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Archive for indagini sull’Universo

La strana evoluzione delle ipergiganti dal blog di Giuseppe Benanti

La strana evoluzione delle ipergiganti dal blog di Giuseppe Benanti

la strana evoluzione dell'ipergigante HR 8752

dopo 30 anni osservate strane anomalie di temperature

Cliccare qui: Giuseppe Benanti.

Uno scienziato in gonnella che sta rivoluzionando la fisica di base

Lene Vestergaard Hau

Lene Hau ha ricevuto due volte “la borsa al genio”, mezzo milione di dollari della fondazione MacArthur: la prima nel 2001 e la seconda come una dei nove supergeni finanziati nei 25 anni di esistenza della borsa.
«I miei genitori non avevano una formazione scientifica, mio padre vendeva sistemi di riscaldamento e mia madre lavorava in un negozio. Ma entrambi ritenevano giusto che avessi gli stessi vantaggi di mio fratello, e per la mia educazione è stato molto importante.»  
All’università di Aarhus si laurea in matematica e in fisica, anche se la termodinamica e la meccanica classica l’annoiano terribilmente finché “scopre” la fisica quantistica. Il 1988 è l’anno con cui si apre il suo dottorato, dedicato ai modi in cui avviene il trasporto di elettroni da un atomo all’altro in un cristallo di silicio, dottorato che conclude a Harvard nel 1991. Nel frattempo Lene Hau ha cambiato idea, vuol lavorare con gli atomi “ultrafreddi” e i gas in cui si raggruppano: i 
“condensati di Bose-Einstein”.
Convince Jene Golovchenko, che dirige il laboratorio all’istituto Rowland di Cambridge (Massachusetts) e che dei condensati non s’è mai occupato, a prenderla come post-dottoranda pagata da una borsa della fondazione Carslberg, danese, e nel 1994 pubblica con lui il risultato di un primo esperimento. È una «candela» dice «una miccia che cattura atomi di sodio da sodio fuso e li proietta in un dispositivo nel quale sono raffreddati da fasci laser fino a una temperatura superiore allo zero assoluto (- 273° C, n.d.r.) per soli 50 miliardesimi di gradi». Intrappolati da magneti, gli atomi si raffreddano ulteriormente. A questo punto, sebbene siano milioni, si comportano con una duplicità tipicamente quantistica: come un’unica onda e al contempo come un’unica particella: «Avete presente la pettinatura di Ronald Reagan? Ecco, tanti capelli, un’onda sola».
Quel comportamento era stato previsto da Satyendranath Bose e da Albert Einstein nel 1924, ma c’erano voluti settant’anni di progresso tecnologico per ottenerlo.
Lene Hau si chiede cosa succede a un raggio di luce – fatta di fotoni, cioè onde/particelle – che viaggia in un condensato, sarà frenata ma di quanto? La risposta fa la copertina di Nature il 18 febbraio 1999 : in un gas diatomi di rubidio ultrafreddi, rallenta a 17 metri al secondo. Con insolita precipitazione – la riluttanza di Harvard a concedere una cattedra a una donna è nota –, diventa professore nello stesso anno. Nell’esperimento successivo fa 1,5 km all’ora, nel 2001 si ferma. A singhiozzi e un millesimo di secondo per volta, d’accordo, ma è «una durata strabiliante. E penso che si possa fermare molto più a lungo«. 
Mentre ci prova, con il suo gruppo compie un «trucco di magia quantistica» : trasforma la materia in luce, fin qui niente di speciale, ma ritrasforma quella luce in materia.  Nel 2009 mette a punto un nuovo tipo di 
trappola elettro-ottica in cui ferma la luce per un secondo e mezzo. Si manda un impulso di 3,5 microsecondi di luce laser gialla – un raggio lungo un chilometro, se misurato in lunghezza – in una nuvoletta di atomi ultrafreddi di sodio dove si ripiega un po’ come una fisarmonica in uno spazio di 0,02 millimetri. Con un altro colpetto di laser, si riapre e torna lungo come prima, stessa polarizzazione, stessa frequenza dell’onda luminosa . Il giallo esce un po’ sbiadito, ma cento volte più simile all’originale che nei precedenti tentativi.
È ricerca di base ma anche applicata nel senso che, per esempio, potrebbe portare a sostituire la memoria elettronica dei computer con una fotonica. Non subito, prima bisogna trovare il modo di tenere il dispositivo di stoccaggio, disco o chiavetta che sia, a qualche miliardesimo di grado sopra -273 °C e il contorno a temperatura ambiente.
Dalle statistiche, il Nobel per la fisica risulta quasi altrettanto maschilista di quello per l’economia, infatti per i condensati di Bose-Einstein ha ricompensato tre uomini nel 2001 e Lene Hau, no. Lei non si dà abbastanza arie, gira in bicicletta, dedica molto tempo all’insegnamento. È da temere che la sua elezione nel gennaio 2008 all’Accademia delle scienze svedese – che attribuisce il premio per la fisica e la chimica – sia fatta apposta per crearle un conflitto d’interessi e bloccarne la candidatura. 

Biografia elaborata da Sylvie Coyaud

La cromodinamica quantistica

conoscenze sull'evoluzione delle particelle a partire dell'Universo primitivoAntefatti alla cromodinamica quantistica.

 

Frank Wilczek , premio Nobel per la Fisica, si occupa di cromodinamica quantistica  e afferma che l’Universo non è più quello di un tempo e non è ciò che sembra.

In viaggio nel cuore della struttura della materia e delle sue componenti elementari , come elettroni e quark, ci si pone interrogativi su cosa è, ad esempio, la massa. La prima definizione scientifica della massa risale al 1687 quando Newton, affermava che la massa è una sorta di misura della densità di materia contenuta nei corpi. Oggi, le moderne conoscenze sul concetto di massa sono alquanto più complicate rispetto alla definizione data da Newton e sono descritte dal modello standard  mediante le leggi della meccanica quantistica .

Per ogni tipo di particella elementare, o composta, possiamo scrivere l’equazione di NewtonF = ma, che correla la forza, la massa e l’accelerazione. Tuttavia, la massa, come di solito la intendiamo, va al di là dell’equazione di Newton. Per esempio, la teoria della relatività speciale  prevede che le particelle senza massa viaggiano nel vuoto alla velocità della luce e che invece le particelle che hanno massa si muovono più lentamente e perciò con una velocità che può essere calcolata se conosciamo la loro massa. Le particelle elementari hanno una sorta di massa intrinseca, detta massa a riposo , e quelle che hanno massa a riposo nulla sono le particelle senza massa, come ad esempio i fotoni. Per una particella complessa, come il protone, la massa a riposo dei costituenti e la loro energia cinetica , relativa al moto, e l’energia potenziale , relativa alle interazioni, contribuiscono alla massa totale della particella. E’ noto che massa ed energia sono correlate così come descritto dalla famosa equazione di EinsteinE = mc².  Un esempio di come l’energia contribuisce alla massa si può vedere nella forma di materia a noi più familiare costituita dai protoni e dai neutroni che formano i nuclei atomici, i pianeti, le stelle, gli esseri viventi e tutto ciò che vediamo. Queste particelle costituiscono circa il 4% circa della massa-energia presente nell’Universo. Il modello standard ci dice che i protoni e i neutroni sono composti da particelle più elementari, chiamate quark, che sono a loro volta legate grazie all’interazione di particelle senza massa chiamate gluoni . Sebbene i quark vi si muovono all’interno, noi osserviamo il protone come un oggetto coerente che ha una massa intrinseca, data dalla somma delle masse e delle energie dei suoi costituenti. Perciò il modello standard ci permette di calcolare le masse dei protoni e dei neutroni dall’energia cinetica dei loro costituenti. Dunque, il 4% circa dell’intero Universo è composto dall’energia del moto dei quark e dei gluoni che sono presenti nei protoni e neutroni e che costituiscono la materia ordinaria che conosciamo. E tutto il resto cos’è? Finora non lo sappiamo e l’ignoranza dei fisici su questo argomento ha fatto nascere termini come materia oscura o energia oscura che costituiscono insieme il 96% di ciò di cui è fatto il nostro Universo. La fisica contemporanea raccontata da uno dei suoi massimi esponenti, indaga sulla struttura della materia, nella sua più profonda essenza,per fornirci un quadro coerente e un nuovo mondo soggetto a verifiche sperimentali solo quando l’LHC entrerà, pienamente in funzione.

Cromodinamica quantistica è la teoria che descrive la forza nucleare forte,  cioè come si legano quark e gluoni in protoni e neutroni, e come questi formano i nuclei. La simulazione cromodinamica quantistica sui computer è un modo per esaminare il tipo di complessità che deriva da questa forza nucleare forte. La premessa è che la simulazione fisica su un livello fondamentale è simile alla voglia di simulare lo stesso Universo. I fisici dell’Università di Bonn, in Germania, hanno pubblicato i risultati su questi studi. Anche utilizzando i supercomputer più potenti del mondo, i fisici sono riusciti a simulare solo piccoli angoli del cosmo.

Il punto importante è che la simulazione è quasi indistinguibile dalla realtà, per quanto si riesce a capire . Questo è uno dei motivi per cui alcuni fisici considerano la possibilità che il nostro Universo potrebbe essere ricreato su una rete di computer enormemente potente. Silas e Beane sostengono che ci sono modi per vedere se siano ben simulati, in determinati scenari. Il problema con tutte le simulazioni è che le leggi della fisica debbono essere sovrapposti su un discreto reticolo tridimensionale e sul quale si avanza attraverso incrementi di tempo. Beane  ha aggiunto che la distanza del reticolo impone alcuni tipi di prescrizioni per ricreare  i processi fisici che vediamo nell’universo. Essi si concentrano sui processi ad alta energia, anzichè sondare le più piccole regioni dello spazio per ottenere più energia. Hanno anche scoperto che la distanza reticolare impone un limite fondamentale all’energia che le particelle possono avere, perché nulla può esistere più piccolo del reticolo stesso. Se il cosmo è una simulazione, ci dovrebbe essere un cut-off nello spettro di particelle ad alta energia.                                                                                        Questa interruzione dell’energia delle particelle che compongono i raggi cosmici è conosciuta come il Greisen-Zatsepin-Kuzmin o limite GZK, e avviene perché le particelle ad alta energia interagiscono con la radiazione cosmica di fondo e così perdono energia mentre viaggiano per lunghe distanze. La caratteristica più sorprendente è che la distribuzione angolare dei componenti di alta energia mostrerebbe simmetria cubica nel resto della cornice del reticolo, ma si discosta significativamente dall’ isotropia,(proprietà dei corpi di avere le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni) secondo gli stati ipotizzati da Beane.                                                                                   Ciò significa che i raggi cosmici viaggerebbe preferenzialmente lungo gli assi del reticolo, in modo da non poter essere visti in tutte le direzioni. Trovare l’effetto significherebbe che abbiamo potuto vedere l’orientamento del reticolo su cui è simulato il nostro universo. Tuttavia, il reticolo- computer può essere costruito in un modo completamente diverso da quello ipotizzato da questo studio. Un altro problema è che l’effetto è misurabile solo se il cut off del reticolo è uguale al limite GZK. Ciò si verifica quando la distanza reticolo è di circa 10 ^ -12 femtometers. Se la distanza è inferiore, i ricercatori non vedranno nulla.