Microscopiche macchine, piccoli numeri, grandi problemi

Cosa succederebbe se potessimo muovere le cose atomo per atomo? Sono decenni che gli scienziati immaginano risposte. E mestieri per i nanorobot, le microscopiche macchine in grado di farlo: ripulire perdite di petrolio, consegnare medicinali esattamente dove serve nel corpo, o distruggere con precisione cellule tumorali.

Le macchine molecolari sono la cosa che più si avvicina a realizzare questo sogno. Ma arrivarci è stato un lungo e difficile percorso.Continua a leggere

Cos’è il grafene

Volete vincere un Nobel e scoprire un materiale con praticamente tutte le proprietà migliori? Prendete una matita e un rotolo di scotch. Sul serio.

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Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

Per saperne di più

E se il Nobel non lo vincessero le onde gravitazionali?

Le previsioni per il premio Nobel per la fisica puntano ad una delle più grandi notizie dell’anno: le onde gravitazionali. Mi sbilancerò, ma io non sono convinto che abbiano ragione.

Non fraintendetemi: anche io sono un fan sfegatato di LIGO e del loro lavoro (magari si capiva da quanto spesso ne ho parlato). La scoperta delle onde gravitazionali è stata pazzesca, ma lo era anche quella del bosone di Higgs. LIGO è un’incredibile impresa di ingegneria e scienza, ma lo è anche LHC. Ci aspettavamo di trovare le onde gravitazionali quanto, se non più, del bosone. Eppure, il premio per la scoperta andò a Higgs e Englert, autori della teoria, non agli esperimenti del CERN che l’avevano trovato. Nel caso delle onde gravitazionali, il premio dovrebbe quindi andare ad Einstein, che non può riceverlo perché… beh… è morto.

Resto convinto che LIGO vincerà prima o poi: hanno aperto una nuova finestra sull’universo. Appena vedremo qualcosa di nuovo attraverso quella finestra, credo, il loro lavoro salterà in cima alla lista. Solo, non ancora.

Ma chi altri può vincere quindi, se non loro? Thomson Reuters ha un efficace sistema di previsioni basato su quanto vengono citati articoli recenti (trovate l’infografica qui, e vedete che han già cannato quello per la medicina). A parte il team di LIGO, suggeriscono Marvin L. Cohen, che ha studiato i semiconduttori, e Celso Grebogi, Edward Ott e James A. Yorke, che si sono occupati di Teoria del Caos. Se vincono, andremo nei dettagli delle loro scoperte nel post di venerdy.

Personalmente, come avevo detto a inizio anno, punto agli esopianeti.Comunque, sono tutte speculazioni. Dopotutto, chi vince il Nobel fa scienza, chi prova a fare queste previsioni no.

 

Immagine di copertina: CC0 nvodicka, via pixabay.com

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.

La ricerca applicata serve: i transistor fanno funzionare il mio telefonino, con gli antibiotici non muoio di raffreddore, pastorizzando il latte si conserva più a lungo. Ma le onde gravitazionali? Perché spendere miliardi e impiegare migliaia di persone per trovarle?

Per gli idealisti, la ricerca di base amplia innalzando l’intelletto umano. Un nobile proposito che basta a motivare molti scienziati. Che poi pensano debba bastare anche agli altri.

Ma la risposta è che quel lavoro, ora, nella pratica, non serve. Ma poi servirà.

Quando J.J. Thomson ha scoperto l’elettrone a fine Ottocento non avrebbe neanche potuto sognare quello che ci abbiamo fatto (per citare The West Wing). Ma grazie alla sua scoperta abbiamo capito come fare transistor, laptop, cellulari, internet e tutta l’elettronica, aprendo la strada a nuova scienza. Comprese le onde gravitazionali. E medicinali migliori. E lo sbarco sulla Luna. Senza, staremmo ancora qua coi calcolatori meccanici e il loro fascino retro (ma senza internet).

Con la teoria capiamo l’universo. Se non sappiamo cosa abbiamo davanti, non potremo mai sfruttarlo nelle applicazioni. Matt O’Dowd, su PBS Space Time, ha dato una gran risposta ad un commentatore secondo cui le onde gravitazionali sono inutili se non risolvono problemi pratici, tipo il prezzo della benzina:

Apprezzerò l’inutile bellezza di questa scoperta anche dopo che mi avrà permesso di guidare la mia astronave antigravitazionale a inflatoni verso le stelle. A quel punto non mi preoccuperà il prezzo della benzina.

Micdrop.

Aggiornamento: Anche il comitato del Nobel pensa che le scoperte teoriche servono. Il premio per la fisica 2016, infatti, è andato a David Thouless, Duncan Haldane, e Michael Kosterlitz “semplicemente” perché le loro scoperte stanno ispirando moltissime ricerche su nuovi materiali e computer quantistici.

Foto copertina: Blackboard Lie Algebras, CC-BY-NC ☃, via Flickr. Some rights reserved.

5 cose da tener d’occhio nel 2016

Il 2015 è stato un altro bellissimo anno di fisica. Anche il 2016 promette di regalarci novità esaltanti. Dai principi fondamentali della fisica all’origine dell’universo, passando per nuovi sviluppi di recenti temi caldi, ecco alcune cose che secondo me varrà la pena di seguire. In ordine sparso, in un altro post vacanziero (quindi un po’ più lungo).

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Neutrini e Nobel

Un chilometro sotto terra, in Giappone, c’è una vasca con cinquantamila tonnellate d’acqua. In una grotta in Canada sta sospesa una palla di più di quasi venti metri di diametro. Si chiamano Super-Kamiokande e Sudbury Neutrino Observatory, sono esperimenti su particelle dal nome puccioso (i neutrini) e hanno fatto vincere ai loro coordinatori il Nobel per la fisica.

I neutrini sono particelle abbondantissime nell’universo, vengono prodotti da una moltitudine di reazioni nucleari, decadimenti radioattivi ed interazioni tra altre particelle. Ce ne sono di tre “sapori”, ognuno emesso da un diverso tipo di reazione nucleare.

Gli esperimenti—coordinati da Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald—hanno rivelato che i neutrini, una volta emessi, cambiano lentamente sapore. Il fenomeno è chiamato oscillazione dei neutrini ed è dovuto al fatto che onguno dei tre tipi ha una massa leggermente diversa.

Secondo il Modello Standard (la teoria che raggruppa più o meno tutto quello che sappiamo delle particelle), però, i neutrini non hanno massa. I risultati del Super-Kamiokande e del Sudbury Neutrino Observatory, quindi, provano che il Modello Standard non è del tutto corretto.

Le scoperte di Kajita, McDonald e tutti quelli che lavorano ai loro (peraltro fichissimi) esperimenti aprono la porta per perfezionare la migliore teoria fisica che abbiamo. Per questo hanno vinto il Nobel.

Foto: The Sudbury Neutrino Observatory (SNO), CC-BY-NC Berkeley Lab, via Flickr. Some rights reserved