I numeri della fisica

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.