Il colore dell’universo

Di che colore è l’universo? Da un lato si potrebbe dire che è trasparente: la luce attraversa il vuoto cosmico senza problemi. Dall’altro si potrebbe dire che è nero: a meno di guardare una sorgente di luce (tipo una stella), lo spazio è buio.

Entrambe le risposte sono giuste e sbagliate allo stesso modo.

Tutti gli oggetti irradiano onde elettromagnetiche a varie frequenze, in base alla loro temperatura. Più caldo è l’oggetto, più bassa è la lunghezza d’onda della luce che emette.

Il filamento di una lampadina ad esempio diventa bianco-giallastro quando si scalda abbastanza. Le stelle emettono luce più rossa o più blu a seconda di quanto sono calde. E anche le persone emettono continuamente luce infrarossa (quindi invisibile), perciò sono visibili anche al buio, usando gli strumenti giusti (gli “occhiali a infrarossi” dei film, per capirci).

soldiermod.com

Allo stesso modo, l’universo intero emette una debole luce. E siccome è veramente freddo (quasi allo zero assoluto) la luce è ancora più lontana da quello che i nostri occhi vedono. Ma se guardiamo il cielo con un telescopio sensibile alle microonde, percepiamo il suo “colore” ovunque, sempre uguale: la radiazione cosmica di fondo.

Analizzando la composizione di questa radiazione, tra l’altro, possiamo calcolare con estrema precisione la temperatura dell’universo. Prevedibilmente, è molto freddo, giusto un paio di gradi sopra lo zero assoluto.

Man mano che l’universo si espande, la sua lunghezza d’onda aumenta. Se riavvolgiamo le leggi della fisica e torniamo (molto) indietro nel tempo, possiamo arrivare ad un momento in cui questo bagliore era visibile anche per noi.

Era arancione.

 

 

Foto copertina: Colors, CC-BY-SA Mikel Seijas Alonso via Flickr. Some rights reserved.

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.

Come fanno le cose ad essere opache

Gli atomi, per la maggior parte, sono vuoti: lo spazio tra il nucleo e gli elettroni è enorme. Ma allora perché non è tutto trasparente? Spoiler: è perché le dimensioni contano.

Il fatto è che, anche se dentro sono molto vuoti, gli atomi sono molto molto piccoli, molto più della lunghezza d’onda della luce visibile. Per un’onda come la luce, distinguere dettagli più piccoli della propria lunghezza d’onda è impossibile. Sarebbe un po’ usare dita troppo grosse per digitare su tasti troppo piccoli, o leggere il Braille indossando guanti da forno.

EM Spectrum Properties it.svg

Credit: Inductiveload, via Wikipedia. Pubblico dominio.

In pratica, per la luce visibile, un atomo è una pallina compatta. Ma allora perché non è tutto opaco? Come fanno le finestre ad essere trasparenti, ma i muri no?*

I fotoni che compongono la luce hanno, ciascuno, una precisa quantità di energia, che possono cedere ad un elettrone quando lo incontrano. Il fatto è che i fotoni non possono cedere solo un po’ di energia, devono dar via tutto il pacchetto. C’è questo bel video che lo spiega molto bene.

Gli elettroni attorno agli atomi sono anche obbligati ad avere particolari e molto specifici livelli energetici. Questo li rende estremamente schizzinosi. perché permette loro di accettare solo i fotoni che portano quel pacchetto con l’esatta energia che serve per il prossimo salto. Né meno, né più. Se l’elettrone accetta il pacchetto, il fotone sparisce (viene assorbito). Se, invece, l’elettrone si rifiuta, la luce rimbalza contro l’atomo e se ne va.

L’energia che portano i fotoni dipende dalla loro lunghezza d’onda: più corta è l’onda, più ha energia. Sicché, la disposizione livelli energetici degli elettroni di un atomo (o di una molecola di più atomi) determina per quale luce è trasparente.

Nel vetro di una finestra, ad esempio, gli elettroni hanno un grosso scalino energetico da scalare, e non si accontentano di fotoni di luce visibile, ma assorbono molta luce ultravioletta, che ha più spinta. Perciò il vetro è trasparente. Gli elettroni del muro intorno alla finestra, invece, sono ben contenti di prendersi anche la luce visibile e non possiamo vedergli attraverso.

Come la bellezza, la trasparenza del mondo è nell’occhio di chi guarda. O almeno nella luce che vede.

Per saperne di più

 

Foto copertina: Galena Window with Horse, CC-BY-NC-ND Terence Faircloth, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Originariamente, questo post diceva che era la struttura in cui sono disposte le molecole di materiale a determinare la sua trasparenza. Sebbene la struttura abbia una piccola parte, non è il motivo principale.

Cannocchiali nello spazio

Da Galileo in poi, usiamo lenti e cannocchiali per esplorare l’universo. Ma l’universo stesso ci dà delle lenti con cui osservarlo. Anche se è un po’ più complicato.

Questa bellissima foto mostra quattro galassie (i quattro pallini gialli al centro), che si stanno lentamente scontrando l’una con l’altra a circa un miliardo di anni luce da noi. Dandogli tempo, finiranno per essere un unico blob galattico.

La mia parte preferita è quella specie di aura blu che si vede intorno a queste galassie. Quella è la luce di un’altra galassia, lontano sullo sfondo, che non si vede perché è coperta dalle quattro davanti. Guardando bene, infatti, si vede pure che l’aura blu è fatta di quattro immagini distorte della galassia: si vede il centro (i pallini più chiari), la struttura a spirale della galassia e tutto quanto.

Quando l’ho vista mi sono entusiasmato perché per la prima volta ho visto una lente gravitazionale in funzione.

gravitational-lensing-galaxyapril12_2010-1024x768

Uno schema di come la luce della galassia lontana ci raggiunge attraverso una lente gravitazionale. Credit: NASA/ESA

La lente gravitazionale funziona più o meno così: la gravità di un oggetto nello spazio devia la luce che gli passa vicino, seppure di pochissimo. Più massa ha un oggetto, più riesce a deviare la luce. Perciò un oggetto con moltissima massa, come una galassia, devia significativamente la luce, così anche cose nascoste in secondo piano diventano visibili. Ed ecco che appare la nostra galassia blu, distorta attorno alle quattro che gli stanno in realtà davanti.

Oltre che una figata, le lenti gravitazionali sono anche utili. Infatti, sapendo di quanto la luce è stata deviata, si può stimare abbastanza precisamente la massa delle galassie in primo piano, compresa la materia oscura, che altrimenti non sarebbe misurabile.

Foto di copertina: Dr Richard Massey, Durham University.

Idee meno trasparenti

Lampadine, computer, stereo, tv, smartphone. Praticamente tutto quello che abbiamo intorno usa elettricità. Molta di questa energia, però, finisce solo per scaldare i dispositivi. Ricercatori del MIT cercano una soluzione.

Una possibile applicazione della ricerca è ridurre il consumo energetico delle vecchie lampadine ad incandescenza. Perciò si legge in giro che questa ricerca resusciterà le lampadine.

Non è proprio così. Secondo Marin Soljacic, autore dello studio, “Poter controllare le emissioni termiche è molto importante. Quello è il reale contributo di questo lavoro”.

Come spiegano in un articolo su Nature nanotechnology, i ricercatori hanno creato un materiale (un tipo di cristallo fotonico) che lascia passare solo alcune lunghezze d’onda della luce. In pratica, il materiale è trasparente per la luce visibile, mentre riflette i raggi infrarossi (ovvero il calore) come uno specchio.

Una possibile applicazione sono dispositivi termo-fotovoltaici: un materiale si scalda fino all’incandescenza, come una lampadina. La luce che emette, poi, viene convertita in elettricità da un pannello fotovoltaico.

Foto di copertina: CC0 Josh Byers, via unsplash.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.

Spiegando le vele al Sole

Tutti i pianeti sono spazzati dal feroce vento solare. Può ridurli a deserti inanimati o trasformare il cielo in uno spettacolo mozzafiato. Ma che ci fa del vento nello spazio? E, soprattutto, si può usare per andare a vela?

Il vento solare non è il tipo di vento a cui siamo abituati, dato che non c’è aria nello spazio: invece che di molecole di aria, è fatto di particelle (soprattutto protoni, elettroni e particelle alfa) prodotte dalla fusione nucleare che alimenta il Sole. La maggior parte resta lì, risucchiata dalla forza di gravità. Ma alcune sono veloci abbastanza (da 400 km/h in su) da scappare, guidate dal campo magnetico del Sole. E non sono poche: miliardi di chili al secondo (comunque una nullità rispetto alla massa del Sole).

Pian piano, il vento solare erode l’atmosfera dei pianeti. Senza atmosfera, l’acqua sulla superficie (ammesso ce ne fosse), evapora, lasciando il pianeta deserto. Le radiazioni del vento solare annientano qualunque eventuale sopravvissuto.

Marte ci ha rimesso atmosfera e acqua (quasi tutta). La Terra è fortunata: ha un campo magnetico che salva l’atmosfera dall’erosione e il pianeta da devastazioni assortite.

Come il campo magnetico del Sole guida il vento solare, infatti, quello della Terra lo deflette. Una parte devia e ci evita del tutto, il resto si raccoglie ai poli e produce l’aurora boreale. Perciò, per quanto terrificante, il vento solare è anche un po’ una figata.

E sì, anche se non può spingere una barca sulla Terra, lo si può usare per andare a vela. Nello spazio!

Foto: i20141109_181209c, CC-BY-NC-ND Kris Fricke, via Flickr. Some rights reserved.

Limiti di velocità

La luce viaggia a circa 299792458 metri al secondo. Ma perché non di più? o di meno? Sembra sensato pensare che la luce possa avere diverse velocità.

A dirla tutta, la luce ha altre velocità: la famosa insuperabile costante universale è la velocità della luce nel vuoto. Quando attraversa un materiale, la luce viaggia più lenta. Di più, diversi colori di luce (lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica, se vogliamo essere pignoli) viaggiano a velocità diverse quando attraversano un materiale. Questo è il fenomeno alla base di arcobaleni e copertine dei Pink Floyd.

Ma la domanda resta: perché ha proprio quella velocità (nel vuoto)? Eh. La risposta c’è, ma non vi piacerà: non esiste un perché.

Possiamo misurare molto precisamente quanto veloce viaggia la luce, ma non sappiamo perché.

Il valore di questa costante universale (come di molte altre) è un fatto per il quale non c’è spiegazione. Le costanti universali ci fanno anche capire nel profondo come è fatto l’universo. Sono semplici numeri che non poggiano su nulla, ma su cui poggia tutto.

Questo non vuol dire però che le leggi fisiche che si basano sul loro valore siano infondate. Le leggi sono strumenti per predire cosa succede in determinate condizioni. Il valore delle costanti universali è solo una di queste condizioni.

Se la velocità della luce nel vuoto fosse diversa, non cambierebbe la nostra teoria secondo cui è la cosa più veloce dell’universo. A parte le cattive notizie.

Per saperne di più
  • La velocità della luce, in realtà, non c’entra con la luce

 

Foto: CC-BY HA1-000995 di highwaysengland su Flickr, some rights reserved.

Ho preso la domanda, e alcuni spunti per la risposta da una domanda apparsa su Quora.