Una stella come le altre?

Pensateci: l’idea che il Sole sia essenzialmente la stessa cosa di una stella qualunque non ha nessun senso. Voglio dire, basta guardarli: non potrebbero essere più diversi!

Seriamente. Vi sembrano la stessa cosa? credit: CC-BY-ND Jessie Hodge via flickr

Seriamente. Vi sembrano la stessa cosa del Sole? credit: CC-BY-ND Jessie Hodge via flickr

Come cavolo abbiamo fatto a convincerci di una cosa così stravagante?

Beh, è stato un lungo viaggio, partito da una serie di supposizioni più o meno strampalate di “scienziati” dell’antichità. Qualcuno ci ha pure relativamente azzeccato, ma altri parlavano di pietre incendiate appiccicate in cielo.

Il primo passo davvero scientifico l’abbiamo fatto nel 1838, imparando quanto incredibilmente lontane siano le stelle. Quell’anno, l’astronomo (tra le varie occupazioni) tedesco Friedrich Bessel fu il primo a misurare la distanza di una stella, ora nota come 61 Cygni. Il risultato? Era migliaia di volte più lontane del Sole. Centinaia di migliaia di volte.

Se sono così lontane, si pensò, potrebbero essere anche altrettanto grandi, se non di più ( spoiler: alcune sono molto più grandi). Ok, ma sono la stessa cosa?

Pochi anni dopo abbiamo imparato a leggere la composizione chimica di una stella dalla sua luce. Gli elementi al suo interno, infatti, assorbono la luce in modi caratteristici. Guardando la luce attraverso un prisma, vediamo le sottili strisce scure che si lasciano dietro, da cui possiamo ricostruire di cos’è fatta la stella.

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La luce solare, scomposta nei suoi colori, con le bande nere (o “linee di Fraunhofer”) causate dagli elementi al suo interno. Via wikimedia.

Il prossimo passo fu capire come calcolare la temperatura di una stella dal colore della sua luce (più esattamente, dalle lunghezze d’onda). Tutto ciò che ha una temperatura—cioè tutto—riluce in un modo particolare a seconda di quanto è caldo. Serve la meccanica quantistica per capire come e perché, ma funziona: lo usiamo per i termometri a infrarossi.

Alla fine il Sole si è rivelato essere suppergiù nella media sia per temperatura che per dimensione e composizione. Comunque, rimaneva una stella speciale: era l’unica ad avere pianeti. Anche questo è cambiato. C’è voluto un po’, ma ora troviamo esopianeti (pianeti che orbitano altre stelle) a migliaia.

Il Sole è una semplice stella, quindi. Abbiamo ragionato sull’universo l’abbiamo guardato, e con così poco abbiamo capito questa cosa così violentemente controintuitiva. Non conosciamo nessuna stella che ospiti qualcosa con abilità del genere. E questo credo sia piuttosto speciale.

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Foto copertina: CC0 Mayur Gala, via unsplash.com

Per saperne di più
  • Bessel è stato il primo a misurare la distanza da una stella per un motivo: era davvero difficile. Su wikipedia trovate una spiegazione del metodo ingegnoso che ha usato.
  • La meccanica quantistica non spiega proprio come il bagliore delle cose: in realtà è nata cercando di risolvere quel problema. Questo video di PhysicsGirl spiega come

Come si cercano le particelle

Magari avete sentito le notizie di quest’estate che il CERN non ha poi trovato la particella che si pensava avessero trovato. E magari vi ha fatto realizzare che il processo con cui “si trovano le particelle” non è per niente chiaro. Fortunatamente Abstrusegoose (riposi in pace) qualche tempo fa fece una bellissima striscia, piuttosto illuminante su come funziona la fisica delle alte energie.

L'analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque, non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Come dice abstrusegoose, gli ex fisici delle particelle sono i peggiori biologi. L’analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Anche se un po’ vago sui dettagli, il processo è più o meno quello*, solo che si usano protoni (o altre particelle) al posto delle rane. In breve: li si spara fortissimo uno contro l’altro e si vede cosa ne esce.

Protoni e rane, però, hanno alcune fondamentali differenze, e due in particolare sono cruciali per noi. Primo: un protone non è un oggetto solido, non ha nulla “dentro” (e non ha un “dentro”, se è per quello). Secondo, rimettendo insieme i pezzi delle rane, otterremo di nuovo le due rane. Nulla meno (se siamo molto bravi a raccogliere i pezzi), ma sicuramente nulla di più. Per le particelle è tutta un’altra storia.

Gli acceleratori come LHC spingono le particelle quasi alla velocità della luce. Siccome la massa può diventare energia e viceversa, l’inimmaginabile energia liberata quando le particelle si scontrano può produrre ogni sorta di cose nuove ed esotiche che non c’erano prima. E può avere molta più massa di quella con cui siamo partiti: più veloci sono i nostri protoni, più massa ha la roba che esce. Il bosone di Higgs, ad esempio, è stato scoperto scontrando coppie di protoni, ma ha 60 volte più massa. Sarebbe come se, scontrando due rane, uscisse qualcosa delle dimensioni di un bambino delle elementari.

Tuttavia, queste particelle formate nella collisione non si possono vedere direttamente, in parte perché restano lì davvero pochissimo. Mooolto meno di un miliardesimo di secondo dopo la collisione sono già decadute, sparando fotoni e particelle più piccole in ogni direzione.

Avete presente quelle belle immagini con tutte le linee colorate che pubblicano i laboratori di fisica delle particelle? Ecco, quelle linee sono la traiettoria di questi detriti sparati fuori.

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I prodotti di una collisione nell’esperimento ALICE del CERN. Credit: home.cern

Quella è la roba che i fisici studiano davvero. Ci sono rivelatori tutto intorno al punto della collisione per misurare e tracciare e contare quanto di quale tipo di ciarpame subatomico è uscito e dov’è andato. Sapendo come decadono varie particelle, gli scienziati setacciano i dati e risalgono a cosa è successo subito dopo la collisione.

Quando trovano troppo o troppo poco di qualcosa inizia il divertimento, perché potrebbe significare che si era formata una nuova particella sconosciuta. Perciò tutti si erano agitati per i dati del CERN lo scorso anno. Oppure potrebbe significare che i modelli che ci dicono cosa aspettarci dai decadimenti sono sbagliati, che comunque è interessante. Oppure potrebbe voler dire che si sono formate le solite particelle e, per caso, sono decadute più spesso in un modo piuttosto che in un altro. Questo è quello che è poi successo coi dati del CERN: quando hanno analizzato più collisioni, la media è tornata dove ci si aspettava. Niente nuova particella.

Per saperne di più
  • Sotto sotto, la massa è più complicata della quantità di materia in un oggetto. Magari ne scriverò. Per ora, andatevi a vedere questo bel video con Sean Carrol che esplora questi aspetti
  • Come si fa a vedere i prodotti della collisione: il CERN spiega come funzionano i suoi rivelatori

Foto copertina: LHC, CC-BY-NC-ND UCI UC Irvine via Flickr. Some rights reserved.

*Osservazione del fisico pedante: l’acceleratore di rane non è un collider e LHC non funziona proprio così. Ma va anche bene così: sta pur sempre usando delle rane!

Che diavolo è la fMRI?

Alcune parti del cervello si “accendono” quando proviamo certe emozioni, quando ascoltiamo la musica, o quando risolviamo problemi matematici. Vi sarà sicuramente capitato di imbattervi in notizie simili, visto quanto spesso finiscono sulla stampa. La tecnica che si usa per questi studi (e in tantissimi altri di neuroscienze) si chiama risonanza magnetica funzionale, o fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), che è una gran figata, ma sembra anche avere qualche problema. Prossimamente se ne sentirà parlare abbastanza, quindi vale la pena di capire cos’è.

Una macchina per la risonanza magnetica. CC-BY-NC Penn State, via Flickr.

Cominciamo dalle basi. La risonanza magnetica (quella che ci fanno se ci facciamo male al ginocchio, per capirci) sfrutta campi magnetici e la risonanza, cioè reazioni inusuali di un oggetto o materiale ad uno stimolo di una particolare frequenza.

Il classico esempio è spingere qualcuno su un’altalena: spingendo ogni volta che l’altalena arriva a fine corsa, la facciamo più in alto che spingendo in momenti a caso. Semplificando (molto), la risonanza magnetica usa onde radio per spingere atomi di idrogeno, che abbondano in tessuti ricchi di acqua o grasso, tipo il cervello.

I nuclei di idrogeno hanno spin, una proprietà che li fa reagire ai campi magnetici come una bussola. La macchina per la risonanza magnetica applica un forte campo magnetico, allineando gli spin degli atomi, che poi colpisce brevemente con un’onda radio. Se la sua frequenza è quella giusta (chiamata frequenza di risonanza), l’onda rovescia lo spin di alcuni atomi (non gli atomi stessi però!).

Appena l’impulso termina, tutto torna com’era e gli atomi rilasciano un po’ di energia. Registrando queste emissioni con un’antenna si possono distinguere tessuti con diverse quantità d’acqua, ad esempio, diverse parti del cervello, generandone un'immagine.

Schema semplificato del funzionamento della risonanza magnetica. Gli atomi (palline rosse) si allineano al campo magnetico verde, finché l’onda elettromagnetica viola non li investe, rovesciando i poli di alcuni. Appena possono, gli atomi tornano al loro stato iniziale e rilasciano l’energia, che viene registrata dall’antenna blu. Credit: howequipmentworks.com

Per la fMRI si registrano velocemente tantissime di queste immagini. Analizzandole tutte è possibile capire quali parti del cervello sono più attive in ogni momento perché sono quelle dove viene indirizzato più sangue ossigenato, che reagisce alla risonanza in modo leggermente diverso da quello che sta lasciando il cervello.

L’operazione, francamente geniale, richiede un sacco di analisi statistica. Secondo alcuni studi recenti, servirebbe molta cautela e un intenso scrutinio dei software che fanno questa parte del lavoro. In uno studio, ad esempio, un salmone morto sembrava reagire quando gli venivano mostrate foto di persone.

Non vuol dire che la tecnica non sia valida, ma solo che bisogna stare attenti a cosa succede. Questi studi sono importantissimi per la ricerca, perché ci fanno identificare problemi ed errori.

Solo così possiamo essere sicuri di quello che stiamo facendo e di sfruttare appieno i risultati di tecniche spettacolari come la fMRI.

Per saperne di più

 

Foto copertina: SumaLateral Whole Brain Image, CC-BY NIH Image Gallery, via Flickr. Some rights reserved.

Quante volte si può piegare un foglio di carta?

Qualche giorno fa mi sono imbattuto in un divertente articolo. Spinto dalla curiosità, sono finito a scoprire l’origine di una leggenda metropolitana e perfino ad esplorare il significato di essere un fisico.

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Come fa la luce ad arrivare subito alla velocità della luce?

Qualche tempo fa mi sono imbattuto in questa bella domanda su Quora: quando la luce viene emessa, come fa a raggiungere la sua fenomenale velocità? Accelera da 0 a 300mila chilometri al secondo? E quanto ci mette?

Siamo abituati a pensare che la luce sia uno sciame di fotoni, delle specie di microscopiche palline luminose. Se accendiamo una lampadina, succede qualcosa al suo interno che le fa sparare fuori miriadi di questi corpuscoli. Logica vuole che, partendo da una lampadina (solitamente) ferma, i fotoni debbano accelerare per arrivare alla velocità della luce.

I fotoni si comportano sia come particelle che come onde. Credit: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore, via phys.org

Però non è così: la luce viaggia sempre alla stessa velocità. Sempre. Il motivo è che, anche se si comporta come se fosse fatta di palline, la luce è anche un’onda (non per niente, spesso parliamo di lunghezze d’onda della luce), è una perturbazione del campo elettromagnetico. Come tale, può nascere già in viaggio ad una certa velocità.

Allo stesso modo, quando qualcosa cade nell’acqua, le increspature che crea sulla superficie nascono già in movimento, tutte alla stessa velocità, che è una caratteristica propria dell’acqua.
Lanciando un sasso in uno stagno di olio, alcool o catrame otterremmo onde di velocità diverse.

La luce è un’increspatura nello “stagno” elettromagnetico. La sua velocità è quella caratteristica dello spazio-tempo, ovvero la velocità della luce. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo stesso, e si spostano alla stessa velocità.

Il suo valore ci dice qualcosa di molto importante sul nostro universo, sulla sua struttura più intima, qualcosa di molto più profondo della semplice velocità a cui si spostano i fotoni.

Per una volta, la luce non ha niente di speciale, o almeno non più speciale di altre onde.

 

Foto copertina: accelerate, CC-BY Marcus Pink, via Flickr. Some rights reserved.

La teoria non serve

“Bravi, ma cosa me ne faccio?” Questa domanda assedia noi teorici (e magari ve la siete fatta anche voi ogni tanto leggendo qui), ed è rispuntata con le onde gravitazionali. Ma non siamo affatto bravi a rispondere.

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La meccanica quantistica è davvero così difficile?

Sì, lo è. Ma nuovi esperimenti mostrano che si potrebbe renderla più intuitiva, con l’aiuto di una vecchia teoria.

Semplificando tantissimo, la meccanica bohmiana è una versione della meccanica quantistica degli anni ’50 secondo cui le particelle microscopiche si comportano come oggetti macroscopici (palline, diciamo) ma spinte da una speciale forza quantomeccanica.

Le stranezze quantistiche—dal celebre gatto alle particelle che stanno in posti diversi contemporaneamente—verrebbero dalle particolarità di questa forza, invece che da regole completamente nuove.

La teoria, però, non sembrava descrivere bene il movimento di speciali coppie di particelle che si influenzano a vicenda (cosiddette “in entanglement“).

Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto e i suoi colleghi mostrano, con degli esperimenti pubblicati su Science Advances, che quei problemi della teoria erano dovuti a come erano fatte le misure. Se anziché le singole particelle si considerano le coppie, le previsioni della meccanica bohmiana funzionano!

Rivalutando questa teoria, Steinberg non vuole rivoluzionare la fisica, ma aggiungere un punto di vista: “Diverse rappresentazioni possono essere utili”, dice, “perché aiutano a formare intuizioni migliori”.

Finalmente potremo dare senso anche le magie quantistiche.

 

Foto copertina: CC0 Ryan McGuire, via gratisography.com

La porta del mondo microscopico

Alla Domenica Sportiva tedesca fanno un gioco in cui il concorrente deve fare goal tirando in una porta da calcio quasi interamente coperta. Farlo con un pallone è difficile, ma farlo con delle particelle ha rotto la fisica dell’Ottocento.

Rendiamo il gioco più semplice: diciamo che, invece dei due buchi, abbiamo due fenditure alte quanto lo schermo. Ora mettiamo un muro bianco dietro lo schermo, tiriamo un sacco di volte e guardiamo dove il pallone lascia le impronte sul muro. Chiaramente, disegneranno grosso modo la forma delle fenditure.

Il gioco ha senso solo se le aperture sono poco più grandi del pallone: troppo piccole e diventa impossibile, troppo grandi e son capaci tutti. Allo stesso modo, facendo le fenditure piccole abbastanza, possiamo farlo con delle particelle.

In un esperimento, per esempio, ogni secondo un elettrone veniva “calciato” verso uno schermo esattamente come quello che ho descritto (che coincidenza!). Questo video mostra le loro impronte.

Non proprio la forma delle due fenditure, eh? Ogni elettrone si comporta come se passasse da entrambe le fenditure contemporaneamente, come se interferisse con se stesso.

Questo dimostra che un elettrone può essere in “una sovrapposizione di stati di posizione”, che è come i fisici pomposi dicono “può stare sia qui che lì”. La capacità delle particelle microscopiche di essere in stati sovrapposti, di essere qualcosa e qualcos’altro contemporaneamente, si chiama principio di sovrapposizione.

È solo una delle strane regole del mondo microscopico, che cerchiamo di scoprire da un secolo. C’è ancora tanto che non sappiamo, ma questo prodigioso viaggio è appena iniziato.

Foto: Torwand!, CC-BY-NC Mika Meskanen, via Flickr. Some rights reserved.

Aristotele ha sempre torto. E va bene così

Il Sole, i pianeti e tutto l’universo ruotano intorno alla Terra appesi a sfere di cristallo. La velocità di un corpo è proporzionale alla forza applicata. Un sasso cade perché la terra è il suo elemento naturale. Click Here

Questi sono alcuni degli insegnamenti di Aristotele, forzatamente tramandati per secoli, che hanno frenato il progresso scientifico. Prendendo una qualsiasi branca della scienza, è praticamente impossibile non imbattersi in qualcosa di completamente assurdo detto dall’illustre filosofo. In fondo, però, non è colpa sua se aveva l’incredibile capacità di non azzeccarci mai.

Più che altro era sfortuna: quasi tutte le teorie scientifiche moderne—esempio qualsiasi: gli atomi—hanno un antenato in Grecia. Ma anche in quei casi, qualcuno ne ha semplicemente beccata una giusta. Quelle teorie hanno comunque lo stesso valore scientifico delle affermazioni di Aristotele: poco.

Il fatto che ci sia sempre qualcosa su cui Aristotele ha torto, però, vuol dire anche che ha provato a capire tantissime cose, in tantissimi campi diversi. Il suo lavoro è un monumento alla curiosità umana. Purtroppo, il suo metodo lasciava più a desiderare, perché i ragionamenti non erano supportati da prove sperimentali.

Perciò non dovremmo prendercela con lui. Dovremmo invece essergli grati per averci provato, per averci dato una quantità enorme di punti di partenza (per quanto sbagliati), per ricordarci l’enormità di quello che c’è da scoprire e quanto sia appassionante provare a scoprirlo.

Altra possibile lezione (forse più importante): il rogo non risolve le dispute scientifiche. Almeno non nel lungo termine.

Foto: wikimedia.org

Gattini e no

C’è scatola sigillata con dentro un gatto e un marchingegno in grado di ucciderlo appena un atomo radioattivo decade. Se aprissimo la scatola, troveremmo il gatto vivo o morto? E come sta il micio finché la scatola è chiusa?

Si tratta, in estrema sintesi, dell’esperimento (mentale: nessun gatto è stato maltrattato!) del “Gatto di Schrödinger“, che prende il nome dall’eminente fisico Erwin Schrödinger, uno dei padri della fisica quantistica. Come forse avrete sentito dire, finché non apriamo la scatola, il gatto è simultaneamente sia vivo che morto.

Il motivo di questa stranezza è uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica: il principio di sovrapposizione. Semplificando, nel microscopico mondo dei quanti, alcune proprietà possono “avere più valori contemporaneamente” (in un certo senso). Ad esempio, è come se un elettrone fosse in due posti allo stesso tempo*. Almeno finché non andiamo a misurarlo. Allora, in un certo senso, “decide” dove farsi trovare. E non è solo un’illusione, finché non lo cerchiamo l’elettrone è veramente in più posti.

Il principio di sovrapposizione funziona. Davvero. Hanno fatto degli esperimenti. La natura microscopica descritta dalla teoria quantistica è, quindi, profondamente diversa da quella macroscopica classica a cui siamo abituati.

Le regole del nostro mondo macroscopico non funzionano quando parliamo di particelle microscopiche e le regole quantistiche non valgono per i gatti. Usando le regole di un mondo nell’altro porta a paradossi: un gatto non può essere sia vivo che morto, e un atomo può comportarsi come sia decaduto che no.

Proprio qui mirava Schrödinger piazzando un oggetto quantistico (l’atomo radioattivo) assieme ad un oggetto classico (il gatto). E questa è la meraviglia e la “magia” del mondo quantistico: è tutto diverso e governato da leggi diverse.

Foto: Cat CCTV, CC-BY-SA Takashi Hososhima, via Flickr. Some rights reserved.

 

*Correzione: l’articolo originariamente diceva che le particelle hanno davvero diverse proprietà, tipo l’elettrone può essere in più posti allo stesso tempo. Anche come semplificazione, era un po’ fuorviante.