Categoria: physisc

La costante

C’è una legge, una proprietà a cui niente e nessuno di noi è capace di sfuggire.

Esiste una certa quantità che non cambia mai qualunque siano i molteplici passaggi che la natura si inventa. E’ un qualcosa che non cambia, qualunque cosa accada. Diciamo pure che è un numero. In qualunque modo lo si calcoli prima, dopo e durante i capricci della natura il risultato è lo stesso. Possono cambiare i fattori, le formule, i contributi; possiamo modificarlo, mutarlo, ma alla fine il risultato sarà ineluttabilmente lo stesso. Come dire il numero ed il tipo di mosse sceglietelo pure a piacere, ma un pezzo nero degli scacchi nascerà e morirà sul nero (o sul bianco).

La formula per calcolare il numero aumenterà di complessità ed incorporerà sempre più termini man mano che si considera un ambiente più esteso. Man mano che si prenderanno in considerazione tutte le evoluzioni di questa quantità si arriverà a dover andare a vedere se un po’ di essa si è nascosta nell’armadio del vicino o nel laghetto a 1000 km. Ma se consideriamo tutto, ma proprio tutto, quella quantità rimarrà immutata.

Sempre. Rifate il conto fra migliaia di anni e fatemi sapere.

La cosa concettualmente più difficile da accettare è che non stiamo parlando di pasta, acqua o monete. Stiamo parlando di un concetto astratto che le nostre limitate menti non riescono a visualizzare. Stiamo parlando del niente che governa le nostre vite e ci permette di essere qui.

Innanzi tutto dobbiamo stare attenti a considerare uno stesso sistema. Sempre lo stesso. La nostra quantità invisibile può abbandonare il sistema, un’altra parte potrebbe introdurvisi. Dobbiamo stare attenti a considerare i contributi esterni… altri,enti ci troviamo con il nostro scacco che si muovo sul tabellone del Monopoli… e gridiamo al miracolo.

Dobbiamo poi fare attenzione a scovarla. La nostra quantità, abbiamo detto, può assumere molteplici forme diverse e sta a noi riconoscere dove si è nascosta e fare del nostro meglio per considerala… se vogliamo effettivamente avere conferma che il nostro numero non è variato.

Stiamo parlando dell’energia. Sappiamo che si conserva, non sappiamo cosa sia. Abbiamo formule per calcolarla nelle sue diverse forme, abbiamo contezza di dove può nascondersi, non abbiamo idea della sua origine.

WU

PS. Un approccio volutamente “alla Feymann” (… magari) alla questione. e proprio in virtù di tale ambizione lasciatemi chiudere con una sua chiosa che mi ricorda che non voglio insegnare nulla a nessuno, ma semplicemente imparare.

Non vedevo a cosa servisse un sistema di autoriproduzione nel quale si superano esami per insegnare ad altri a superare esami, senza che nessuno impari mai niente. [R. Feymann]

Se volete una trattazione seria ed accademica sulla legge di conservazione dell’energia ne trovate a tonnellate in giro; anzi, scommetto che vi hanno già martellato con questo concetto… in forme decisamente meno accattivanti.

Annunci

Jocelyn Bell Burnell

Irlanda del Nord, 1943. La seconda guerra mondiale non era ancora conclusa e l’Irlanda del nord, oltre a non versare in ottime condizioni economiche, non aveva neanche un sistema sociale che agevolava le donne. Il sistema scolastico, in particolare, scoraggiava le ragazze a studiare materie scientifiche imponendo voti di ammissione nettamente più alti di quelli dei maschietti.

Ciò nonostante Jocelyn non era certo di quelle che si faceva scoraggiare. Dopo gli studi, rigorosamente scientifici, Jocelyn arrivò a Cambridge per un dottorato sotto la supervisione del radioastronomo britannico Hewish.

Non si sentiva all’altezza dell’opportunità offertagli e promise a se stessa di dedicarsi con tutte le sue forze alla costruzione del nuovo radiotelescopio che in quegli anni si stava progettando e poi a scoprire eventuali anomalie con esso.

E così fece.

Il Mullard Radio Astronomy Observatory fu terminato nel 1967. Subito Jocelyn si mise a lavoro ed in poche settimane trovò un segnale anomalo.

Le tabelle dei dati risultanti dal radiotelescopio erano all’epoca cartacei e lunghe centinaia di metri. Per qualcosa dell’ordine dei 5 mm ogni tanto, ma ad intervalli assolutamente regolari, compariva qualcosa che aveva catturato l’attenzione di Jocelyn.

Esclusa l’origine terrestre del segnale (… altro che qui) la prima idee fu (come natura vuole) che fossimo difronte al segnale di qualche omino verde che voleva parlare con noi (il primo acronimo dato all’anomalia era, infatti, LGM – Little Green Men).
L’idea si infranse contro la dura verità quando Jocelyn ne individuò altri tre con periodicità diverse e in tre differenti regioni di cielo (lontani parenti degli odierni FRB). Escludendo un assalto di alieni logorroici, la sorgente di quei segnali potevano essere solo stelle.

Jocelyn.png

Ma che stelle?

Beh, oggi sappiamo che stiamo parlando delle pulsar. Stelle di neutroni a rapidissima rotazione che concentrano in qualche decina di km una massa anche maggiore a quella del Sole. Roteando vorticosamente emettono ad intervalli assolutamente regolari fasci di radiazione elettromagnetica.

Jocelyn aveva scoperto le pulsar. Oggi usate come una specie di radiofaro astronomico; si usano per orientare sonde nello spazio profondo quando molti riferimenti mancano, per triangolare altri segnali radio ed eventuali ritardi nei loro segnali sono un’ulteriore conferma del passaggio di un’onda gravitazionale.

Per la scoperta delle pulsar nel 1974 fu assegnato il premio Nobel. Non a Jocelyn. Il premio andò congiuntamente ad Hewish (tutore di dottorato di Jocelyn) e a Ryle, un altro radioastronomo britannico. Jocelyn era “solo una dottoranda” (donna?), i Nobel non viene assegnato ai dottorandi (non fatemi bestemmiare).

Jocelyn dopo aver concluso il suo dottorato si sposò e dovette abbandonare la carriera accademica per seguire il marito nel suo lavoro in giro per il mondo (beh… non so in questo caso quanto sia migliorata la condizione della donna…).

Attraversò quindi un lungo periodo di discontinuità lavorativa e si dedicò a crescere suo figlio. Il tutto fino al 1993. Jocelyn non mollava.

Oramai con un figlio grande ed un divorzio alle spalle ritornò alla sua passione originaria per la radioastronomia. Divenne in breve il capo dipartimento alla facoltà di fisica della Open University (istituzione di studio e ricerca per studenti part-time e a distanza) ed in seguito presidente della Royal Astronomical Society. Divenne la prima donna a dirigere la Royal Society of Edinburgh e l’Institute of Physics del Regno Unito. Alla fine (?), nel 2018, si è aggiudicata lo Speciale Breakthrough prize per la Fisica Fondamentale.

Ammirazione profonda.

WU

PS. Ora (dopo il Breakthrough prize) ci siamo ricordati di lei e la rete e piena di link e news…

24mo minimo solare

Il sole (come un po’ tutte le cose in natura) ha bisogno del suo riposo. La nostra stella compie un ciclo completo della sua attività in circa 11 anni. Attività segnata da turbolenze, espulsioni di massa dalla corona, brillamenti e macchie solari.

Ora siamo vicini, anzi vicinissimi, al minimo dell’attività del nostro sole. Siamo nei pressi di una sorta di “letargo” della nostra stella. E’ più di un mese, infatti, che sulla superficie del sole non vi è traccia di alcuna macchia solare.

In generale l’attività della superficie solare sembra sempre più rara e tutto sembra “senza incidenti” da troppi giorni. Il prossimo minimo solare (il termine del 24mo ciclo, per la precisione) è previsto per il 2021, ma se le cose continuano così sembra proprio che abbiamo un paio di anni di anticipo nella fase di riposo della stella. Praticamente il sole sta andando verso il suo riposo più velocemente di quanto ci aspettassimo.

Ovviamente il momento di “entrata” in questa fase di minimo non è un istante facilmente identificale ne tanto meno è facilmente prevedibile la durata di tale minimo. Il precedente (storicamente fra i più lunghi, ovviamente senza arrivare a scomodare il minimo di Mauder) è stato caratterizzato da ben 800 giorni consecutivi senza macchie solari.

Durante le fase di minimo il sole in qualche modo riorganizza il suo campo magnetico; un po’ come mettere ordine fra le proprie cose. In tale fase, inoltre, la corona solare presenta una serie di estesi “buchi coronali”. Ovvero una serie di regioni a bassa emissione di raggi X che però convogliano comunque il vento solare. Se una di queste raffiche fosse diretta verso la terra non ci proveremmo di osservare questa o quella aurore boreale, tempeste geomagnetiche e modifiche alla ionosfera (… la cosa a cui dobbiamo il propagarsi delle onde radio).

Il minimo solare ha anche un altro contro per il nostro pianeta. In questa fase, infatti, il vento solare è meno denso e scherma in maniera meno efficiente i raggi cosmici (particelle molto energetiche e quindi “cattive” per tutta l’elettronica che buttiamo nello spazio). In breve, il nostro scudo spaziale è un po’ meno efficiente e tutti i satelliti (inclusi quelli di telecomunicazione) sono un po’ più a rischio.

Magari fra qualche secolo vedremo qualche quadro con nevicate fuori stagione, fioriture o vendemmie tardive o fiumi inaspettatamente congelati, ma ad ogni modo non è un evento da allarmismo (neanche per i cospiratori più incalliti si può gridare alla prossima era glaciale); solo qualche anno di riposo per il nostro Sole come successo milioni di volte in passato e (forse) succederà in futuro.

WU

Penitentes

I penitenti (io? noi? sicuramente più di quelli che effettivamente lo fanno).

Ma, prima che io parta con divagazioni sociali opportunamente fuori luogo, facciamo che mi concentro sul concetto di questa parola che ho trovato, come natura vuole, per puro caso oggi.

I frati con quei lunghi cappucci bianchi davano proprio l’idea di essere dei penitenti (e non voglio illaizonare che lo fossero solo in parte), ma da questa immagine il termine è subito passato ad identificare delle strane conformazioni di … ghiaccio.

Esatto, esistono (io, con questi due occhietti non li ho mai visti) delle specie di coni di ghiaccio alti ed appuntiti che ricordano molto i cappelloni dei suddetti frati. Ne ereditano il nome e, forse, il loro monito alla nostra penitenza (così il termine mi piace molto di più).

Quando il punto di rugiada (il punto oltre il quale si ha la presenza di solo vapore ed al di sotto del quale coesistono lo stato liquido e quello gassoso) è costantemente sotto zero accade che il ghiaccio sublimi; ovvero non passi dallo stato solido a quello liquido, ma direttamente a quello aeriforme. Quando tale processo si innesca, in un blocco di ghiaccio iniziano a formarsi picchi e concavità. Su queste ultime i raggi solari (e tutti gli altri fattori atmosferici) accentueranno ulteriormente l’evaporazione del ghiaccio, mentre sui picchi, sempre più fini e solitari, il processo sarà sempre più blando.

penitentes

Il risultato è un campo di penitentes in cui queste strutture giacciono tutte una accanto all’altra, senza parlarsi e con il capo chino (mi piace questo mischione di concetti che sto facendo…).

Non li vedremo dalle nostre parti e nei climi temperati, ma oltre i 4000 metri, dove difficilmente vi saranno penitenti di altra sorta a zonzo, sono abbastanza comuni.

E lo sono ancora di più su altri mondi. Su Plutone, freddo e lontano dal Sole, i penitentes potrebbero (pare e condizionali a iosa… qui si parla di simulazioni, non osservazioni) raggiungere altezze anche di 500 metri separati da valli di 4000 metri! Praticamente come vedere delle sculture di ghiaccio enormi (ed uno scenario un po’ anche da casa di Frozen).

WU

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…

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.

SAA.png

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.

78Mhertz_1.png

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