Buonasera. Vorrei chiedere all'esperto se è vero il fatto che una supernova emette (in termini di rilascio energetico) lo 0,1% di luce e il 99,9% di neutrini? Innanzitutto, se i neutrini sono così impercettibili e schivi, come si fa ad affermare ciò con tanta sicurezza? In secondo luogo, quale processo interviene affinché vi sia una produzione così eclatante di tali particelle?
Caro lettore,
le supernovae hanno da sempre suscitato interesse nell’uomo, per la loro intensa ed improvvisa luminosità, che le fa apparire come “nuove” stelle nel cielo. In poche settimane una supernova può emettere l’energia che il Sole emette in tutta la sua esistenza.
Avvistamenti di supernovae risalgono ai primi secoli dopo Cristo. Il loro studio scientifico sistematico inizia invece negli anni ‘30 del 900, soprattutto per merito dell’astronomo svizzero Fritz Zwicky, che conia inoltre il termine “supernova”.
L’ultima supernova scoppiata nella nostra Galassia si chiama SN1604, ed è stata visibile a occhio nudo per più di un anno, tra il 1604 e il 1605, nella costellazione di Ofiuco, con una luminosità pari a quella di Venere.
Oggi sappiamo che la supernova è uno dei possibili stati terminali dell’evoluzione di una stella, uno stato altamente instabile che prevede l’emissione di una grande quantità di materia ed energia nello spazio. Ciò è generalmente dovuto alla perdita di equilibro tra l’energia potenziale gravitazionale e l’energia cinetica del plasma di cui è costituita la stella.
La quantità e il tipo di neutrini emessi da una supernova dipendono fortemente dai processi che la originano. Ne esistono fondamentalmente due: l’accrescimento di nana bianca e il collasso del nucleo.
Nel primo caso abbiamo le supernovae di tipo Ia. Una nana bianca è una stella di massa inferiore a 1,44 masse solari. Al termine della sua evoluzione, quando il combustibile nucleare è esaurito, questa si mantiene in equilibrio grazie alla pressione degli elettroni degeneri causata dal Principio di Esclusione di Pauli, che non permette a queste particelle di avere esattamente la stessa energia. Le nane bianche sono costituite generalmente da ossigeno e carbonio, elementi pesanti che producono attraverso la fusione di nuclei di idrogeno ed elio. Può accadere che una nana bianca orbiti vicino a una compagna di grande massa alla quale sottrae materia per attrazione gravitazionale. Quando la massa della nana bianca accresce oltre il valore critico di 1,44 masse solari la degenerazione degli elettroni non è più sufficiente a mantenerne l’equilibrio. L’aumento di densità e temperatura del nucleo causano una violenta fusione del carbonio e dell’ossigeno che culmina con la catastrofica esplosione della stella e l’espulsione dell’intera massa nello spazio. L’80% dell’energia viene usata nella nucleosintesi di elementi pesanti, soprattutto nichel e silicio, e nell’accelerazione della materia espulsa. Solo il 5% viene emesso sotto forma di neutrini, generati dal decadimento beta del nichel-56 in cobalto-56.
Un aspetto molto interessante di queste supernovae è che esse possono essere utilizzate in astronomia come “candele standard”. Poiché le condizioni iniziali da cui si originano sono sempre simili, tutte le supernovae di tipo Ia hanno la stessa luminosità assoluta, pari a 5 miliardi di volte la luminosità del Sole. Quando osserviamo con i telescopi le supernovae in cielo ovviamente la loro luminosità è apparente, poiché dipende dalla distanza a cui si trovano. Conoscere la luminosità assoluta ci permette di stimare la loro distanza. È proprio studiando le supernovae di tipo Ia che nel 1998 abbiamo scoperto che quelle più lontane hanno una velocità di regressione non proporzionale alla loro distanza, portando a ipotizzare l’espansione accelerata dell’universo e l’esistenza dell’energia oscura.
L’altra famiglia di supernovae sono quelle prodotte dal collasso stellare. Queste si originano a partire da una stella di almeno 9 volte la massa solare. Stelle così grandi riescono a sintetizzare nei loro strati interni tutti gli elementi pesanti fino al ferro. Il nucleo di ferro-56 è il punto di arrivo di tutti i processi di nucleosintesi, poiché ha la minima massa per nucleone. Ciò significa che sintetizzare nuclei più pesanti del ferro non libera alcuna energia. Quindi una stella che arriva a produrre ferro nel suo nucleo non può più sostenere il suo peso con l’energia della fusione nucleare e i suoi strati più esterni collassano sotto la forza di gravità. Se il nucleo di ferro ha una massa minore del limite critico di 1,44 masse solari, la materia rimbalza e all’implosione segue una violenta esplosione della stella: abbiamo una supernova. Se invece il nucleo di ferro è molto massiccio, la forza di gravità impedisce l’esplosione, e tutta la materia stellare cade verso il centro: abbiamo una stella di neutroni o un buco nero.
L’energia rilasciata da una supernova derivante dal collasso del nucleo è circa 100 volte superiore a quella di una supernova di tipo Ia, ma la sua luminosità è generalmente inferiore, poiché quasi il 100% dell’energia viene prodotto sotto forma di neutrini.
Conosciamo due processi principali che generano neutrini durante il collasso del nucleo. Nelle prime fasi la densità della stella aumenta sotto il suo peso e gli elettroni vengono catturati dai protoni, creando neutroni e neutrini elettronici, secondo la reazione:
La densità del nucleo in questa fase è così alta che i neutrini rimangono intrappolati all’interno della stella a causa delle loro continue collisioni con la materia. Quando tutto il nucleo si è trasformato in neutroni le reazioni nucleari rallentano bruscamente causando l’onda d’urto di rimbalzo che crea la supernova e tutti i neutrini vengono espulsi in pochi decimi di millisecondo. È il cosiddetto “neutrino burst” osservato dai rivelatori di neutrini sulla Terra in seguito a esplosioni di supernovae.
Durante la fase di esplosione la temperatura del plasma stellare aumenta fino a 100 miliardi di gradi Kelvin. Tale temperatura corrisponde a un’energia termica così alta da rendere possibile la creazione di coppie elettrone-positrone, dalla cui annichilazione vengono generare coppie di neutrini:
A differenza dei neutrini prodotti dalla cattura elettronica, qui abbiamo sia neutrini che antineutrini, di tutti e 3 i sapori: elettronici, muonici e tauonici.
I neutrini sono sicuramente le particelle più sfuggenti che conosciamo, essendo sensibili alla sola interazione debole. Per fermare un singolo neutrino occorrerebbe uno strato di piombo dello spessore di qualche anno-luce. Ciononostante, nel 1956 siamo riusciti a rivelarli sperimentalmente e da allora abbiamo realizzato molti apparati che hanno studiato in dettaglio queste particelle e le loro reazioni, compresi i neutrini provenienti dalle supernovae.
La maggior parte dei rivelatori di neutrini sfrutta il processo del decadimento beta inverso, in cui un neutrino (o un antineutrino) viene catturato da un protone e produce un neutrone e un cosiddetto leptone carico: elettrone, muone o tau. Il neutrone rimane legato all’interno del nucleo al quale apparteneva il protone, mentre il leptone carico viene espulso dal nucleo con un’energia cinetica pari a quella del neutrino, lasciando un segnale all’interno del rivelatore che permette di risalire alla presenza del neutrino. C’è una correlazione strettissima tra la carica elettrica del leptone carico, il suo sapore e il tipo di neutrino all’origine della reazione:
Misurando la carica e il tipo di leptone sappiamo se abbiamo rivelato un neutrino o un antineutrino, e se era di tipo elettronico, muonico o tauonico.
Oggi esistono decine di rivelatori di neutrini, con i quali abbiamo studiato neutrini provenienti dal Sole, dal nucleo terrestre, dalla Via Lattea e anche da altre galassie. Abbiamo studiato neutrini emessi dalle supernovae e siamo pronti in futuro a rivelarne sempre di più, con apparati ancora più sofisticati.
Essendo generati all’interno delle stelle, i neutrini sono messaggeri importanti di informazioni riguardanti processi che ancora non conosciamo come vorremmo. Queste informazioni sono diverse e complementari a quelle fornite dalla radiazione elettromagnetica, dai raggi cosmici e dalle onde gravitazionali. L'osservazione coordinata di tutti questi segnali, chiamata “astronomia multi-messaggero", aumenterà la nostra comprensione della fisica alla base di molti eventi cosmologici ancora ignoti e sperabilmente del cosmo stesso.
Percorso "A caccia di neutrini"
SxT 321 Se una stella è esplosa perché ne vediamo ancora la luce?
Infografica La vita di una stella
Danilo Domenici, fisico
Alessandro De Angelis, Prefazione di Fancis Halzen.
Editore Castelvecchi.
L’universo nascosto.
La nuova astronomia dei raggi cosmici e delle onde gravitazionali
Sono passati quasi quattro secoli da quando Galilei puntò per la prima volta il suo cannocchiale verso il cielo, scoprendo un mondo del tutto inaspettato, e scoperchiando un universo di nuove domande e interrogativi sulla natura dei corpi celesti che nessuno avrebbe potuto immaginare. La nostra comprensione dell’Universo, oggi, non si basa soltanto sulle osservazioni astronomiche, ma utilizza tutti i possibili mezzi che la Natura ci mette a disposizione. Tra questi i raggi cosmici, particelle prodotte da stelle, nuclei di galassie, buchi neri e corpi celesti spesso incredibilmente distanti, che nel loro viaggio attraverso il cosmo intercettano casualmente il nostro pianeta e gli strumenti della ricerca moderna. Ai raggi cosmici, scoperti già agli inizi del secolo scorso, si sono recentemente aggiunte le onde gravitazionali, increspature dello spazio-tempo prodotte da eventi catastrofici come la fusione di buchi neri o lo stesso Big Bang.
Alessandro De Angelis è un fisico delle particelle che da anni si occupa di astrofisica multi-messaggera, ovvero l’insieme dei fenomeni che, pur originando da corpi celesti estremamente distanti, fanno pervenire ai nostri strumenti i loro effetti sotto forma di particelle elementari, radiazioni elettromagnetiche o onde gravitazionali. Nel suo libro Alessandro ripercorre la storia della scoperta dei raggi cosmici, avvenuta ormai un secolo fa, e gli studi che ne sono seguiti, storicamente determinanti nello svelarci l'esistenza e le caratteristiche dello zoo di particelle elementari che oggi studiamo con i più potenti acceleratori.
Ma soprattutto De Angelis ci racconta di come oggi l’astrofisica multi-messaggera ci apra una nuova finestra su fenomeni estremi, a volte incredibilmente energetici e impossibili da riprodurre in laboratorio. Lo studio delle emissioni di impulsi di raggi gamma ad alta energia, delle onde gravitazionali e di particelle provenienti dalle profondità del cosmo, potranno infatti svelarci e aiutarci a comprendere nuovi inaspettati fenomeni, e stupirci come solo la Natura riesce a fare.
(giugno 2024 SxT-letture consigliate)// Stefano Marcellini
"LA FISICA È SERVITA!"
ECCO I RISULTATI DEL CONCORSO DI SCIENZAPERTUTTI INFN PER LE SCUOLE
Oltre 1200 studenti e studentesse, 300 squadre, da circa 100 scuole si sono sfidati nel concorso annuale per le scuole secondarie bandito dal progetto dell’INFN ScienzaPerTutti
Dallo zucchero filato ai popcorn, dalla maionese al burro, in molte ricette si annidano le lezioni di fisica che studenti da tutta Italia hanno proposto negli elaborati per il concorso "La Fisica è servita!"
Selezionare le squadre vincitrici e le menzioni speciali è stato molto complesso ma ci ha dato grande soddisfazione! Ringraziamo calorosamente tutti i partecipanti e tutte le partecipanti a questo concorso, avete fatto un ottimo lavoro!
Tra le 144 squadre iscritte nella prima categoria, dedicata al triennio delle scuole superiori, si sono aggiudicate la vittoria Anna Gabriele, Matilde De Nicola, Ilaria Ottolini e Maggie Francesca Pagani del Liceo Classico, Scientifico e delle Scienze Umane "Bonaventura Cavalieri" di Verbania. A vincere nella seconda categoria, riservata al biennio delle scuole superiori, tra 78 squadre, sono, invece, Aitara Chiara e Zheng Karen del Liceo Angelico Aprosio di Ventimiglia. Infine, per la terza categoria, aperta alle classi terze delle scuole medie, tra 96 squadre hanno vinto Del Bianco Stefania, Damiano Ginevra, Gattolin Simone e Marchio Alessandro dell’IC Ugo Foscolo di Torino.
Per ogni squadra abbiamo selezionato tre squadre che hanno raggiunto il podio e in alcuni casi abbiamo aggiunto delle menzioni speciali per lavori si sono distinti particolarmente dagli altri. Di seeguito riportiamo i video vincitori e l'elenco delle squadre che hanno passato la prima selezione per ciascuna categoria.
CATEGORIA 1 |
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1° classificatoCotton Candy LandBimbepotate: Anna Gabriele, Matilde De Nicola, Ilaria Ottolini, Maggie Francesca Pagani |
2° classificato
Jastar Nuz e una torta di pannaJaster Nuz: Ferla Stella, Maioli Giada, Salvi Giorgio |
3° classificato
Pollo? Sì ma a schiaffi!Trita-dita: Apicella Antonio, Rinaldi Paolo, Fresia Filippo, Giaccardi Giorgio, Mehmeti Astrit Junior |
Menzione per l'originalità
La fisica che ci delizia: la carbonaraLa IV B in cucina: Calia Francesco, Calabrese Matteo, De Mauro Giada, Dibenedetto Martina, Marroccoli Chiara |
Menzione per la migliore colonna sonora
Voglia di sfogliaCarulli's team: De Simone Sabrina, Liso Giusy, Marra Anxhela, Mosca Clelia, Solzi Alessandra |
Menzione per l'attenzione all'equilibrio degli ecosistemi
Da minaccia a prelibatezzaMasterchif: Alwaked Sidra, Boscolo Chio Lisa, Mantovan Eros, Padoan Eleonora, Tiengo Emma |
CATEGORIA 2 |
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1° classificatoI pop cornChicken: Aitara Chiara, Zheng KarenLiceo Angelico Aprosio di Ventimiglia Responsabile: Daniela Piliarvu |
2° classificato
La fisica sulla piastraLe scientifiche: Bassani Giorgia, Bego Sofia, Milhasse Hajar |
3° classificato
Salendo verso i montiSalendo verso i monti: Castaldo Riccardo, Chimirri Alessia, Dalmasso Daniele, Dematteis Aurora, Popolani Francesco |
Menzione per l'attenzione alle figure femminili nella scienzaFisicando in cucinaFisicando in cucina: De Rossi Adele, Panozzo Anna, Xotta Letizia, Zerbo Giulia Maria |
CATEGORIA 3 |
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1° classificatoSUNCHEF: la cucina solareSUNCHEF: Del Bianco Stefania, Damiano Ginevra, Gattolin Simone, Marchio AlessandroIC Ugo Foscolo di Torino Responsabile: Federico Matteo Chiesa |
2° classificato
Tramezzini a merendaA Team: Vai Rachele, Barberi Gambonello Alessia, Piva Martina, Barbetta Federica, De Vecchi Sofia |
3° classificatoIl burroLa gang che fa boom: Sophie Birelli Nicole Casarelli, Riccardo Pallotta, Jacopo Tonietti, |
Squadre che sono passate in finale
Categoria 1
Physichefs dell’IIS RACCHETTI - DA VINCI di Crema
(Fisica)mente Buono del Liceo Statale "Duca degli Abruzzi" di Treviso
Lorenzos dell’IIS "Da Vinci L. Colecchi O." de L'Aquila
BAM del Liceo Classico, Scientifico e delle Scienze Umane "Bonaventura Cavalieri" di Verbania
McKelvin del Liceo Scientifico Valdemaro Vecchi di Trani
I quantum chef del Liceo Scientifico “E. Amaldi”di Bitetto
Supermario dell’IISS Aldo Moro di Trani
Talepe del LICEO SCIENTIFICO “EDOARDO AMALDI” di Bitetto
GaliChef del Liceo Scientifico "G.Galilei" di Ancona
Quantum Kitchen del Liceo Classico, Scientifico e delle Scienze Umane "Bonaventura Cavalieri" di Verbania
Enigmi stellari del Liceo scientifico "A.Diaz" di Caserta
FOOD BLOGGER dell’IIS "Gobetti - De Libero" di Fondi
Categoria 2
Le fantastiche 5 del Liceo Scientifico "Pietro Paleocapa" di Rovigo
I moti dell'IIS "Enzo Siciliano" Bisignano (CS) di Bisignano
Fisichef delPOLO TECNOLOGICO IMPERIESE (ITI G.GALILEI IMPERIA) di Imperia
Fisicanti chef dell'IIS Copernico Pasoli di Verona
Le grandezze fisiche dell'IIS JEAN MONNET di Mariano Comense
Physics and coffee dell'ITI G.FERRARIS di San Giovanni La Punta
TEAM_COOK_DAVE del LICEO SCIENTIFICO STATALE I.NIEVO di Padova
V Sapientes del Liceo Statale Duca degli Abruzzi di Treviso
LI SCAZZAMURRIEDDRHI dell'IISS "EGIDIO LANOCE" di Maglie
Categoria 3
I degustatori rinomati dell'Istituto Comprensivo "Pietro Vanni" di Viterbo
ICOPPEANO2 dell'I.C. Oppeano di Oppeano
RistoGuiglia dell'Istituto Comprensivo MONTECUCCOLI di Guiglia e Marano s/P di Marano sul Panaro
B.B.S.I. dell'I.C. D.Alighieri Angera di Angera
CheF..orza dell'I.C. BORGARETTO BEINASCO di Beinasco
B and Dabliu V dell'Istituto Comprensivo San Donato di Sassari
John Wood's kitchen dell'Istituto Comprensivo Statale San Giovanni Bosco di Molfetta
MEC dell'Istituto Vladimiro Spallanzani di Casalgrande
ICOPPEANO1 dell'I.C. Oppeano di Oppeano
I fiorellini dell'I.C. BRUNO DA OSIMO scuola secondaria Giovanni Paolo II di Osimo
Chiacchiere di fisica di Stefano Marcellini
uando ci inganniamo da soli.
Quando stava per nascere mia figlia, al reparto maternità mi fu detta questa frase: “oggi è una giornata tranquilla, ma la settimana scorsa, che cambiava la Luna, non ci tenevamo dietro con le nascite”.
Io sapevo di questa storia della Luna che, con la fase giusta, favorirebbe il momento del parto. Non ci avevo mai creduto, perché dal punto di vista fisico non ha alcun senso, ma sul momento ho pensato che se lo dicevano al reparto maternità, qualcosa di vero doveva pur esserci. Anzi, chi meglio del personale del reparto maternità potrebbe sapere se la Luna con la fase giusta sia in grado di influenzare il momento del parto!
Uno può fermarsi a questa constatazione, che sembra molto ragionevole, e concludere che, visto che lo confermano perfino al reparto maternità, deve essere vero. Oppure si può fare qualcosa di più scientifico e oggettivo: uno studio statistico.
Si può quindi prendere un numero molto grande di persone scelte a caso, annotarsi le loro date di nascita, e dare il tutto in pasto a un computer, che mette in relazione quelle date di nascita con la fase lunare di quel giorno (ci sono software appositi), e produce un grafico del numero delle nascite in funzione del giorno del mese lunare, che dura circa 28 giorni. Se la fase lunare ha qualche effetto, ci si aspetterà di osservare una modulazione nel numero delle nascite durante il mese lunare. Se invece la Luna non ha effetto, si osserverà un grafico piatto, in cui il numero dei parti nei vari giorni lungo tutto il mese lunare è del tutto indifferente alla fase della Luna.
Questo studio è stato effettuato innumerevoli volte, in Italia e nel mondo, e il risultato è un grafico che, al netto delle fisiologiche fluttuazioni statistiche da giorno a giorno, più piatto non si può. Insomma: il presunto e declamato effetto della Luna nel favorire - a seconda della sua fase - il momento del parto, non esiste. È inventato. È una leggenda. Il fatto non sussiste.
Ma a questo punto ci si chiede come sia possibile che proprio al reparto maternità si siano sbagliati. Proprio quelli che vedono più nascite di chiunque altro! Proprio dove ingenuamente sarei andato a chiedere se è vera questa storia della Luna. Il motivo gli scienziati (e gli psicologi) lo sanno bene: si chiama “bias di conferma”.
Il bias di conferma funziona così: ognuno di noi, su qualunque argomento, scientifico, politico, sociale, ha dei pregiudizi, delle idee che, a torto o a ragione, ritiene corrette o sbagliate. E quindi, inconsciamente, si tende a valutare i fatti che si osservano attraverso la griglia di questi pregiudizi, dando un maggior peso a quei fatti che supportano le nostre convinzioni, e un peso minore a quelli che le negano. Il risultato è che, sempre inconsciamente, ci si convincerà di osservare nei fatti qualcosa che invece, alla luce di uno studio “unbiased”, cioè non influenzato da pregiudizi (nel caso della Luna basta una semplice statistica), non è mai avvenuto.
Quindi cosa sarà ragionevolmente successo al reparto maternità? Sarà successo che chi era già convinto dell’effetto della Luna sul momento del parto, il giorno in cui la Luna era quella giusta e c’erano effettivamente più nascite, avrà detto: “vedi? Per forza, c’è la Luna giusta!”. Il giorno in cui invece la Luna era quella giusta ma non c’erano più nascite del solito, non ci avrà fatto caso, o magari avrà pensato: “eh, vabbè, mica può essere sempre così tutte le volte! Però ti ricordi la volta scorsa?” Il risultato è che alla fine si sarà autoconvinto di avere realmente osservato nei fatti qualcosa che invece, proprio nei fatti, non è avvenuto.
Questa trappola del bias di conferma è molto subdola, e agisce sempre nel nostro modo di valutare ciò che accade attorno a noi. E agisce anche nella Scienza, e quindi anche nella fisica. E gli scienziati lo sanno bene, e cercano di cautelarsi in modo opportuno. Ad esempio, tutte le ricerche di nuovi fenomeni o di nuove particelle si fanno “in cieco”. Si decide a priori quella che dovrà essere la procedura di analisi, ottimizzandola in base a studi preliminari, ma senza analizzare i dati che riguardano esplicitamente lo studio che si vuole effettuare. Il rischio è altrimenti quello di manipolare più o meno inconsciamente la selezione dei dati stessi, ed estrarci quello che si sta cercando, convincendosi poi di averlo realmente osservato.
I numeri della fisica di Danilo Domenici
2300 transistor
Il numero di transistor del primo microprocessore nella storia dell’informatica.
Risale al 1971 l’Intel 4004, il primo microprocessore che integrava su un solo circuito integrato una CPU (Central Processing Unit) una RAM (Random Access Memory) e una ROM (Read-Only Memory). Questa architettura permise di abbattere i costi di produzione e diede inizio alla rivoluzione informatica.
Ideato dal fisico italiano Federico Faggin, all’epoca progettista della Intel, aveva una superficie di pochi cm2 e una potenza di calcolo superiore a quella dei computer degli anni ‘40 che occupavano intere stanze.
Da allora il numero di transistor dei microprocessori ha seguito la legge di Moore che ne prevede il raddoppio ogni 18 mesi. Oggi un processore conta fino a 60 miliardi di transistor.
14 isotopo del carbonio
14 è la massa atomica dell’isotopo del carbonio usato per datare le opere d’arte e i reperti archeologici. Gli esseri viventi rappresentano una fotografia del carbonio presente nell’atmosfera, che fissano con la respirazione o la fotosintesi. Quando muoiono il C-14 contenuto nel loro organismo inizia a diminuire secondo la legge del decadimento radioattivo, che in questo caso prevede che il numero di nuclei si dimezzi ogni 5730 anni. Per datare un reperto di origine organica gli scienziati separano e contano gli atomi di C-14 attraverso tecniche di fisica nucleare. Confrontando questo numero con la concentrazione di carbonio nell’atmosfera si ricava il tempo necessario a raggiungerlo, cioè l’età in cui le cellule presenti hanno smesso di vivere.
0,0000000003 secondi
I fotoni sono le particelle di cui è composta la luce, e non hanno massa. Mentre le normali particelle aumentano o diminuiscono la loro velocità in base alle forze cui sono sottoposte, la velocità dei fotoni dipende solo dal mezzo in cui si muovono. In acqua, per esempio, la loro velocità è di 200,000 km/s. Nel vuoto è di 300,000 km/s e la teoria della relatività ci dice che è un limite che nulla dotato di massa può raggiungere né superare. In ogni caso la velocità della luce è sempre molto alta rispetto agli standard dell’essere umano. Per questo diciamo che questa linea bianca è lunga 10 cm e non 300 picosecondi-luce!
4,6 miliardi di anni
4,6 miliardi di anni fa si è formato il sistema solare.
L’universo esisteva già da 9 miliardi di anni. Probabilmente in questa regione di cosmo era presente un’enorme nube gassosa, contenente idrogeno, elio e altri elementi pesanti formatisi all’interno di una precedente stella e poi espulsi alla fine della sua vita. Un pezzo di questa nube ha iniziato a un certo punto a collassare per effetto della gravità, formando un disco proto-planetario. Al centro del disco la densità del gas era sufficientemente alta da innescare reazioni di fusione nucleare e accendere una stella di media grandezza, che avremmo chiamato Sole. Nella periferia gli atomi si ammassavano in migliaia di corpi più piccoli che scontrandosi andavano a formare pianeti, asteroidi, comete.
-273 °C
Secondo le leggi della fisica esiste una temperatura minima alla quale può trovarsi la materia: lo zero assoluto. Zero Kelvin (0 K), pari a –273,15 °C.
Nel caso di un gas la temperatura assoluta misura la velocità media degli atomi, e questa non può mai essere nulla poiché violerebbe il principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale non possiamo determinare con infinita precisione la velocità e la posizione di una particella: un atomo non può quindi essere fermo. Anche gli atomi legati nella materia non sono fermi, ma si agitano sempre intorno alla loro posizione.
Il gas intergalattico nei più lontani angoli dell’universo si trova ad una temperatura di 2,725 K, per effetto del calore residuo del Big Bang. La temperatura più bassa mai raggiunta in laboratorio invece è di 38 pK, cioè 0,000000000038 gradi sopra lo zero assoluto.
Pazienti trattati con adroterapia al mondo
L’adroterapia è una forma di terapia per la cura di tumori inoperabili o resistenti alla radioterapia tradizionale. A differenza di questa, che usa raggi X o elettroni, l’adroterapia usa protoni o ioni di carbonio, che rilasciano la loro energia con altissima precisione raggiungendo anche i tumori più profondi, minimizzando i danni ai tessuti sani.
Questa tecnica impiega le conoscenze proprie della fisica degli acceleratori per generare i fasci di particelle, accelerarli all’energia necessaria e infine dirigerli verso il tumore. In Italia ci sono tre centri di adroterapia: a Trento, a Pavia e a Catania.
In tutto il mondo ci sono circa 150 centri, in cui sono stati trattati 300,000 pazienti. Le cellule tumorali uccise grazie all’adroterapia sono più di 1015.
L'anno in cui Albert Einstein teorizzò le onde gravitazionali
Nel 1916 Albert Einstein previde l’esistenza delle Onde Gravitazionali. L’anno prima aveva completato la teoria della relatività generale, secondo la quale lo spazio ha delle proprie caratteristiche fisiche, determinate dalla presenza di materia, che a loro volta determinano come la materia si muove. Lo spazio si può immaginare come una sostanza elastica, che viene stirata o compressa, e che può essere messa in oscillazione. Le onde risultanti sono le Onde Gravitazionali.
Lo stesso Albert concluse però che sarebbe stato impossibile rivelarle sperimentalmente: troppo deboli. Nonostante questo autorevole parere, i fisici hanno studiato per decenni strumenti per rivelarle, riuscendoci infine nel 2016, proprio 100 anni dopo la previsione di Einstein.
Gli attuali rivelatori di Onde Gravitazionali sono così sensibili da aver misurato un’oscillazione dello spazio pari a un millesimo del diametro del protone, causata dalla fusione di due buchi neri a 1,5 miliardi di anni-luce dalla Terra!
Percentuale dell'universo di materia conosciuta
Solo il 5% dell’Universo è fatto della materia che conosciamo: per lo più idrogeno ed elio, con una piccola parte di elementi pesanti e neutrini.
Tutto ciò costituisce l’Universo che osserviamo, ma abbiamo ottimi motivi per pensare che non sia sufficiente a generare l’attrazione gravitazionale che tiene insieme le stelle nelle galassie e le galassie negli ammassi. Occorre una quantità di materia 5 volte maggiore, che ovviamente non emette né assorbe radiazione e che chiamiamo per questo Materia Oscura. Probabilmente particelle non ancora note, che risentono della forza gravitazionale e forse di altre interazioni ancora sconosciute. Nella “lista degli ingredienti” dell’Universo occupa il 25% del totale.
Del restante 70% invece non sappiamo praticamente nulla: si tratta dell’energia responsabile del fatto che l’Universo si espande ad una velocità sempre crescente. Non abbiamo ancora capito la sua natura, e l’abbiamo chiamata Energia Oscura.
7600 km di cavi superconduttori
LHC è l’acceleratore più grande del mondo. Per curvare i protoni lungo i 27 km di circonferenza servono magneti superconduttori, fatti di cavi al niobio-titanio raffreddati alla temperatura di 2 K (cioè -275 °C) mediante elio superfluido.
Ci sono 1232 magneti curvanti, lunghi 14.3 m. Al loro interno i 2 condotti dove corrono le particelle sono ricoperti da 160 cavi ciascuno. Facendo il calcolo (1232x14.3x2x160) si trovano 5640 km di cavi. Aggiungendo anche il contributo dei magneti multipolari si arriva alla lunghezza totale di 7600 km di cavi superconduttori.
Ognuno di questi cavi poi, è costituito da 36 trefoli intrecciati, di diametro 0.8 mm, e ogni trefolo ospita 6500 filamenti dello spessore di soli 0.006 mm, cioè 10 volte più sottili di un capello.
Facendo un nuovo calcolo si trova che la lunghezza totale dei filamenti di niobio-titanio in LHC è di quasi 2 miliardi di km, cioè più di 10 volte la distanza tra la Terra e il Sole!
400.000 miliardi di neutrini
I neutrini sono tra le particelle elementari più misteriose presenti in natura, famosi per la loro abilità nell’attraversare la materia interagendo pochissimo. Sono così elusivi che un muro di piombo dello spessore di 1 anno-luce fermerebbe solamente la metà dei neutrini che lo attraversano.
Nell’Universo viaggiano moltissimi neutrini, prodotti ad esempio nelle reazioni di fusione nucleare che avvengono nei nuclei delle stelle. Il nostro Sole emette 1038 neutrini al secondo, in tutto lo spazio circostante. Pochissimi di questi, dopo aver percorso 150 milioni di km quasi alla velocità della luce, colpiscono la Terra. Eppure, il nostro corpo in media è attraversato da 400 mila miliardi di neutrini ogni secondo!
La prima fotografia dell'universo
Nel 1964 due fisici americani, Arno Penzias e Robert Wilson, costruirono un’enorme antenna per microonde, con la quale captarono la radiazione residua del Big Bang che permea tutto l’universo. Oggi, grazie ai satelliti, riusciamo ad avere un’immagine molto dettagliata di quella radiazione: è la fotografia più antica dell’universo e risale a solo 380 mila anni dopo il Big Bang. Se l’universo fosse una persona di 70 anni, avremmo la sua foto quando era nato da meno di un giorno.
Le onde elettromagnetiche non riescono a dare un’immagine ancora precedente, perché prima di quell’epoca erano continuamente assorbite dalle particelle cariche. Per andare oltre dovremo usare i neutrini o le onde gravitazionali: con i primi potremmo arrivare a 1 s dopo il Big Bang, mentre con le seconde arriveremmo addirittura all’epoca dell’inflazione cosmica, appena 10−33 secondi dall’inizio dell’Universo!
Universi Possibili
La teoria delle stringhe cerca di conciliare la meccanica quantistica e la relatività generale in un unico modello matematico, secondo il quale i costituenti fondamentali dell’universo sarebbero delle piccolissime corde, che vibrando produrrebbero tutte le particelle note: elettrone, protone, neutrino o bosone di Higgs. Un po’ come una corda che vibra produce le diverse note musicali. Inoltre, lo spazio avrebbe 25 dimensioni invece di 3, con le extra-dimensioni arrotolate in uno spazio piccolissimo. Poiché esistono 10500 modi diversi di arrotolare le stringhe, la teoria predice 10500 possibili universi, ognuno con le proprie particelle, le proprie costanti e le proprie leggi fisiche.
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"LA FISICA È SERVITA!”: VIA AL CONCORSO DI SCIENZAPERTUTTI PER LE SCUOLE
La fisica può aiutarci anche in cucina! Ricette, strumenti, tecniche di cottura e procedure corrette, ma anche convinzioni infondate ed errori incredibili. ScienzaPerTutti apre il concorso 2024 per le scuole medie e superiori con il tema “La fisica è servita! Segreti di fisica in cucina”. In questa edizione, gli studenti e le studentesse dovranno scegliere una ricetta e raccontarla in un video di 4 minuti spiegando uno o più processi fisici che entrano in gioco nella procedura, nella tecnica o negli strumenti utilizzati per la preparazione.
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Il calendario 2025 di ScienzaPerTutti entra nelle scuole raccontando la vita e le straordinarie scoperte di 12 scienziati e scienziate che hanno fatto della fisica il loro mestiere per passione. Dall'atomo ai buchi neri, dall'induzione elettromagnetica ai sistemi complessi, un viaggio attraverso scoperte più e meno note che hanno rivoluzionato la fisica o cambiato il modo in cui vediamo il mondo.
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Illustrazioni © Francesco Fidani per INFN
LUGLIO | Katherine JOHNSON | ||
Progetto Calendario “12 mesi di scoperte, 2025”
a cura di ScienzaPerTutti INFN
Testi biografie a cura di Marco Battaglieri, Susanna Bertelli, Marco Cinausero, Danilo Domenici, Stefano Marcellini, Chiara Oppedisano
Grafica a cura di Francesca Cuicchio, INFN Ufficio Comunicazione
Illustrazioni originali di Francesco Fidani
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(FINO A ESAURIMENTO SCORTE)
Se la luce non fosse quantizzata, accendere una lampadina sarebbe un problema?
Caro lettore,
Marco Cinausero, fisico
Sei pronto a sfidare le tue conoscenze sulla fisica?
BANG, la nuova APP di quiz di ScienzaPerTutti, è disponibile online! Astrofisica, fisica delle particelle, storia della fisica e la fisica dove meno te l'aspetti... Tanti quiz con due gradi di difficoltà che vi coinvolgeranno in una sfida per fare di voi veri scienziati!
Perchè nel caso la sorgente utilizzata nell'esperimento "spari" particelle il fenomeno dell'interferenza non si verifica? Se spariamo elettroni, anche singolarmente, l'interferenza c'è sempre in quanto l'elettrone "interferisce con se stesso" ...ma perchè la particella no? ....e poi, tutte le particelle si comportano allo stesso modo? ...l'elettrone non è esso stesso una particella? Mario -
Caro lettore,
l'esperimento di Young a cui tu ti riferisci fu ideato ed eseguito all'inizio dell'800 per dimostrare la natura ondulatoria della luce. Si utilizzano per questo due fenditure di dimensioni sufficientemente piccole così da essere confrontabili con la lunghezza d'onda della luce incidente. In questo modo, ognuna delle due fenditure è assimilabile ad una sorgente luminosa coerente, ovvero con la stessa lunghezza d'onda della sorgente luminosa principale. Queste due sorgenti luminose coerenti daranno quindi luogo al fenomeno dell'interferenza, tipico dei fenomeni ondulatori, in cui la sovrapposizione delle due onde può essere costruttiva, nel caso in cui si sommino i due massimi delle oscillazioni, o distruttiva, nel caso in cui si sommino il massimo e il minimo delle oscillazioni. Per questo, se mettiamo uno schermo ad una certa distanza dalle due fenditure, osserveremo una sequenza di zone luminose e zone buie, detta figura di diffrazione. Questo esperimento sembrava quindi indicare la morte definitiva dell’ipotesi della natura corpuscolare della luce di cui Newton fu il primo assertore.
Ma all'inizio del '900 alcuni fenomeni, in particolare l'effetto fotoelettrico, misero di nuovo in discussione la natura ondulatoria della luce. La spiegazione dell'effetto è del 1905 e si deve ad Einstein, che per questo vinse il Nobel. Nella sua spiegazione, quando una particella di luce (il fotone), colpisce un elettrone su una superficie metallica, questa può essere assorbita totalmente dall'elettrone. L'energia cinetica così acquistata dall'elettrone gli permette di sfuggire dal metallo, per cui si osserva una emissione di elettroni dalla superficie.
Quindi, secondo la meccanica quantistica, la luce si poteva comportare come un'onda o come una particella a seconda del fenomeno osservato. Questo strano e isolato comportamento della luce, portò Louis De Broglie a ipotizzare che tutte le particelle avessero sia un comportamento corpuscolare che ondulatorio. De Broglie associò quindi ad ogni particella una lunghezza d'onda caratteristica, detta lunghezza d’onda di De Broglie, inversamente proporzionale alla propria quantità di moto (il prodotto della massa per la velocità).
L’ipotesi di De Broglie fu verificata sperimentalmente pochi anni dopo, nel 1927, quando Davisson e Germer osservarono figure di diffrazione quando un cristallo di nichel era attraversato da un fascio di elettroni. Da questa osservazione, l’esperimento di Young della doppia fenditura venne ripetuto anche con fasci di particelle ritrovando figure di diffrazione simili quelle dell’esperimento originale fatto con la luce. Concludendo, secondo la meccanica quantistica ogni particella ha una doppia natura onda-corpuscolo e questa è ben verificata dagli esperimenti di diffrazione con doppia fenditura. Il fenomeno dell’interferenza si osserva se le dimensioni delle fenditure, o in generale di un ostacolo, sono confrontabili con la lunghezza d’onda di De Broglie associata alla particella oggetto di studio.
Marco Cinausero, fisico
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