Categoria: physisc

Il vuoto che ho dentro

Mi capito spesso di sentirmi vuoto, un po’ inutile. Mi capita di guardare le mie giornate scorrere senza davvero capirne il senso o con la netta impressione che non stanno lasciando traccia. Mi capita di vivere per riflesso o addirittura di non cogliere la bellezza di questa vita.

Sicuramente è a causa di una mia scarsa profondità morale, ma forse anche a causa di tutto il vuoto che ho dentro. Incolmabile.

Nel senso che io, e fatemelo dire, anche voi siamo fatti per la maggior parte di nulla, di vuoto, di spazio senza materia. Siamo degli ingombranti volumi fatti di pochissima massa e di moltissimo nulla.

Ora, a parte le irrinunciabili divagazioni metafisiche che questa costatazione mi porta a fare, il punto è che siamo fatti di materia. La materia è fatta di molecole e queste di atomi e gli atomi (ahimè) sono fatti sostanzialmente di… vuoto.

Atomo1.png

Allora, senza fare la solita sbrodolata, gli atomi sono i costituenti della materia a loro volta costituiti da particelle subatomiche (protoni, neutroni ed elettroni) che si sono organizzati in un sistema relativamente semplice (scopiazzando dal nostro sistema solare anche se il paragone non mi piace particolarmente a causa della sostanziale differenza delle forze in gioco). C’è un nucleo centrale formato in genere da neutroni e protoni attorno al quale ruotano gli elettroni. Questi sono disposti in una specie di nuvoletta (gli orbitali) nei quali c’è un’altissima probabilità (e qui entra in gioco la statistica nella meccanica quantistica) di trovarli. La maggior parte della massa dell’atomo è nel nucleo (il nucleo è qualcosa come 1800 volte più pesante degli elettroni), mentre gli orbitali… fanno volume.

Quindi, un atomo è una struttura molto piccola, con quasi tutta la massa nel nucleo ed una piccolissima parte statisticamente a distanze moooolto grandi, in proporzione alle dimensioni del nucleo. Ed ecco fatto il nostro vuoto.

Atomo2.png

Immaginiamo un’arancia che abbia dimensioni pari a quelle del pianeta terra Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.
[Il Tao della Fisica, F. Capra]

Buttiamo due numeri: il raggio medio di un atomo è qualcosa come 10^-11 metri, mentre il raggio medio del nucleo è circa 10^-15 metri; il risultato (considerando che nella formula del volue della sfera ci sono i cubi di questi raggi) ci porta a dire che l’atomo è vuoto (distanza media fra nucleo ed elettroni) al 99.999999999999%!!

Così, a spanne: un uomo medio peserà 70 kg, che considerando una densità unitaria (acqua) corrisponde a 0.07 m3, ovvero circa 70 litri. Saremo qualcosa come 7.000.000.000 di esseri umani su questa faccia di Terra e ciascuno ha una massa che sarebbe condensabile nel 0.000000000001 del suo volume. Risultato: circa mezzo litro.

Ed ora fantastichiamo un po’. Diciamo che riusciamo a togliere (e come?) tutto lo spazio vuoto dali atomi, e quindi rimanere solo con il minimo volume necessario a contenere la nostra massa (si, la nostra densità, che è circa quella dell’acqua, aumenterebbe a dismisura); il risultato sarebbe che tutta l’umanità sarebbe contenuta in una pallina da tennis, o in una zolletta di zucchero o comunque sarebbe qualcosa di meno di un litro di volume.

Affascinante.

Siamo quindi fatti sostanzialmente di nulla. Allora la domanda sorge spontanea: come è possibile che quando due corpi si incontrano riescono a non compenetrarsi (il nostro sedere non passa attraverso la sedia) se sono fatti entrambi di vuoto? Ed è nuovamente la meccanica quantistica a spiegarci l’arcano.

Due elettroni non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico, quando due elettroni si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi (l’esempio di due calamite è qui molto calzante): principio di esclusione di Pauli.
Quindi le molecole che compongono un corpo non possono arbitrariamente essere spinte le une verso le altre, poiché gli elettroni di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni di un’altra molecola.

Quando ci sediamo su una sedia in realtà… non la tocchiamo ma lievitiamo a qualche nanometro di distanza su di essa, respinti dalle forze elettriche degli atomi che compongono la sedia: le forze elettriche ci rendono effettivamente solidi.

Affascinante, nuovamente.

WU

PS. Ovviamente la percentuale di vuoto e tutti i fanta-calcoli che ne derivano sono valori medi essendo gli atomi tutti diversi ed essendo noi (ma in fondo tutta la materia) costituiti da una miriade di elementi.

Altrettanto ovviamente sentendo i ragionamenti di certe persone viene il fondato dubbio che la percentuale di vuoto sia molto molto maggiore del mio male di vivere.

PPSS. Chiedo scusa ai puristi della meccanica quantistica, in quanto il concetto di volume e raggio dell’atomo, a livello microscopico appaiono assolutamente fuori luogo, trattandosi di orbitali quantistici in cui gli elettroni hanno una data probabilità di trovarsi: quello che chiamiamo vuoto non è affatto vuoto, solo non c’è materia…

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Anomalia magnetica del Sud Atlantico

Due parole che non possono non catturare l’attenzione: anomalia e magnetica…

La South Atlantic Anomaly (SAA) è un punto, ormai ben noto, della superficie terrestre in cui l’intensità del campo magnetico è particolarmente debole.

In questa regione le così dette Fasce di Van Allen (ciambelle che avvolgono la Terra composte di particelle cariche intrappolate nel campo magnetico del nostro pianeta) sono particolarmente vicine alla superficie terrestre (fino a circa 200 km!) e ciò interferisce con il campo magnetico generato dl nostro pianeta. Tale vicinanza è una combinazione dell’inclinazione dell’asse di rotazione della terra e dell’asse magnetico terrestre, ma il risultato è che in questa regione le cose sono un po’ più strane che ne l resto del globo.

Le dimensioni della SAA aumentano anche con la quota e la sua estensione varia nel tempo; la parte più intensa della regione si sta infatti spostando lentamente verso Ovest ad una velocità di circa 0,3° di longitudine per anno.

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Ma non è tutto.

Al confine tra Zimbabwe, Sudafrica e Botswana, ovvero nel cuore della SAA (che ad oggi si estende fra circa 0° e -50° in latitudine e da 90° Ovest a 40° Est in longitudine) viveva nell’età del Ferro una popolazione di agricoltori ed allevatori con una strana tradizione.
Per propiziare i loro dei nei periodi di siccità, infatti, bruciavano recipienti di grano. Recipienti di argilla. E meno male…

L’argilla, bruciata ad alta temperatura, infatti, stabilizza i sui minerali magnetici che praticamente si dispongono in accordo al campo magnetico del momento. Scattando di fatto una foto magnetica del pianeta in quell’epoca.

Qualcosa di insolito nel confine tra nucleo e mantello al di sotto dell’Africa è evidente che ci sia (e ci fa piacere il fatto che ci sia) ed, assieme alla vicinanza delle fasce di Van Allen, determina tale anomalia. La African large low velocity province è praticamente questa regione (e stiamo parlando di qualcosa come 3000 km2!) in cui il materiale fra nucleo e mantello è un po’ rallentato, scorre più piano, rallenta anche la propagazione delle onde sismiche e genera “meno campo magnetico” (non me ne vogliano i puristi).

E le scoperte (di un gruppo di scienziati dell’Università di Rochester, New York) sono state anche più interessanti; il campo magnetico della regione ha subito significative fluttuazioni fra il 400 e il 450 d.C., dal 700 al 750 e dal 1225 al 1550. Questo vuol dire che la SAA è in effetti solo la manifestazione attuale di un fenomeno ricorrente del campo magnetico del pianeta.

E’ pertanto un fenomeno ciclico, molto probabilmente indice della famigerata inversione magnetica (che NON ci ucciderà), che ha in questa regione la sua spia ed il suo “punto debole”; il suo punto di innesco.

WU

78 megahertz

Romanziamo un po’ anche questo.

Deserto australiano, una piccola antenna radio nel bel mezzo di un nulla di polvere, vento e silenzio. Un solo omino, stanco ed annoiato davanti al suo monitor. Vent’anni di speranze, ricerche e tentativi; condivisi dal nostro solitario ricercatore e da decine di sognatori e testardi come lui.

Ad un tratto un flebile bip; un puntino insignificante per molti, tanti, tantissimi, tutti meno che lui. Il bip che aspettava, il vagito della prima stella. Buon compleanno.

180 milioni di anni dopo il Big Bang, praticamente un’occhiolino dopo la nascita dell’universo, l’ “Età Oscura” (il buio cosmico, perenne ed onnipresente) era squarciato dalla prima luce. Raggi ultravioletti che squarciavano la nebbiolina di idrogeno che rappresentava il risultato stesso del Big Bang, che era “il tutto”.

The low-frequency edge of the observed profile indicates that stars existed and had produced a background of Lyman-α photons by 180 million years after the Big Bang. The high-frequency edge indicates that the gas was heated to above the radiation temperature less than 100 million years later.

La piccola antenna si era spinta indietro nel tempo dove nessuno era mai giunto, dove i suoi fratelloni più grandi, sia in cielo che in terra, non erano ancora arrivati. Un segnale flebile e disturbato in mezzo ad una moltitudine di rumore e ruggiti di stelle più grandi e più giovani. Ma l’interesse era per quel vecchio, lontano e flebile dinosauro che rappresentava una pietra miliare nell’evoluzione del cosmo.

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Ma non è tutto; il bip non suonava come il nostro amico testardo si aspettava. Non era un segnale propriamente regolare… e meno male, dato che altrimenti la ricerca sarebbe finita li. Era in qualche modo un segnale deformato, dalle caratteristiche inattese: due volte più ampio del previsto (An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum).

After stars formed in the early Universe, their ultraviolet light is expected, eventually, to have penetrated the primordial hydrogen gas and altered the excitation state of its 21-centimetre hyperfine line. This alteration would cause the gas to absorb photons from the cosmic microwave background, producing a spectral distortion that should be observable today at radio frequencies of less than 200 megahertz.

[…]

The profile is largely consistent with expectations for the 21-centimetre signal induced by early stars; however, the best-fitting amplitude of the profile is more than a factor of two greater than the largest predictions. This discrepancy suggests that either the primordial gas was much colder than expected or the background radiation temperature was hotter than expected.

78Mhertz.png

E qui, dal solitario omino si passa ad una pletora di pensatori imbellettati, di scienziati da carta e penna, di lavagne polverose e studi bui: l’idrogeno gassoso era forse più freddo di quanto ipotizzato; probabilmente a causa dalla materia oscura. In piena serendipità, da cosa nasce cosa e siamo vicini a poter definire qualche proprietà di una particella di materia oscura e (speriamo di no) rimetter mano al modello standard per tener buono questo strano, flebile vagito e la conoscenza del mondo che ci circonda così come siamo abituati a vederlo e spiegarcelo.

Praticamente nello spetto delle microonde della radiazione cosmica di fondo, questa lieve diminuzione del segnale attorno ai 78 MHz è una distorsione compatibile con, tenendo conto dell’assorbimento dell’idrogeno e dello spostamento verso il rosso dovuto all’espansione dell’universo, un idrogeno (ed in fondo un intero universo) due volte più freddo di quanto ci aspettassimo.

Parliamo di circa 3 gradi Kelvin; -270°C.

Astrophysical phenomena (such as radiation from stars and stellar remnants) are unlikely to account for this discrepancy; of the proposed extensions to the standard model of cosmology and particle physics, only cooling of the gas as a result of interactions between dark matter and baryons seems to explain the observed amplitude.

WU

Fascicolo arcuato

Quando si dice che ci sono problemi di comunicazione. Anzi, di interazione.

Ma secondo voi il fatto che chi abbiamo di fronte può pensarla diversamente da noi, o semplicemente può pensare, è una cosa naturale o no?

Fin’ora sono stato sempre intrinsecamente ed un po’ rassegnatamente convinto che fosse una di quelle doti innate dell’essere umano. Pare invece (e non nascondo un filo di soddisfazione) che la cosa non sia proprio così automatica…

Fino a circa tre anni, infatti, i bambino non si immaginano neanche che gli essere viventi (ovviamente non sono quelli umani) che hanno davanti possono pensarla in maniera diversa da loro, ne si immaginano che possono proprio avere qualche facoltà intellettiva; anzi, non sanno neanche che significa pensare. Ed è un bene.

A quattro anni, improvvisamente, il dramma ( 🙂 ). Il così detto “fascicolo arcuato” si sviluppa ed i bambini cambiano il loro (bel) modo di vedere il mondo: si trovano davanti altri essere pensanti; loro stessi sono in grado di pensare.

Il fascicolo arcuato è una specie di ponte che connette due regioni del cervello. Da una parte una regione posteriore del lobo temporale nella quale prende vita il pensiero sugli altri (l’Area di Wernicke, coinvolta anche nella comprensione del linguaggio), dall’altra una regione del lobo frontale nella quale prendono vita i concetti astratti (l’Area di Broca, coinvolta anche nell’elaborazione del linguaggio) . Quando le due regioni vengono “cortocircuitate” ci accorgiamo di cosa sia il “pensare” e del fatto che anche gli altri sono in grado di farlo.

Praticamente iniziamo ad immaginare i pensieri altrui. E di solito non ne siamo particolarmente entusiasti.

WU

Single Atom in an Ion Trap

1atomoStronzio.png

In the center of the picture, a small bright dot is visible – a single positively-charged strontium atom. It is held nearly motionless by electric fields emanating from the metal electrodes surrounding it. […] When illuminated by a laser of the right blue-violet color, the atom absorbs and re-emits light particles sufficiently quickly for an ordinary camera to capture it in a long exposure photograph.

This picture was taken through a window of the ultra-high vacuum chamber that houses the trap. Laser-cooled atomic ions provide a pristine platform for exploring and harnessing the unique properties of quantum physics. They are used to construct extremely accurate clocks or, as in this research, as building blocks for future quantum computers, which could tackle problems that stymie even today’s largest supercomputers.

La materia è fatta di atomi (… e la mano divina ci ha soffiato dentro la vita… 🙂 ). Ma noi vediamo, tocchiamo, odoriamo, fotografiamo la materia, non gli atomi. Di solito.

Un singolo atomo visibile ad occhio nudo è qualcosa che suona un po’ fantascientifico; mi da un po’ l’idea di entrare nelle stanze segrete della creazione con una super 8.

Comunque c’è chi, con una normalissima fotocamera (il che rende il tutto decisamente notevole) è stato in grado di fotografare un singolo atomo, visible ad occhio nudo. Ovviamente la cosa è valsa all’autore, David Nadlinger, la vittoria dell’Engineering and Physical Sciences Research Council science photography competition 2018.

Stiamo parlando di un singolo atomo di stronzio intrappolato in un campo magnetico. 2 mm di spazio che separano due elettrodi che intrappolano un atomo che riflette una luce blu-viola; poi ci mettiamo una bella fotocamera, un obiettivo da macro (Canon 5D Mark II DSLR, Canon EF 50mm f/1.8 lens, extension tubes, and two flash units with color gels), ed uno scatto a lunga esposizione ed il gioco è fatto.

Strontium atoms are relatively large (and extremely stable; are used in atomic clocks…), with radii around 215 billionths of a millimetre. The atom is visible in this photograph because it absorbs and re-emits the bright light of the laser.

Ovviamente cerchiamo di non banalizzare; stiamo parlando di un dottorato in fisica e non di un fotografo occasionale e tutto il setup, che ha poi portato alla foto, è stato allestito per scopi decisamente meno pittorici.

Laser-cooled atomic ions provide a pristine platform for exploring and harnessing the unique properties of quantum physics. They can serve as extremely accurate clocks and sensors or, as explored by the UK Networked Quantum Information Technologies Hub, as building blocks for future quantum computers, which could tackle problems that stymie even today’s largest supercomputers.

WU

Moon’s fossil bulge

Come trattare brevemente (e sommariamente come mi si confà) un tema che merita lunghi trattati, che sono poi solo il frutto (giustamente dettagliato) di lunghi studi e tentativi.

Ad ogni modo, quando abbiamo la forza (ed i coraggio) di staccare il mento dal petto, il fatto che abbiamo un bel satellitone naturale che ci protegge non passa certamente inosservato.

Ma la luna, e questa non è certo una novità, nasconde ancora tanti segreti. Molti (praticamente tutti) oggetti nel nostro sistema solare hanno una specie di rigonfiamento all’equatore. Ovvero lungo le loro sezioni centrali si tende ad accumulare più massa a causa della rotazione (se lo fate con una trottola ve ne convincete velocemente) attorno al proprio asse.

La luna, anche in questo, è però speciale. Ha si il suo bel rigonfiamento equatoriale, che dovrebbe essere dell’ordine dei 200 metri, ma molto più pronunciato di quanto ci saremmo aspettati. Il rigonfiamento, infatti, è circa 20 volte maggiore! I molteplici crateri da impatto ed i vari bacini lunari hanno comunque “smussato” questo rigonfiamento, che rimane comunque sostanzialmente maggiore di quanto ci saremmo aspettati considerando la sua velocità di rotazione: un giro completo in circa 28 giorni.

Ovviamente la cosa è sufficiente per stuzzicare la mente umana e dedicarsi quindi a chiedersi il perché di tale anomalia (se non altro per dimostrare che i calcoli su tutti gli altri satelliti naturali li sappiamo fare e che la “teoria” è salva…). Bene, da simulazioni numeriche, riportati qui in Geophysical Research Letters, pare che gli strati esterni della luna si debbano esser congelati nella loro attuale configurazione circa 4 miliardi di anni fa (no, noi non eravamo ancora a spasso per il globo) per cristallizzare il notevole rigonfiamento equatoriale. E prima di quell’epoca, evidentemente, la luna ruotava su se stessa ad una velocità molto maggiore di oggi, il che quindi generava un rigonfiamento equatoriale notevolmente maggiore.

Questo scenario ha inevitabilmente un impatto anche su tutta l’evoluzione del sistema Terra-Luna. Oggi, infatti la luna ruota attorno a se stessa alla stessa velocità con cui ruota attorno alla Terra.

The Moon currently recedes from the Earth at a rate of about 4 centimeters per year according to lunar laser ranging observations from the Apollo missions. The recession is believed to result from gravitational or tidal interaction between the Earth and Moon. The same process also causes Earth’s rotation to slow down and the length of day to increase.

Ma per soddisfare tale scenario in passato la luna deve aver orbitato attorno a noi ad una velocità molto più alta ed anche la velocità con cui la Terra ruotava attorno al proprio asse (che in ultima analisi contribuisce al momento angolare di tutto il sistema Terra-Luna) deve esser diminuita più lentamente del previsto. Ciò ha infatti determinato una più lenta diminuzione della velocità di rotazione della luna attorno a se stessa che ha dato il tempo al rigonfiamento equatoriale di fissarsi al suo stato dell’epoca.

The timing and necessary conditions of this fossil bulge formation have remained largely unknown given that no physical models have ever been formulated for this process. Using a first-of-its-kind dynamic model, Zhong and his colleagues determined that the process was not sudden but rather quite slow, lasting several hundred million years as the Moon moved away from the Earth during the Hadean era, or about 4 billion years ago. But for that to have been the case, Earth’s energy dissipation in response to tidal forces-which is largely controlled by the oceans for the present-day Earth-would have to have been greatly reduced at the time.

E non è tutto; la cosa ci porta “facilmente” ad un’altra considerazione. Il fatto che la velocità di rotazione della Terra non stesse rallentando così rapidamente suggerisce che il nostro pianeta fosse praticamente un corpo semi-solido (altrimenti il movimento di masse liquide avrebbe introdotto una forza d’attrito frenante). Ovvero non vi era traccia di alcun oceano che rallentasse la velocità di rotazione del nostro pianeta, almeno per primi 500 milioni di anni… O, in alternativa, gli oceani esistevano ad uno stato ghiacciato, almeno in gran parte (probabilmente a causa del minore livello di emissione di calore/radiazioni da parte del nostro Sole).

Earth’s hydrosphere, if it even existed at the Hadean time, may have been frozen all the way down, which would have all but eliminated tidal dissipation or friction

Tema che merita maggiori approfondimenti, o almeno maggiori riflessioni, magari durante una notte di luna piena.

WU

Parole in fumo

Tanto per divagare su qualche altra cazzata.

Avete mai notato che candele/fiammiferi fanno fumo più che altro quando li spegnete? Non che se li spengo io non facciano o non facessero fumo, ma ieri sera mi sono flashato su questo “fenomeno misterioso” (ci scommetto che vi sarebbe la coda di programmi pseudo-scientifici pronti a risolvere l’arcano).

fumo.png

La mia spiegazione è abbastanza semplice e forse corretta. Il fenomeno in questione è ovviamente la combustione, ovvero una reazione in cui ossigeno (dell’aria) ed il carbonio (della cera o del legno) si combinano formando una serie di schifezze fra cui acqua ed anidride carbonica. Come è ben noto la combustione porta il sistema ad una temperatura decisamente alta (ma dai!) per cui i prodotti della combustione sono particelle ad elevata temperatura che, come tutte le cose incandescenti, emettono luce: vediamo la fiamma (ma dai!).

Quando andiamo a spegnere la fiammella con il nostro dolcissimo soffio quello che succede è che rompiamo le scatole a questo bel sistema. Ci troviamo quindi in una situazione in cui il fiammifero/candela sono ancora molto caldi, ma non abbastanza per emettere luce. Vi sono particelle non completamente combuste e grumi di composti del carbonio. Questi sono caldi (e pertanto più leggeri dell’aria, motivo per il quale il fumo tende a salire), ma non abbastanza da emettere luce. Si producono quindi corpuscoli non luminosi, ma nerastri: il fumo. Magia (della fisica chimica).

Abbiamo quindi il fumo in tutte quelle condizioni di combustione incompleta o mal riuscita (vogliamo parlare di un barbecue?) finché la “sorgente del carbonio” che sia candela, fiammifero o carbone non si raffredda fermando del tutto la combinazione con l’ossigeno dell’aria.

Il tutto per dire che una candela è bella da fissare e coadiuva la riflessione (ci certo molto più profonda di quella qui esposta) sia da accesa che mentre sta per spegnersi. Generalizzo?

WU

PS. Mi torna alla mente quest’altra divagazione da divulgatore.