Gian Francesco Giudice, Rizzoli Editore.
Prima del Big Bang
Recensione del libro: Prima del Big Bang.
“Mette i brividi pensare agli stupefacenti progressi compiuti dall’umanità nel comprendere l’origine dell’universo. La scienza ci ha proiettati verso un livello di conoscenza senza precedenti nella storia della civiltà, ma non dobbiamo illuderci. La strada è ancora disseminata di enigmi irrisolti e il cammino davanti a noi appare sconfinato. Non credo che il racconto della comprensione delle origini dell’universo potrà mai terminare con la parola fine.”
Così scrive Gian Francesco Giudice, direttore della divisione teorica del CERN, al termine del suo libro “Prima del Big Bang”, il cui titolo potrebbe apparire pretenzioso, quasi arrogante negli intenti. Come è possibile – verrebbe da chiederci – poter dire cosa ci fosse prima che qualunque cosa fosse. In effetti è una domanda che fino a non molti anni fa sarebbe apparsa priva di senso per chiunque. Nel suo libro, invece, Giudice ci conduce indietro nel tempo fino alle origini del cosmo, per raccontarci come oggi possiamo dare un senso scientifico a questa richiesta, un tempo appannaggio unico della religione o del mito.
Gli esseri umani, infatti, da questo minuscolo ritaglio di spazio-tempo in cui si trovano, sono riusciti negli ultimi decenni, grazie allo strumento della Scienza, a rendere la domanda su come tutto abbia avuto inizio una domanda possibile. La conoscenza che abbiamo acquisito sul funzionamento della Natura e sulle sue leggi fondamentali non ci fornisce ancora una risposta, e forse non ce la fornirà mai. Tuttavia ci permette di confrontarci con l’enigma dell’inizio in modo scientificamente consapevole. La conoscenza delle leggi fisiche fondamentali, e le osservazioni sperimentali di cui disponiamo o di cui potremmo disporre in un futuro non distante, ci permettono infatti di formulare e di ipotizzare una narrazione coerente dell’origine del cosmo e della sua evoluzione nel tempo.
Molti ritengono che la Scienza debba fornire innanzitutto risposte, e che il progresso scientifico debba costantemente ridurre il numero di problemi aperti e di incognite. Sbagliato. La scienza oggi certamente fornisce risposte a molte domande che un tempo rappresentavano grandi misteri. Tuttavia, è proprio la conoscenza acquisita in questi ultimi decenni in campo astrofisico e nel microcosmo che ci permette, oggi, di porci domande scientificamente sensate sull’origine del tutto. Quelle domande, a cui oggi non sappiamo rispondere, un tempo non esistevano perché eravamo troppo ignoranti persino per immaginarle. Il libro di Giudice ci restituisce il fascino di essere consapevoli di ciò che non sappiamo ma che vorremmo e potremmo conoscere. Forse le risposte arriveranno a breve grazie ai futuri sviluppi scientifici, o forse non arriveranno mai. In ogni caso è e sarà una storia meravigliosa.
(febbraio 2024 SxT-letture consigliate)// Stefano Marcellini
Andrea Ghez nasce a New York City il 16 giugno 1965
Biografia della rubrica “Vita da genio” a cura di Chiara Oppedisano
Una vera appassionata dell’Universo, una delle massime esperte del centro della nostra Galassia. Premio Nobel in fisica nel 2020, quarta donna a vincerlo nella storia del Nobel, per la scoperta di un buco nero supermassivo proprio al centro della Via Lattea.
Andrea Ghez nasce il 16 giugno 1965 a New York. Da piccolina sognava di diventare una ballerina, ma l’allunaggio di Neil Amstrong e Buzz Aldrin e le imprese spaziali degli anni seguenti lasciarono un segno indelebile nei suoi sogni: Andrea decise che sarebbe diventata un’astrofisica e avrebbe studiato i segreti di quello spazio sconfinato che tanto la affascinavano! Si laureò in fisica al Massachusetts Institute of Technology nel 1987 e conseguì il dottorato di ricerca al California Institute of Technology nel 1992. Dopo un anno di borsa post-doc all’Università dell’Arizona, divenne assistant professor in fisica e astronomia all’Università della California di Los Angeles (UCLA) dove è full professor dal 2000.
A cavallo degli anni ’60 e ’70 il fisico-matematico teorico britannico Roger Penrose, con nuovi ingegnosi metodi matematici, dimostrò che i buchi neri erano una conseguenza diretta della teoria della relatività generale di Einstein. Penrose ne descrisse inoltre le proprietà: al centro del buco nero vi è una “singolarità”, un limite oltre il quale le leggi della fisica non sanno descrivere ciò che avviene. Studi successivi predissero inoltre che questa singolarità sia circondata da una regione, chiamata “orizzonte degli eventi”, oltre la quale nulla può sfuggire all’attrazione gravitazionale del buco nero. Luce inclusa. Insomma, dall’orizzonte degli eventi di un buco nero non vi è ritorno!
Diagramma schematico dell’interno di un buco nero secondo le teorie attuali. (crediti C. Oppedisano per SxT)
Ma come si può “provare” l’esistenza di un buco nero distante circa 25.000 anni luce dalla Terra? Negli anni ’90 due gruppi si misero quasi contemporaneamente al lavoro per cercare di provare questa teoria: il gruppo di Andrea Ghez all’UCLA e il gruppo di Reinhard Genzel al centro di fisica extraterrestre del Max Plank Institute di Garching. Per “rivelare” l’esistenza di un buco nero bisogna osservare quel che accade nelle regioni circostanti. Questo è un obiettivo comunque molto complesso poiché la luce proveniente dalle stelle al centro della nostra galassia è fortemente oscurata dalla polvere spaziale. È inoltre necessario correggere gli effetti di sfocamento (blurring in inglese) provocati dall’atmosfera terrestre. Per ovviare a questo effetto è stato necessario mettere a punto una tecnologia particolare, chiamata speckle imaging, un metodo che attraverso un accurato processamento di centinaia di immagini acquisite con brevi tempi di esposizione, permette di ottimizzare la risoluzione dell’immagine. Inoltre, è cruciale correggere per le dispersioni ottiche dovute ai movimenti turbolenti nell’atmosfera che agisce come uno specchio deformante sulla radiazione che la attraversa. Per questo si utilizza una particolare ottica, detta “adattiva”, che si avvale di un sistema laser per creare delle “stelle artificiali” la cui luce, proiettata nell’atmosfera, viene dispersa e distorta come quella delle stelle osservate, e fornisce quindi le correzioni da apportare alla radiazione osservata delle stelle “vere”. Questi metodi sono stati sfruttati dal gruppo di Genzel che utilizzava il Very Large Telescope in Cile e dal gruppo di Ghez al Keck Telescope delle isole Hawaii.
Creazione di una stella guida artificiale all’ESO Very Large Telescope (VLT) nel deserto di Atacama in Cile. (crediti ESO)
In oltre 25 anni di osservazioni i 2 gruppi di ricercatori sono riusciti a raccogliere l’evidenza sperimentale dell’esistenza di un buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, studiando il moto di diverse centinaia di stelle. Dai balletti di queste stelle intorno al centro della Via Lattea hanno potuto calcolare la massa dell’oggetto che esercita su di esse una forza gravitazionale e il risultato è stato sorprendente: Sagittarius A* è un oggetto con una massa 4,3 milioni di volte quella del Sole confinato in un volume paragonabile a quello del sistema solare!Studiando la radiazione emessa da una delle stelle che orbitano intorno a questo buco nero, chiamata S0-2, gli scienziati hanno potuto verificare una proprietà prevista dalla teoria einsteniana, ovvero che la radiazione emessa dalla stella, in prossimità del buco nero subisce uno spostamento verso lunghezze d’onda maggiori (il cosiddetto redshift) dovuto all’elevata velocità della stella: 25 milioni di chilometri all’ora, circa il 3% della velocità della luce! Ma probabilmente l’osservazione più sorprendente per Andrea e i suoi colleghi sono stati i bagliori nella regione dell’infrarosso della durata di circa 1 ora, originati più volte durante le osservazioni nelle vicinanze della regione interna di Sagittarius A*, corrispondente all’ultima orbita stabile. Questi brillamenti hanno costituito un ulteriore, forte supporto all’ipotesi del buco nero supermassivo: i brillamenti sono infatti prodotti dal gas che, cadendo nel buco nero, si scalda ed emette radiazione.
Immagine del buco nero supermassivo Sagittarius A*, catturato dall’Event Horizon Telescope, una rete di 8 radio telescopi sulla Terra, cosĩ chiamato poiché si proponeva di studiare l’orizzonte degli eventi del buco nero supermassivo al centro della nostra galassia. Sebbene non possiamo “vedere” l’orizzonte degli eventi poiché non emette luce, vediamo i brillamenti del gas che cade nel buco nero. (crediti ESO)
La lezione all’attribuzione del premio Nobel di Andrea Ghez (premio condiviso con Reinhard Genzel e Roger Penrose) aveva il titolo “Dalla possibilità alla certezza di un buco nero super-massivo”. Andrea, in una delle tante interviste che seguirono l’attribuzione del premio dichiarò: “Per me è sempre stato molto importante ispirare e incoraggiare giovani donne a dedicarsi alle scienze, quindi per me il premio Nobel significa un’opportunità e una responsabilità. Ad ogni passo qualcuno dice sempre no, non puoi fare questa cosa perché sei una ragazza. Io mi sono abituata a ignorare la gente che diceva che non potevo fare qualcosa, mi sono allenata a credere in me stessa. La fisica è un campo di studio che può regalare così tante soddisfazioni e, se si è appassionati di scienza, c’è veramente molto da fare!”.
Tra le molte cose da fare restano diverse domande sui buchi neri supermassivi e sulla gravità ancora in attesa di risposta!
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.
Chiacchiere di fisica di Stefano Marcellini
Una cosa che proprio non capivo al liceo era che se appoggiavi un corpo su un piano, il piano reagiva con la famosa "reazione vincolare", che era sempre uguale e opposta al peso del corpo. Come se il piano fosse intelligente. Ci metto un corpo da un chilo? Pronti con la reazione vincolare da un chilo! Ce lo metto da 10 chili? Ecco a voi una bella reazione vincolare da 10 chili giusti giusti! Il piano pensante! Io di sicuro non ero una cima, ma se semplicemente mi avessero fatto notare che mettendo un corpo da 10000 chili non avrei prodotto una reazione vincolare da 10000 chili ma avrei sfondato il pavimento, avrei capito. Sarebbe bastato così poco!
La reazione vincolare è il risultato della modifica della struttura della superficie del piano quando ci si appoggia sopra un peso. La struttura del piano di supporto si modifica (a livello microscopico se il peso è piccolo, e anche a livello macroscopico se non lo è) a causa del peso, e finché il corpo non sprofonda, per forza di cose la reazione vincolare è uguale e opposta al peso stesso, perché la somma delle forze deve essere zero. Se il corpo pesa poco, non c'è bisogno che il piano si scomodi troppo a modificarsi per bilanciarne il peso e non farsi trapassare. Se invece il corpo pesa molto, il piano deve adattarsi di brutto chiedendo ai legami delle molecole che lo compongono un grosso sforzo collaborativo. E se il corpo pesa troppo, le molecole dicono "basta, questo è troppo per noi" e il pavimento schiatta sotto il peso.
Ma la cosa interessante è l’origine della reazione vincolare. La forza che localmente sostiene il peso dell'oggetto è dovuta alla repulsione elettrica tra gli elettroni degli atomi del pavimento e quelli degli atomi dell'oggetto che ci appoggio sopra. La reazione vincolare è una forza elettrica! È infatti merito della presenza di cariche elettriche nella materia, che non serve solo a far accendere le lampadine, ma anche a non farci sprofondare nel pavimento!
Oltre alla repulsione elettrica fra elettroni c'è in realtà un altro fenomeno della natura che in qualche modo ci mette del suo: il Principio di esclusione di Pauli. Il principio di Pauli impedisce a particelle di spin semi-intero (1/2, per capirci) di stare nello stesso posto con la stessa energia e spin (con gli stessi "numeri quantici", per essere precisi). E gli elettroni, guarda caso, sono particelle di spin 1/2. Il risultato è che quando cerchiamo di avvicinare troppo gli elettroni degli atomi dell'oggetto che appoggiamo sul tavolo con gli elettroni degli atomi del piano di supporto, il Principio di Pauli entra in azione, e si manifesta tenendo lontano il peso quel tanto che basta a non essere violato. Questa stralunata legge che si studia in chimica al liceo ancor prima che in fisica, contribuisce a impedirci di sprofondare al piano di sotto. Ma fa anche altre incredibili magie, che magari racconteremo un’altra volta.
PS: esiste un certo dibattito su quanto sia effettivamente rilevante il Principio di Pauli nel non sprofondare nel pavimento. Alcuni dicono che il motivo sia sostanzialmente nella repulsione elettrica e basta. La mia opinione è che il Principio di Pauli sia comunque fondamentale, perché senza di esso gli atomi sarebbero radicalmente diversi, e sostanzialmente la materia non avrebbe il volume che ha. E la reazione vincolare, alla fine, è la materia che si ribella a chi vorrebbe ridurre il suo volume all'interno.
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
La fisica è servita!
Segreti di fisica in cucina
La redazione di “ScienzaPerTutti” dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare bandisce la XIX edizione del concorso per le Scuole indirizzato a studentesse e studenti che frequentano:
• il triennio delle Scuole secondarie di II grado (1° categoria di concorso).
• il biennio delle Scuole secondarie di II grado (2° categoria di concorso);
• la classe terza delle Scuole secondarie di I grado (3° categoria di concorso);
La fisica può aiutarci anche in cucina! Ricette, strumenti, tecniche e procedure corrette, ma anche convinzioni infondate ed errori incredibili.
Qual è la vostra ricetta preferita? Raccontatecela in un video spiegando uno o più processi fisici che entrano in gioco nella ricetta. Potete scegliere la ricetta che più vi piace (uno spuntino, una bevanda, un primo, un secondo, un dolce, una merenda…). La fisica potrebbe nascondersi nella procedura o nella tecnica, negli strumenti utilizzati o nel metodo di cottura per esempio.
Presentate la ricetta e i concetti di fisica ad essa collegati in un video di massimo 4 minuti e in una scheda riassuntiva, prendendo come modello quella allegata al bando.
Iscrizione gratuita entro il 16 febbraio 2024
Per facilitare chi ha avuto problemi tecnici nella fase di iscrizioni saranno accettate le iscrizioni fino al 19 febbraio compreso.
Invio materiale entro il 27 marzo 2024
locandina
regolamento concorso
allegato per presentazione instagram
informativa
link iscrizione
link invio elaborati
Scopri come si costruisce
uno spettroscopio in casa.
Scarica il pdf |
Vota il tuo scienziato preferito e iscriviti alla nostra newsletter!
Chiacchiere di fisica di Stefano Marcellini
Incredibile scoperta fatta dai pesci
Sì, perché noi non lo sappiamo, ma anche tra i pesci ci sono gli scienziati, che dedicano la vita a studiare quello che per loro è l'Universo: il mare. Gli scienziati pesci, in questi ultimi anni, sono alle prese con un difficile problema: come è fatto l’Universo. In realtà da sempre i pesci si sono posti questo problema, prima ancora che anche tra di essi nascesse la Scienza. Ma oggi essi si chiedono come è fatto l’Universo non davanti alla propria tana, o nella propria zona di caccia, ma come è fatto su grande scala, su grandi distanze, in zone che mai saranno raggiungibili da nessun pesce, ma che con i mezzi della Scienza e della Ragione (che ai pesci non manca) sono comunque indagabili.
Al momento lo stato della conoscenza dei pesci sulla composizione dell’Universo è che esso è composto principalmente da sali. Ci sono sali di magnesio, di zolfo, di potassio, e anche vari carbonati, e poi nitrati, fosfati, e via via anche piccole percentuali di altri elementi. Tutto ciò i pesci lo chiamano genericamente Sale. Si può dire quindi in buona sostanza che l'Universo, per i pesci, è fatto di Sale.
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!
Iniziativa conclusa
2021, 12 mese di scoperte
In un momento particolarmente difficile per il mondo scolastico ScienzaPerTutti ha sviluppato nuove rubriche per sostenere gli studenti nello studio della fisica a distanza. Adesso, con il calendario “2021, 12 mesi di scoperte” ScienzaPerTutti entra nelle aule raccontando la vita di 12 fisici, donne e uomini, protagonisti della scienza del XX secolo. Le biografie rappresentano degli estratti della rubrica Vite da Genio la cui versione integrale è accessibile tramite il QR code presente in ogni pagina. I 12 ritratti sono opere inedite del giovane illustratore Francesco Fidani, che ha collaborato a questo progetto con entusiasmo e creatività.
Con il nostro calendario speriamo di essere da stimolo nello studio delle scienze perché, come affermava Cecilia Payne: “La vera ricompensa per un giovane scienziato è l’emozione che prova nell’essere la prima persona al mondo a vedere qualcosa di nuovo. Niente può essere paragonato a quest’esperienza”.
Abbiamo raggiunto il limite di copie a diposizione e non è possibile inviarvi il calendario ma presto, su questo sito, sarà disponibile la versione digitale da scaricare.
Guarda il CALENDARIO ScienzaPerTutti 2021, pdf (risoluzione video) versione completa.
ATTENZIONE
Vi ringraziamo per l'attenzione che ci avete prestato, purtroppo le copie sono terminate e da oggi, 7 gennaio 2021, non possiamo più accettare le vostre richieste. Se volete essere informati sulle nostre attività iscrivetevi alla nostra newsletter riempiendo il modulo
Illustrazioni © Francesco Fidani per INFN
Scopri la versione integrale de “La vita da genio” dei 12 scienziati che abbiamo scelto per il 2021 dai link sotto le illustrazioni.
LUGLIO | Margaret Hamilton | ||
Progetto calendario “2021, 12 mesi di scoperte”
a cura di Francesca Cuicchio, Pasquale Di Nezza, Chiara Oppedisano
Testi biografie a cura di Chiara Oppeddisano, INFN Torino
Grafica a cura di Francesca Cuicchio, INFN Ufficio Comunicazione
Illustrazioni originali di Francesco Fidani per SOCIAL RACOON
Recentemente ho letto che un esperimento al CERN ha dimostrato che "l'antimateria cade per gravità come la materia", cosa vuol dire?
Caro lettore,
potrà apparire soprendente, ma il fatto che corpi con masse e composizioni diverse cadano tutti nello stesso intervallo di tempo, dal lancio a quando toccano terra, non è una cosa affatto scontata! È stato Galileo il primo ad osservare questo significativo aspetto della Natura, che prende il nome di universalità della caduta libera, con il suo famoso esperimento di confronto della caduta di due gravi dalla torre di Pisa. Le verifiche empiriche del principio di universalità della caduta libera richiedono di confrontare le traiettorie di caduta di corpi con masse e composizioni le più diverse possibili. Più esotici e diversi sono l’oggetto lanciati e confrontati, maggiori informazioni otteniamo sull’universalità del principio. Ma, fino ad oggi, non eravamo ancora riusciti a verificarlo utilizzando corpi di antimateria.
Che cos’è l’antimateria? Un forma di materia speculare rispetto alla materia ordinaria (fatta di protoni, elettroni e neutroni), che esiste e si può produrre in laboratorio, ma non si trova in Natura. Essa ha la peculiarità di annichilirsi su una controparte di materia, trasmutando gran parte della massa in luce o in altre particelle. Oggi, all’Antimatter Factory del CERN, siamo in grado di produrre atomi di antidrogeno a partire dai suoi costituenti, antiprotoni e positroni, e di conservarli in speciali trappole elettromagnetiche in ultra-alto vuoto fino a diverse ore, evitando che si annichilino. E’ proprio partendo da una trappola per atomi di antidrogeno, che l’esperimento ALPHA è riuscito ad eseguire un primo esperimento di caduta libera, misurando l’accelerazione di gravità percepita dagli antiatomi e confermando l’universalità della caduta libera. Questo risultato è un primo passo in un campo che è solo agli inizi. I fisici degli esperimenti AEgIS e GBAR, si apprestano anch’essi ad indagare la caduta dell’antimateria all’Antimatter Factory, impiegando tecniche più sofisticate, più sensibili e con minori incertezze.
Risposta a cura di Ruggero Carovita, ricercatore INFN Tifpa, spokesperson di Aegis, precedentemente MSCA COFUND FELLINI Fellow
COMUNICATO STAMPA INFN
SCIENZAPERTUTTI SVELA I RISULTATI DEL CONCORSO INFN PER LE SCUOLE
“CI VUOLE IL FISICO!”
Oltre 1000 studenti e studentesse partecipanti in quasi 300 squadre da 95 scuole si sono sfidati nel concorso annuale per le scuole secondarie bandito dall’INFN
Ping pong, salto con gli sci e ciaspole: questi gli sport analizzati dalle squadre vincitrici del concorso “Ci vuole il fisico! La fisica dello sport” proposto alle scuole da ScienzaPerTutti, il sito web di comunicazione e divulgazione della scienza dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Giunto alla XVIII edizione, il concorso quest’anno ha sfidato gli studenti e le studentesse a scegliere uno sport e a raccontarne la fisica, suscitando un grande entusiasmo che ha portato a oltre 1000 partecipanti da 95 scuole tra superiori e medie.
Tra le 106 squadre iscritte nella prima categoria, dedicata al triennio delle scuole superiori, si è aggiudicato la vittoria Daniel De Antonis Spagnolo della classe V C L.S. dell’IIS G. Colasanti di Civita Castellana (Viterbo). A vincere nella seconda categoria, riservata al biennio delle scuole superiori, tra 146 squadre, sono, invece, Maria Alkousee, Erika Genovese, Francesca Romanin e Riccardo Salvador della classe II ESCL del Liceo Scientifico Statale M. Grigoletti di Pordenone.
Infine, per la terza categoria, aperta alle classi terze delle scuole medie, tra 45 squadre hanno vinto Matthew Centofanti, Denise Fili e Christian Traggiai della classe III A dell’IC Piazza al Serchio – plesso Gramolazzo di Piazza al Serchio (Lucca).
Le squadre che hanno vinto la sfida e le altre che si sono distinte per menzioni speciali, di cui si possono vedere gli elaborati pubblicati sul sito, si sono aggiudicate kit scientifici, abbonamenti alla rivista Le Scienze, buoni da spendere in libreria e gadget di ScienzaPerTutti per scoprire sempre di più sulla scienza.
CATEGORIA 1 |
|||
1° classificatoLa fisica di uno sport dimenticato PING PONGDaniel De Antonis Spagnolo |
MENZIONE SPECIALEFermi in movimentoArezzo Francesco, Giummarra Stefano, Longo Salvatore, Tirrito Mattia |
MENZIONE SPECIALELANCIO DEL MARTELLOZamperini Nicolò, Filippini Gabriele, Chincarini Maria, Muharremi Esmeralda |
MENZIONE SPECIALE
Formula 1 del futuroMartino Giuseppe Antonio, Santeramo Vito, Misceo Nicola, Di Monte Matteo |
MENZIONE SPECIALE
La fisica nello sport: APNEARossetton Alberto, Tanduo Emmanuele Niccolò, Busato Luca |
MENZIONE SPECIALE
La pallavolo nella fisicaD'Accolti Antonio, Moretti Sara, Pacelli Sara |
CATEGORIA 2 |
|||
1° classificatoFisici di ghiaccioAlkousee Mariam, Genovese Erika, Romanin Francesca, Salvador RiccardoClasse II ESCI Liceo Scientifico Statale M. Grigoletti di Pordenone Responsabile: Matteo Avolio |
MENZIONE SPECIALEGinnastica ArtisticaGashi Erza, Danieli Anna, Mattiazzi Viola |
MENZIONE SPECIALELa fisica del rimbalzelloGiaccardi Giorgio, Fresia Filippo, Apicella Antonio, Rinaldi Paolo |
CATEGORIA 3 |
|||
1° classificatoLa ciaspolataCentofanti Matthew, Fili Denise , Traggiai ChristianClasse III A IC Piazza al Serchio - plesso Gramolazzo di Piazza al Serchio (Lucca) Responsabile: Rebecca Bazzichi |
MENZIONE SPECIALEIl calcio e la scienzaIacopi Francesco, Martini Lorenzo, Mercoledì Ilenia, Nardini Viola Classe |
MENZIONE SPECIALESalto in altoMarchi Camilla, Morosini Sebastiano, Protsenko Olha, Romei Gabriel |
Pagina 1 di 2