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sabato 17 giugno 2017

Le grandi domande della vita: freddo quantistico

Con un’estate così calda, non c’è nulla di meglio che rinfrescarsi scendendo sotto lo zero assoluto! E per i più curiosi, entriamo nei segreti delle code!
Scendere sotto lo zero assoluto
Secondo la definizione di zero assoluto, questa:
è la temperatura più bassa che teoricamente si possa ottenere in qualsiasi sistema macroscopico e corrisponde a $0 K$ ($–273,15 ^circle C$). Si può mostrare con le leggi della termodinamica che la temperatura non può mai essere esattamente pari allo zero assoluto, anche se è possibile raggiungere temperature molto vicine ad esso. Allo zero assoluto le molecole e gli atomi di un sistema sono tutte allo stato fondamentale (ovvero il più basso livello di energia possibile) e il sistema ha il minor quantitativo possibile di energia cinetica permesso dalle leggi della fisica. Questa quantità di energia è piccolissima, ma sempre maggiore di zero. Questa energia minima corrisponde all’energia di punto zero, prevista dalla meccanica quantistica per tutti i sistemi che abbiano un potenziale confinante.
Per cui sembrerebe che nulla possa essere più freddo dello zero assoluto, e quindi che non possa esistere una temperatura assoluta negativa. Eppure nel 2013 è stato creato per la prima volta un gas atomico on una temperatura al di sotto dello zero assoluto(1, 2)!
Il punto essenziale dell’esperimento è nella visione probabilstica della temperatura. In questo modo possono succedere alcuni effetti interessanti, come la contrazione di un gas riscaldato o il flusso di energia da un sistema a una data temperatura verso uno a una temperatura superiore.
Il gruppo di ricercatori di Braun e soci ha racchiuso in una trappola quantistica costituita da campi magnetici e raggi laser, alcuni atomi ultrafreddi di potassio riuscendo a portarli a una temperatura di poco inferiore allo zero assoluto (all’incirca $-10^{-9} K$). Questa scoperta apre la strada da un lato alla possibile realizzazione di sistemi con un’efficienza mai vista finora, e dall’altro alla possibilità di investigare un fenomeno che potrebbe essere alla base dell’energia oscura(2).
Senza significato
Pur apprezzando lo sforzo di immaginare una domanda sul cercare di intuire qualcosa sull’integrale \[\int \frac{f(x)}{\text{d} x}\] come ha ricordato Justin Rising, l’espressione di sopra risulta priva di significato.
In effetti un integrale è da intendersi, in maniera molto bruta, come la somma \[\sum f(x) \Delta x\] dove $\Delta x$ viene portato a zero.
Animali senza coda
A volte in pausa pranzo escono alcune domande al tempo stesso strane e interessanti, come quella su quali siano gli animali senza coda. Dopo le prime perplessità (si partiva dal punto fermo che gli esseri umani ne sono privi), ecco spuntare alcune risposte, come ad esempio i primati più grandi (i gorilla ad esempio), le rane, o, in una visione più ampia possibile del regno animale, gli insetti.
Una sintetica risposta alla domanda è:
Ci sono innumerevoli animali senza coda, e tutti ricadono nella categoria degli invertebrati. Gli invertebrati sono animali che non hanno spina dorsale (e quindi non hanno neanche la coda). Alcuni esempi includono centipedi, insetti, cavallette, farfalle, lumache, polpi, ragni, vermi e scorpioni.

Entrando in maggior dettaglio:
Gli animali possono essere divisi in differenti categorie, ma uno dei modi più semplici per classificarli è dividerli in due gruppo: invertebrati e vertebrati. I vertebrati hanno una spina dorsale, mentre gli invertebrati no. Rettili, pesci, uccelli, anfibi e mammiferi cadono nella categoria dei vertebrati. I vertebrati, includono lucertole, salamandre, aquile, conigli, cavalli, umani, ecc. Molti, ma non tutti, degli animali nella categoria dei vertebrati posseggono una coda.
Sebbene molti invertebrati sono così piccoli da venire trascurati, essi comprendono il 95% della popolazione animale del mondo. Piccole termini, minuti millepiedi, piccole sanguisughe e lumache cadono tutti nella famiglia degli invertebrati.
Gli insetti sono un tipo speciale di invertebrati che hanno delle specifiche caratteristiche a differenza degli altri. Gli insetti hanno un corpo suddiviso in tre parti (testa, torace e addome) e sei gambe. La testa contiene gli occhi e un apparato per succhiare e mangiare. Il torace ha le gambe e a volte anche le ali. L’addome contiene gli organi vitali, che sono principalmente quelli legati alla riproduzione.
E’ comunque interessante osservare come gli esseri umani posseggano una coda: gli embrioni, infatti, ne sono dotati. Essa, però, viene assorbita con l sviluppo del corpo all’interno dell’utero materno e solo in rarissimi casi il bambino nasce con qualcosa di simile, che allafine risulta essere più una piccola sacca di muscoli e nervi che non una vera e propria coda.
Gli antenati degli esseri umani, però, la possedevano, visto che ci è rimasto il coccige, l’osso della coda.
Differenze di massa
Il protone è all’incirca 1800 volte più pesante dell’elettrone. Il motivo per cui accade è al momento riconducibile al fatto che esso è costituito al suo interno da tre quark, due di tipo $u$ e uno di tipo $d$, fortemente legati uno all’altro. D’altra parte la massa dell’up è stimata tra 1,5 e 3,3 MeV, mentre il down tra i 3,5 e i 6 MeV, il che non porterebbe mai a una massa totale di quasi 940 MeV. Per arrivare a tale cifra bisogna mettere in conto la presenza dei gluoni e del mare di quark che le loro autointerazioni generano all’interno del protone.
Per contro l’elettrone, in quanto particella elementare, non è costituita da null’altro che se stessa, e dunque non c’è nulla al suo interno che può renderla più pesante di così.
Gli ever green
Cercare di capire quale sia l’equazione più elegante non è semplice. Le risposte possono essere molte e per me vanno dall’equazione di Dirac, la cui bellezza sta nella sua sintesi fisica, all’equazione di Eulero, che restituisce una delle più alte sintesi della matematica.
  1. Zeeya Merali (2013), Quantum gas goes below absolute zero, Nature News
  2. Braun, S., Ronzheimer, J. P., Schreiber, M., Hodgman, S. S., Rom, T., Bloch, I., & Schneider, U. (2013). Negative absolute temperature for motional degrees of freedom. Science, 339(6115), 52-55. doi:10.1126/science.1227831 (arXiv)

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