di Newton. credit: wikimedia

Difatti una buona teoria deve prevedere fenomeni nuovi, mai visti prima. Prima di Newton, gli astronomi pensavano che stelle e pianeti si muovessero lungo cerchi attorno a cerchi, eccetera. Se qualcosa non funzionava, nessun problema: si aggiungeva un cerchio. Questo sistema descriveva ottimamente tutto, ma non poteva predire nulla. Le leggi di Newton, invece, ci hanno detto dove cercare Nettuno. Ed era là.

Se una previsione si rivela sbagliata, gli scienziati cercano una teoria che spieghi i nuovi dati, fanno nuove previsioni e il ciclo ricomincia.

Prima o poi arriverà qualcosa che darà definitivamente torto alla Relatività Generale. Se chiedete a me, credo che la materia oscura sia un buon campo di battaglia. Per avere ragione, ad Einstein serve che l’universo sia pieno di una sostanza invisibile e intoccabile. Gli sfidanti si stanno già facendo avanti.

Di cos’è fatto l’universo (secondo le nostre teorie): il 95% è materia o energia “oscura” (un modo figo per dire che non abbiamo idea di cosa sia). credit:nasa.gov

Come la Relatività, anche tutte le altre teorie cadranno. Nessuna teoria è perfetta, ma tutte quelle accettate sono meglio delle precedenti. In qualunque momento della storia (almeno da quando abbiamo il metodo scientifico), i dati di fatto scientifici sono le migliori spiegazioni del mondo che abbiamo mai avuto. E vale anche per le teorie attuali.

Tenere una mente aperta è importante, ma è anche importante tenere a mente perché i dati di fatto sono tali e il lungo viaggio che hanno affrontato per diventarlo. Ad aprire troppo la mente, si rischia di far cascare fuori il cervello.

Per saperne di più
  • Si possono scrivere libri interi sulle cose che non sappiamo ancora spiegare. Come ha fatto Jorge Cham.
  • Volete una spiegazione dettagliatissima di cosa funziona e cosa no riguardo alla materia oscura? C’è PBS Spacetime:

 

Foto copertina: Facepalm, CC-BY Brandon Grasley/flickr

Il mondo allo specchio dell’antimateria

Qua e là in libri, film o fumetti ogni tanto spunta la misteriosa antimateria. Spesso, si sta sul vago riguardo cosa sia e cosa faccia, rendendola la versione “scientificosa” della magia.

Una creatura di “antimateria” spunta in un vecchio episodio di Doctor Who. credit: doctorwhofromthestart.wordpress.com

Ma l’antimateria esiste: la conosciamo così bene da sfruttarla anche in medicina. La sua scoperta è uno dei più grandi successi della fisica teorica. Allo stesso tempo, però, ci ha creato un bel grattacapo.

Tra gli anni Venti e Trenta, i fisici cercavano di mettere d'accordo la Relatività Speciale e la Meccanica Quantistica. L’unico modo per farle funzionare era introdurre una nuova, strana materia, uguale alla materia normale, ma al contrario. Erano come due persone allo specchio. Sono uguali e si muovono allo stesso modo, ma se una alza la mano sinistra, l’altra alza la destra. In termini di particelle, se una ha carica positiva, o spin in su, o altro, l’altra ha carica negativa, o spin in giù, o comunque tutto all’opposto. Era più del riflesso della materia, era quasi il suo gemello malvagio: la chiamarono antimateria.

credit: a113animation.com

Il nome viene da dove pensate che venga: dall’essere il contrario della materia. Come tutti gli opposti, quando materia ed antimateria si incontrano, si annullano. Spariscono in un istante, trasformandosi in pura energia—un processo chiamato annichilazione.

L’antimateria non era solo un trucco matematico: ben presto gli scienziati avvistarono le prime antiparticelle. Trovare l’antimateria fu un successo senza precedenti: la teoria aveva tracciato la via per scoprire un universo mai visto.

Ma perché era rimasto invisibile? Perché l’universo è di materia? Perché esiste? Non avrebbe dovuto annichilarsi* con un anti-universo uguale e contrario? Le leggi fisiche sono diversa per l’antimateria?

L’esperimento Alpha al CERN prova a rispondere almeno a quest’ultima domanda. Dopo essere riusciti a creare ed isolare degli atomi di anti-idrogeno—con anti-protoni, anti-elettroni e tutto—gli scienziati li hanno stimolati con luce laser. La reazione che hanno visto dall’anti-idrogeno è esattamente uguale a quella che conosciamo per l’idrogeno. Le leggi sembrano uguali anche per l’anti-materia.

Probabilmente siamo tutti di materia perché, dopo il Big Bang, ce n’era giusto un pochino di più. Da dove venga il microscopico equilibrio che ha regalato l’universo alla materia resta ancora uno dei più grandi misteri della scienza.

Una rappresentazione dello squilibrio materia-antimateria al Deutsches Museum di Monaco (Germania). La tanica di sabbia nera rappresenta l’antimateria all’origine dell’universo, quella bianca la materia—sono alte circa un metro, quella bianca contiene un singolo granello in più. credit: scilogs.spektrum.de

 

*Suona strano, ma quello è il verbo: materia e antimateria si annichilano.

Foto copertina: CC0 Julia Schwab/pixabay

Le 5 migliori storie di fisica (e dintorni) del 2016

Il 2016 non è stato necessariamente un grande anno in generale, ma lo è stato per la scienza. Un anno piuttosto ricco di scoperte: annunciate, mancate, sorprendenti.

Dall’esplorazione del sistema solare alle frontiere dell’intelligenza artificiale, dall’atomicamente piccolo all’immensamente grande, è stato un anno movimentato!

Ecco la mia personale top five dell’anno, con un po’ di link per approfondire o andare a rinfrescarsi la memoria.

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Bastano due equazioni per andare sulla Luna

“Andare sulla Luna sembrerà difficile ( credo ne abbia parlato qualcuno), ma in realtà tutto quel che serve sono due semplici regole. Entrambe scoperte dal famoso fisico e stronzo Isaac Newton, che compirà gli anni durante le vacanze… ad un certo punto.

Che bell’omino festivo! credit: csamuel.org

La prima regola è la maestosa a=F/m (probabilmente meglio nota come F=ma). Vuol semplicemente dire che, dividendo l’intensità di una forza (F) che spinge su un oggetto per la massa (m) dell’oggetto, si ottiene di quanto lo si accelera (a). È una formula che vale per tutto, ma in particolare ci dirà come si muove il nostro razzo, quindi è abbastanza importante per il nostro viaggio.

A proposito di razzi, questa formula sta dietro a come i razzi si muovono. La propulsione a razzo, infatti, si basa su quella strana faccenda della “reazione uguale e contraria”, che probabilmente avete sentito.

Se gonfiate un palloncino e lo lasciate andare, vola via facendo un rumore buffo perché l’aria all’interno viene spinta fuori dalla pressione. Però, se consideriamo il palloncino e l’aria assieme, non ci sono nuove forze che iniziano ad agire quando lasciamo la presa. Insomma F=0. Siccome il palloncino spinge l’aria fuori, dev’esserci una forza altrettanto intensa (uguale) che spinge dall’altra parte (contraria) che spinge dall’aria al palloncino. I razzi funzionano uguale, solo che hanno un sacco di tecnologia figa per farlo in maniera più efficiente.

CC-BY-ND mfrascella/flickr

L’altra equazione che Newton ci regala per il viaggio è quella per calcolare la forza di gravità. Che è stato un colpo di genio totale. Ed è abbastanza importante per noi, perché la gravità è il grosso della forza che ci troveremo davanti nello spazio. Quella della Terra, che ancora il razzo al suolo o lo strattona giù dal cielo, e quella della Luna che lo tira a destinazione. Conoscendo come funziona la gravità possiamo iniziare a tracciare la nostra rotta.

Facile no?

Mica tanto: gli astronauti—piloti di caccia con diplomi da ingegneri!—devono seguire corsi apposta per imparare a pilotare le navette spaziali. Prima ancora di arrivare a quello, dovremo costruire la navetta. Dovrà avere abbastanza spinta da sfuggire alla Terra, ma essere abbastanza solida da non esplodere mentre lo fa, e riportarci indietro tutti interi e non abbrustoliti.

Per questo Newton non è andato nello spazio.

Il cuore dei viaggi spaziali è comunque nelle sue equazioni. Tutta la ricerca di tutte quelle persone intelligentissime nelle agenzie spaziali: è tutta per migliorare come usiamo queste due semplici regole.

Grazie e buon compleanno, genio insopportabile!

E buon Natale a tutti!
Per saperne di più
  •  Se vi capita, guardatevi il terzo episodio di Cosmos: non avete sentito spiegare il lavoro di Newton sulla gravità se non ve l’ha raccontato Neil deGrasse Tyson.
  • Se vogliamo andare più lontano, invece, serve ben altro
  • La tecologia spaziale potrebbe non aver più bisogno di Newton tra un po’. Ma è tutto ancora molto vago, e francamente piuttosto strano.

 

Foto copertina: CC0 27707/pixabay