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There’s plenty of room at the bottom

Una sorta di immancabile tributo.

Correva l’anno 1959 e R. Feymann era impegnato nell’insegnamento. Ma sempre a modo suo. Feymann era più che altro u divulgatore scientifico (e non me ne voglia lui per l’accostamento alla moderna concezione “della categoria”…), nel senso che era in grado di parlare a pubblici alquanto variegati cercando di far passare i concetti basilari per mezzo di esempi e trasposizioni facilmente (per quanto possibile) comprensibili.

There’s plenty of room at the bottom è un suo celebre discorso nel quale Feyann affronta il tema del estremamente piccolo. Propone, ben prima che fossimo in grado di farlo (ed anche di concepirlo come fattibile) la possibilità di manipolare la materia su scala atomica, di andare a sistemare i singoli atomi per creare computer piccolissimi o micro-microscopi. Ha anticipato l’idea di “ingoiare il nostro dottore”, ovvero di ingerire un qualcosa che vada a curarci (una sorta di nano-macchine biomedicali), micro robot guidati dall’esterno che vadano ad operare puntualmente l’essere umano o anche in situazioni complesse (e piccole).

In rete il testo della conferenza si trova in abbondanza e non mancano anche versioni più o meno fedeli in italiano; riporto sotto alcuni passi che hanno colpito questo fesso che scrive, che al contempo suggerisce di leggere il testo integrale (magari anche in lingua originale).

[…]

L’argomento di cui voglio parlare è la manipolazione e il controllo di oggetti su piccola scala. Non appena menziono l’argomento, le persone mi parlano della miniaturizzazione e di quanto sia progredita fino ad oggi. Mi parlano di motori elettrici della dimensione di un’unghia di un mignolo. E c’è in vendita uno strumento, mi dicono, con il quale si può scrivere il “Padre nostro” sulla capocchia di uno spillo. Ma questo è niente, è solo il primo esitante passo nella direzione di cui voglio parlare. Essa è quel mondo, sorprendentemente piccolo, che sta qua sotto.

Nell’anno 2000, quando guarderanno a quest’epoca, si meraviglieranno del fatto che fino al 1960 nessuno avesse iniziato a muoversi seriamente in questa direzione. Perché non possiamo scrivere tutti i 24 volumi dell’Enciclopedia Britannica sulla capocchia di uno spillo? Vediamone le implicazioni.”

[…]

Bene, il titolo di questo discorso è “C’è TANTO spazio laggiù in fondo”, non “C’è spazio laggiù in fondo”. Ciò che ho dimostrato è che c’è abbastanza spazio per ridurre le dimensioni di oggetti in un modo già tecnicamente attuabile. Ora voglio dimostrare che di spazio ce n’è tanto. Non parlerò delle fattibilità pratica, ma di ciò che è possibile in base alle leggi fisiche. Non sto inventando l’anti-gravità, che sarebbe possibile solo se le leggi non fossero quelle che pensiamo essere. Sto per parlarvi di ciò che può essere fatto se le leggi sono quelle che pensiamo che siano; se non lo stiamo facendo è solo perché non ci abbiamo ancora pensato.

[…]

Se ogni unità d’informazione fosse rappresentabile tramite un piccolo cubo di lato pari a cinque atomi, stimando che nei 24 milioni di libri che esistono al mondo ci siano 1015 unità d’informazione, questi potrebbero essere condensati in un cubo di materiale grande come il più piccolo pulviscolo di polvere visibile dall’occhio umano

“Quindi c’è tanto spazio laggiù in fondo! Non mi parlate di microfilm!

Il fatto che una quantità così enorme di informazioni possa essere trasportata in uno spazio così piccolo, è naturalmente ben conosciuto dai biologi e risolve il mistero, che esisteva prima che lo svelassimo, di come, nella più piccola cellula possano essere immagazzinate tutte le informazioni per l’organizzazione di una creatura complessa come l’essere umano. Tutte queste informazioni – se abbiamo occhi castani, capelli biondi, o che nell’embrione la mascella dovrebbe prima svilupparsi con un piccolo foro di lato, in modo che in seguito un nervo possa passare da lì – tutte queste informazioni sono contenute in una sezione molto piccola della cellula, che ha la forma di una lunga catena di molecole di DNA, nelle quali vengono usati circa 50 atomi per ogni unità di informazione nella cellula.

[…]

Costruire oggetti molto piccoli potrebbe anche essere oggetto di attività imprenditoriale. Consentitemi di ricordarvi alcuni dei problemi dei calcolatori elettronici. Nei computer dobbiamo immagazzinare un’enorme quantità di informazioni. Il tipo di scrittura di cui ho parlato prima, nel quale avevo trasformato ogni carattere in distribuzione di metallo, è permanente. Molto più interessante per un computer è scrivere, cancellare e scrivere qualcos’altro. (Ciò accade di solito perché non vogliamo sprecare il materiale sul quale abbiamo appena scritto. D’altro canto, se potessimo scrivere su uno spazio molto piccolo, non farebbe alcuna differenza; potrebbe semplicemente essere buttato via dopo averlo letto. Il costo del materiale è irrilevante).

[…]

Se guardo il vostro volto, riconosco immediatamente di averlo già visto prima. Non esiste ancora una macchina che, con la stessa velocità, possa rilevare l’immagine di un volto e dire se sia un uomo o meno; e ancor meno se sia lo stesso uomo che gli avete mostrato prima, a meno che non sia esattamente la stessa immagine. Se il volto è cambiato, se sono più vicino ad esso o ne sono più lontano, se la luce cambia, io lo riconosco sempre. Bene, questo piccolo computer che porto all’interno della mia testa sa farlo con facilità. I computer che abbiamo costruito non sono capaci di farlo. Il numero di elementi in questa mia scatola fatta di osso è enormemente più grande del numero di elementi nei nostri “meravigliosi” computer. Ma i nostri computer meccanici sono troppo grandi, gli elementi in questa scatola sono microscopici. Io voglio costruirne alcuni che siano sub-microscopici.

Se io volessi progettare un computer che avesse tutte queste meravigliose abilità qualitative, dovrebbe avere, forse, le dimensioni del Pentagono. Ciò ha molti svantaggi. Innanzitutto, richiederebbe troppa materia prima; potrebbe non esserci sufficiente germanio nel mondo per tutti i transistor che dovrebbero essere messi in questo enorme dispositivo. C’è anche il problema della generazione del calore e dei consumi energetici. Ma una difficoltà perfino più pratica è che il computer dovrebbe essere limitato ad una certa velocità. A causa delle grandi dimensioni, è necessario un tempo finito per portare l’informazione da un posto all’altro.

L’informazione non può viaggiare più veloce della luce, quindi, dal momento che i nostri computer diventeranno sempre più veloci e sempre più potenti, dovranno diventare sempre più piccoli. Ma c’è tanto spazio per renderli più piccoli. Non c’è niente nelle leggi fisiche che impedisce che gli elementi dei computer non possano essere enormemente più piccoli di quanto siano ora. Ci sarebbero davvero grandi vantaggi.

[…]

Consideriamo una macchina qualsiasi, per esempio un automobile, e riflettiamo su una macchina come quella di dimensioni infinitesimali.”

Tali macchine andrebbero completamente riprogettate e costruite con materiali tipo plastica o vetro, per loro natura privi di forma propria e di disomogeneità, per evitare gli inconvenienti che la struttura a grani dei metalli potrebbe creare su piccola scala. Sarebbe necessario fare molta attenzione anche alle parti elettriche a causa della variazione delle proprietà magnetiche su piccola scala. D’altro canto, sarebbe probabilmente inutile lubrificare gli ingranaggi che, date le piccolissime dimensioni, non si surriscalderebbero, pertanto sarebbe anche impossibile far funzionare il motore tramite processi di combustione e si dovrebbe progettare qualche altro processo di produzione di energia a freddo oppure potrebbe essere sufficiente alimentarli con una fonte di energia elettrica dall’esterno.

“Quale sarebbe l’utilità di macchine del genere? Chi lo sa? Ovviamente, un’autovettura piccola potrebbe servire solo a far viaggiare gli acari e suppongo che il nostro spirito cristiano non vada così lontano.

[…]

“Quando entriamo nel mondo dell’incredibilmente piccolo, per esempio un circuito costituito da sette atomi, potrebbero presentarsi molte nuove opportunità progettuali. Gli atomi si comportano come nessun altra cosa di grandi dimensioni, dal momento che seguono le leggi della Meccanica Quantistica. Infatti, via via che scendiamo nel piccolo e ci circondiamo di atomi, abbiamo a che fare con leggi diverse e possiamo aspettarci di fare cose diverse. Possiamo produrre in modo diverso. Possiamo usare non solo circuiti, ma qualche sistema che coinvolga i livelli di energia quantica, oppure le interazioni degli spin quantici, ecc… Altra cosa degna di nota è che, se scendiamo ad un livello sufficientemente piccolo, tutti i nostri dispositivi possono essere prodotti in massa, in modo che ognuno di essi sia una perfetta copia degli altri. Non siamo in grado, invece, di produrre due macchine di grandi dimensioni che siano perfettamente identiche. Ma se la vostra macchina è alta solo cento atomi, è sufficiente un livello di precisione da 0,5 a 1% per essere sicuri che un’altra macchina sia esattamente delle stesse dimensioni, cioè cento atomi di lunghezza!

[…]

Ora potreste dire: “Chi e perché dovrebbe farlo?”. Bene, io ho indicato solo alcune delle possibili applicazioni economiche, ma so che il vero motivo per cui dovreste farlo è il puro divertimento! Divertitevi!! Organizziamo una gara tra laboratori. Facciamo in modo che un laboratorio costruisca un piccolo motore e lo invii ad un altro laboratorio che lo rispedisca al mittente con qualche pezzo che si inserisca perfettamente all’interno del primo motore.
[…]

Forse, però, ciò non è sufficiente per entusiasmarvi, solo la possibilità di una vincita economica potrebbe farlo. Perciò vorrei fare un tentativo, ma non posso farlo subito perché non sono preparato. Ho intenzione di offrire un premio di $ 1.000 al primo ragazzo che riuscirà a ridurre le informazioni scritte sulla pagina di un libro di un scala 1:25.000 in modo che sia leggibile con un microscopio elettronico. E voglio offrire un altro premio di $ 1.000 al primo ragazzo che realizzerà un motore elettrico funzionante che possa essere controllato dall’esterno e, senza considerare i cavi in entrata, sia di dimensioni non superiori a 1/64 di pollice cubo.

Sono certo che non passerà molto tempo prima che tali premi vengano reclamati!”

Una curiosità. La sfida lanciata da Feymann riguardo al nano-motore fu vinta già nel 1960, ma semplicemente grazie alle doti di un artigiano che aveva miniaturizzato il tutto senza introdurre veramente progressi tecnologici. La sfida della miniaturizzazione dell’enciclopedia britannica, invece, fu vinta nel 1985 quando Newmann ridusse “A Tale of Two Cities” ad 1/25000 della sua dimensione originaria.

WU

PS. Oltre tutte le intuizioni (anticipate da un fisico e non da un barzellettiere) geniali del discorso credo che anche il titolo abbia decretato il successo ed il perdurare dell’intervento.

Siamo molto lontani da qualunque intervento “ad una conferenza” io abbia mai sentito negli ultimi 15 anni.

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S1 Stream

il cosmo è vuoto, ma non così vuoto. Nel senso che anche considerando le sterminate dimensioni dell’universo qualche traccia di materia la troviamo. Concentriamoci sulla nostra cara Via Lattea. Fra stelle, pianeti, lune e polveri varie di roba che si muove (si, è questa una delle particolarità della materia nel cosmo: non sta’ mai ferma) ce n’è in abbondanza.

In generale la materia si muove in una specie di vortice attorno al centro della nostra Galassia; un po’ come pianeti, asteroidi e polveri, ruotano attorno al nostro Sole.

A prima vista tutte queste orbite sono più o meno ordinate (si, in realtà c’è un grande caos lassù, ma proprio nel senso matematico del termine), se non altro per il verso di rotazione. Il nostro Sole segue le altre stelle e le polveri varie nel suo moto di rotazione attorno al centro della nostra galassia “nel verso giusto”.

E’ stata però di recente scoperta una notevole eccezione a tutto questo. Non sto parlando di una stella/pineta che per una stana vicissitude di incontro gravitazionali segue un’orbita peculiare (e qui si potrebbe divagare abbondantemente), ma sto parlando proprio di una sorta di corrente.

Avete presente il jet stream? La corrente del Golfo? Insomma un moto più o meno ordinato di una massa di roba che si muovo coordinatamente nella stessa direzione… solo che nel caso specifico della S1 Steam è quella sbagliato. Nel senso che è opposto alla normale rotazione di tutto il resto della materia galattica.

S1 Steam.png

Già fin qui siamo in difficoltà a spiegare l’origine, l’evoluzione ed il mantenimento di questa corrente… ma ancora non è tutto. La S1 Steam ci sfreccia attorno alla non-proprio-trascurabile velocità di 500 km/s! Una delle ipotesi (forse l’unica al momento) circa l’origine di questa corrente è che è ciò che resta dello scontro della nostra galassia con una (o più) galassia nana che si è scontrata, qualche miliardo di anni fa, con la nostra Via Lattea.

Se ciò fosse vero (e, ripeto, non avendo molte altre spiegazioni sotto mano lo speriamo vivamente) allora la S1 Steam deve essere composta di una percentuale non trascurabile di materia oscura (Dark Matter, DM). E qui le cose si complicano.

Stiamo praticamente dicendo che circa 30 mila stelle, polveri in quantità e (forse) miliardi di tonnellate di materia irrivelabile ci sfrecciano accanto a 500 km/s e per di più nel verso sbagliato?. Benissimo, ora si che sono più tranquillo.

Questo uragano di materia oscura contro rotante, comunque mi mette a disposizione una corrente “stabile” (?) sulla quale cimentarci per sviluppare misuratori/rilevatori di materia oscura per comprenderne magari meglio (o per comprenderla del tutto) la loro origine.

The recently discovered S1 stream passes through the Solar neighborhood on a low inclination, counter-rotating orbit. The progenitor of S1 is a dwarf galaxy with a total mass comparable to the present-day Fornax dwarf spheroidal, so the stream is expected to have a significant DM component. We compute the effects of the S1 stream on WIMP and axion detectors as a function of the density of its unmeasured dark component. In WIMP detectors the S1 stream supplies more high energy nuclear recoils so will marginally improve DM detection prospects. We find that even if S1 comprises less than 10% of the local density, multi-ton xenon WIMP detectors can distinguish the S1 stream from the bulk halo in the relatively narrow mass range between 5 and 25 GeV. […]

Ovviamente lo stato attuale dei nostri rilevatori non ci da alcun indizio circa l’esistenza e la composizione di questa materia. Viviamo di prove indirette e di “speranze” circa la sua esistenza o meno.

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…

Cotone fulminante

Mettiamo insieme cellulosa, acido nitrico ed acido solforico (ovviamente tutte cose abbiamo sotto mano in questo momento), quello che otteniamo è un composto esplosivo ben noto come trinitrocellulosa (nitrocellulosa ad alto contenuto di azoto).

Precursore della dinamite l’esplosivo è in giro del 1845 ed ha dato vita ad una pletora di derivati più o meno stabili e quindi di successo.

E’ un esplosivo in qualche modo controllabile e versatile ed il suo essere noto, fabbricabile, gestibile da lungo tempo negli usi più disparati (flash delle prime macchine fotografiche, propellente delle cartucce nelle armi da fuoco, trucchi di magia, etc.) ha anche consentito il sedimentarsi nella lingua (beh, non proprio quella di tutti i giorni) della contrazione delle due parole; cotone fulminante è quello che chiamiamo in gergo (??) fulmicotone.

Espressione decisamente dal sapore retrò, di non largo uso, di non facile contesto, ma ovviamente (IMHO) bellissima. Qualcosa al fulmicotone è qualcosa di brillante, velocissimo, esplosivo, impetuoso, dotato di grande potenza.

I soci del Gun Club, associazione americana di artiglieri con sede a Baltimora, annunciano di aver inventato un cannone capace di sparare un proiettile in grado di raggiungere la Luna. Il progetto prevede che il proiettile sia di forma sferica, costruito in alluminio, e che il dispositivo di lancio, un’enorme bocca in ghisa scavata nel terreno, utilizzi come detonatore il Fulmicotone (o Nitrocellulosa). Mentre i più illustri scienziati discutono la questione, da tutto il mondo piovono sottoscrizioni per finanziare l’impresa.
[Jules Verne, Dalla terra alla luna, 1865]

Affascinato; giusto il tempo di incantarmi in un’altra giornata al fulmicotone (ma, purtroppo, solo nel senso di oberata da impegni, non di brillante).

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

Il kilogrammo di Plank

Nulla è più come prima (… e come mi sento vecchio in questi asserti) dalla nonnina che cuce sull’uscio di casa al chilogrammo. Eh ???

Si, neanche il nostro punto di riferimento per vacui discorsi da palestra o da macellaio è destinato a rimanere quello di un tempo, a partire dal 2019 un kilo non sarà più un kilo (cioè si, sarà sempre lui, ma non più fisicamente lui). E, forse, meglio così … no, non per la gioia dei fautori del sistema imperiale britannico.

In origine era un cilindretto di platino-iridio (conservato a Parigi come ci insegnano a scuola) che portava sulle sue spalle la responsabilità di tarare tutte le bilance del mondo. Un ruolo decisamente poco invidiabile per il piccolo oggetto che porta comunque egregiamente avanti da circa 130 anni. Per alleviarne le sofferenze, nel 1889 furono prodotti 18 campioni destinati ad essere identici (e già l’uso di questa parola non può che far storcere il naso) al cilindretto originale per essere distribuiti nei vari paesi affinché vi fossero più riferimenti quando si parla di Kg, gr, hg e simili. Ovviamente la precisione e la misura della massa si riflette direttamente su tutte le grandezze che da essa dipendono (e non sono poche), e.g. densità, candela, ampere, mole, etc.

Periodicamente tali “copie” fanno un viaggio a Parigi per essere confrontate con l’originale (o meglio, anche qui, con copie di lavoro dell’originale). Ovviamente il paragone non è come quando andiamo dal fruttivendolo. I campioni sono conservati sotto teche stagne, vanno lavati con acqua bi-distillata e speciali solventi, non vanno sfregati per non rimuovere materiale ed astuzie del genere. Inoltre una volta ogni 40 anni, il cilindro dei cilindri, il chilogrammo originale, viene rimosso dalla sua teca per fare un’ulteriore paragone con i 18 esemplari e con le sue copie di lavoro.

KgCampione.png

Beh, il punto è che nonostante tutte queste copie ed accortezze, il chilogrammo padre ha perso circa 50 microgrammi rispetto a tutti gli altri. O meglio, la differenza è di 50 microgrammi, ma che sia lui ad aver perso peso o gli altri ad averlo preso non ci è dato saperlo. Il meccanismo che ha causato tale variazione di peso non è affatto chiaro, mentre è chiaro che questo macchinoso sistema è intrinsecamente impreciso. Ah, la precisione richiesta per queste misure? Venti parti su un miliardo…

Il problema è superabile modificando il riferimento del chilogrammo da un campione fisico ad una grandezza fisica universalmente misurabile, come ad esempio la forza elettromagnetica, esprimibile a sua volta in funzione della costante di Plank (finalmente una grandezza universale!). La bilancia di Kimble è praticamente una bilancia a due bracci; su uno dei due viene posizionato un peso , mentre l’altro è lasciato vuoto ed il peso è controbilanciato da una corrente elettrica che scorre in un un filo immerso in un campo magnetico. La misura della corrente (che è poi la precisione nella misurazione della costante di Plank, ovvero di decine di parti su miliardo) è precisa quanto basta per vedere che forza serve per bilanciare il chilogrammo campione. Anche qui, ovviamente, più facile a dirsi che a farsi, dato che la bilancia deve essere isolata da qualunque perturbazione esterna, la precisione nella misurazione della corrente deve essere molto elevata, così come la ripetibilità della stessa.

Praticamente spostiamo il problema da accortezze manuali per il trattamento di un campione fisico ad accortezze tecnologiche nella misurazione di grandezze fisiche.

Un primo passo avanti.

WU

PS. Il peso è comunque l’ultimo superstite di un sistema di misurazione basato su oggetti fisici. Le altre due grandezze fisiche di riferimento, il metro ed il secondo, sono state già sostituite da costanti della natura: il metro è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299.792.458 di secondo; il secondo è la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dell’atomo di cesio-133.

Il che è l’ennesima prova che della massa (e della gravità ad essa associata), benché ce l’abbiamo davanti da millenni, non abbiamo ancora capito tutto.

Salar de Uyuni

A me da l’idea di un personaggio di un romanzo di Salgari. Invece potrebbe esserne l’ambientazione. Stiamo parlando di più di 10000 km2 (grossomodo come tutto l’Abruzzo) di … sale. La più grande distesa salata del globo. Sale, sale ed ancora sale a più di 3600 m di quota in Bolivia.

L’origine? Abbastanza intuitivamente (ah ah ah) un enorme lago preistorico prosciugatosi che ha lasciato due attuali laghi salati oltre che il gigantesco letto salato. Un posto del genere ha due grandi impatti sul genere umano: pratico e poetico.

Per il primo ho ovviamente in mente il fatto che dalla distesa si estraggono più o meno 25000 tonnellate di sale all’anno (e la stima è che la distesa ne contenga 10 000 000 000!), oltre al fatto che il posto contiene un terzo di tutte le riserve di litio mondiale (oltre che altra robaccia per noi utilissima tipo boro e magnesio).

Per l’aspetto poetico, invece, non possiamo far finta di non vedere la suggestività del posto. Il cielo e la terra si confondono perfettamente divisi soltanto dalla sottile linea dell’orizzonte. L’infinito pare quasi materializzarsi.

Uyuni.png

Meta turistica neanche a dirlo. Circondato da riserve naturali e rari habitat di accoppiamento, banale. Sede di ritrovamento di mummie ed insediamenti di ominidi, quasi ovvio. Geyser e vulcani quiescenti nella zona non potevano mancare.

Un posto decisamente fervido per le pratiche umane. Da millenni, a 360 gradi. Nonostante decisamente ostile per la nostra specie, the place to be.

WU