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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Ultimo tango a Greifswald

Gli atomi ballano, sempre più vicini. La temperatura sale, loro si spogliano degli elettroni e si avvicinano ancora, fino a fondersi. Solo Barry White in sottofondo può rendere la fusione nucleare più sexy.

Greifswald è una piccola città all’estremo nord-est della Germania. Non ha molto di speciale, tranne il primo esemplare (partito la scorsa settimana) di un reattore a fusione che potrebbe rivoluzionare il campo.

La maggior parte dei reattori a fusione moderni si basano—chi più, chi meno—sul Tokamak sovietico. In pratica, fortissimi campi magnetici tengono comprimono l’idrogeno in un grande contenitore a forma di ciambella.

Purtroppo, la forza magnetica necessaria per raggiungere la fusione nei Tokamak è così intensa che spesso danneggia il reattore.

Anche il reattore di Greifswald (chiamato Wendelstein 7-X) è fatto a ciambella, ma la camera per la fusione ha strana forma “attorcigliata”. Con questa particolare geometria, mentre gli atomi danzano uno intorno all’altro, possono essere compressi stressando meno i materiali del reattore.All’interno della camera si sviluppano temperature così estreme (oltre 100 milioni di gradi) che gli atomi di idrogeno perdono i loro elettroni e si scontrano tra loro così forte da fondersi per formare elio.

Costruire questo reattore è molto difficile: i materiali che creano il campo magnetico devono rimanere a -270 gradi e stare a pochissima distanza dal centro incandescente. Anche la progettazione deve essere molto precisa, tanto che ha richiesto un supercomputer.

A dicembre sono partiti i test con l’elio, che si scalda ma non dà fusione. Se tutto funziona come sembra, partirà anche il caldo tango dell’idrogeno. E forse un nuovo capitolo della fusione nucleare.

Foto: Dancing, CC-BY Vladimir Pustovit, via Flickr. Some rights reserved.

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.

Acceleratori portatili

Nel 1949 un computer era grande come una stanza. O come gli acceleratori di particelle che iniziavamo ad usare in medicina per radioterapia e diagnosi. Oggi computer più potenti di allora ci stanno in mano, ma gli acceleratori medici sono ancora ingombranti ed avidi di elettricità. Ma non per molto.

“Quello che richiedeva una stanza piena di apparecchiature potrà essere fatto da un carrello usando una normale presa di corrente” dice Andrew Goers, giovane ricercatore dell’Università del Maryland.

Il suo lavoro, pubblicato sulla prestigiosa Physical Review Letters, si basa sull’accelerazione al plasma. Semplificando, un laser sparato su un plasma (un gas con gli elettroni slegati dai loro nuclei) si lascia una scia, come un motoscafo. Questa risucchia elettroni, accelerandoli tantissimo.

Finora questa tecnica richiedeva laser potentissimi. Ma, sfruttando un effetto relativistico, Goers ha amplificato l’impulso laser. Ora un laser che consuma meno di una lampadina è sufficiente per un acceleratore medico.

Foto: gratisography.com

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.

Salto di livello per i computer quantistici

Come il celebre gatto di Schrödinger, anche i computer quantistici erano sia tra noi che no allo stesso tempo. Sapevamo tutto della teoria, ma non riuscivamo a costruirli. Ma questo potrebbe cambiare presto.

I ricercatori della University of New South Wales, in Australia hanno creato il primo gate logico in silicio per qubit. In altre parole, il primo pezzettino di un processore quantistico (i qubit sono l’equivalente quantistico dei nostri bit).

Il fatto che sia in silicio “rende la costruzione di un computer quantistico molto più fattibile”, ha detto Andrew Dzurak, coordinatore del gruppo, “perché è basato sulla stessa tecnologia produttiva dell’attuale industria elettronica”.

I computer quantistici sono enormemente superiori quando si tratta di fare molti calcoli in una volta, ma non sempre. Per gli usi quotidiani i computer classici sono probabilmente meglio.

Ma la ricerca di medicinali e materiali nuovi, per fare due esempi, farà passi da gigante.

Foto: Vintage Technology, CC-BY-NC Jeremy Brooks, via Flickr. Some rights reserved.

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