Il (non) carnevale della fisica #6

Iniziamo con quello che è il piccolo evento del mese: i 25 anni della mitica foto Pale Blue Dot, ovvero la foto scattata scattata dalla Voyager il 14 febbraio del 1990. A questo mitico puntino Carl Sagan ha dedicato un bellissimo commento, che Amedeo Balbi ha pubblicato in uno dei suoi primi post su Keplero:

Siamo riusciti a fare questa foto: se la guardate, vedete un puntino. Quello è qui. Quella è casa. Quelli siamo noi. Ogni persona che amate, che conoscete, di cui avete sentito parlare, ogni essere umano mai esistito, ha vissuto la sua esistenza su quel puntino. Le nostre gioie e dolori messi insieme, migliaia di religioni, ideologie e dottrine economiche sicure del fatto loro, ogni cacciatore o preda, ogni eroe o codardo, ogni creatore o distruttore di civiltà, ogni re o pezzente, ogni giovane coppia di innamorati, ogni madre o padre, ogni bimbo pieno di speranze, inventore ed esploratore, ogni maestro di morale, ogni politico corrotto, ogni "superstar", ogni "leader supremo", ogni santo o peccatore nella storia della nostra specie, ha vissuto lì: su un chicco di polvere sospeso in un raggio di sole.

All'Osservatorio Astronomico, nella saletta che di solito viene utilizzata per il pranzo, sulla parete centrale accanto al distributore delle bevande e al microonde, campeggia una delle foto più spettacolari mai scattate dal telescopio spaziale Hubble:

Questa foto, che è stata aggiornata e chiamata Hubble Ultra Deep Field 2014, è magistralmente spiegata da Sandro Ciarlariello:

Si tratta di una composizione del precedente Ultra Deep Field che il telescopio Hubble aveva già scattato negli anni precedenti (dal 2003 al 2009) in cui si riuscivano a vedere galassie nell'intervallo di lunghezze d'onda dall'infrarosso al visibile. HUDF2014 aggiunge anche le immagini delle galassie nell'ultravioletto e tra un attimo vedremo perché tutto ciò è importante.

Lo spazio, però, è fatto di vari oggetti che se ne vanno in giro a zonzo, un po' qui un po' lì. Per esempio ecco TrES-4b, un pianeta davvero molto leggero, raccontatoci da Sabrina Masiero:

Il pianeta con un diametro di 1,7 masse gioviane, appartiene alla classe dei pianeti definita “puffy” che hanno densità molto basse. In particolare, nel caso di TrES-4 si era trovato un valore della densità dell’ordine di 0,2 grammi per centimetro cubo. Il grande rapporto tra massa e densità lo rendeva un pianeta anomalo tanto che i modelli di formazione planetaria non riuscivano a spiegare l’esistenza di un tale pianeta, troppo grande. In altre parole, un pianeta con tale densità non avrebbe dovuto superare le dimensioni di Giove. TrES-4 era quasi il doppio.

Un altro oggetto, questo particolarmente affascinante, che popola le notti stellate è, però, la cometa. Alzando gli occhi, se si è fortunati (cielo limpido e basso o nullo inquinamento luminoso), se ne possono vedere molte, un po' di tutti i colori, per cui è possibile che qualcuno dei lettori si sia chiesto quale sia l'origine del colore di una cometa. Ce lo spiega Orfeo Morello su Vera scienza:

Proprio a causa della sua caratteristica composizione, quando una cometa si avvicina al Sole a causa dell'attrazione gravitazionale, inizia a risentire del campo magnetico prodotto dal vento solare (particelle cariche elettricamente emesse dal Sole) e appare la chioma (una debole atmosfera composta dai gas fuoriusciti per l'evaporazione della parte esterna del nucleo).

Pale Blue Dot - via Nasa

L'universo, però, non possiamo solo osservarlo, ma possiamo anche provare a comunicarci. E' ciò che la Nasa ha provato a fare con il Pioneer 10, sonda lanciata nel 1972 con a bordo un messaggio per gli alieni, esaminato da Giuseppe Gallo dal punto di vista del graphic design:

Il messaggio riporta la posizione del nostro sistema solare all'interno della via lattea, la forma di due esseri umani, uomo e donna e le loro proporzioni rispetto alla navicella Pioneer 10. Il progetto fu curato da due celebri astrofisici e astronomi: Frank Drake e Carl Sagan, famosi per essersi occupati di tanti progetti Nasa e per aver fondato il Seti, gruppo che da sempre ha come primo obiettivo quello di ricercare altra vita intelligente nello spazio, dalla loro esperienza come scienziati nasce lo studio grafico fatto per arrivare alla realizzazione della placca in alluminio dorato che abbiamo inviato fuori dalla nostra galassia.

Grazie al meritorio Corrierino e Giornalino si recuperano spesso delle perle scientifiche uscite su queste due mitiche riviste per ragazzi (di cui una continua ad essere pubblicata). In particolare sul Corriere dei Piccoli venivano pubblicati articoli scientifici di approfondimento, alcuni dei quali dal gusto quasi fantascientifico, come per esempio questo Dalla Terra alla Luna in 3 ore e 1/2 (17 gennaio 1965) di Franco Goy con le illustrazioni di Di Gennario:

Vi anticipiamo le fasi operative del progetto "Selena" che prevede il ripetuto impiego di un veicolo spaziale per raggiungere la Luna in un tempo fantasticamente breve e per tornare sulla Terra. Quando? Difficile rispondere. Ma, certo, in un futuro non troppo lontano. Forse fra soli dieci anni.

D'altra parte il sogno della conquista dello spazio era all'epoca una estensione della guerra fredda, che per gli Stati Uniti, almeno per il campo della ricerca spaziale, era combattuto dalla Nasa, il cui primo direttore fu Werner von Braun, protagonista della prima parte di Quei visionari dello spazio che cambiarono il mondo, versione italiana di un articolo di Brian Altmeyer e tradotto da Roberto Flaibani e Donatella Levi:

Sotto un vessillo votato alla distruzione, con i più stretti ordini di concentrarsi solo sulle applicazioni militari, un solo uomo riuscì in un modo o nell’altro a costruire, nel giro di pochi anni, le fondamenta per decenni di pacifica esplorazione spaziale, sopravvivendo per spiegare le sue ragioni alla storia. Il sogno di von Braun non ebbe il minimo impatto sulla pazzia del Terzo Reich, ma formò una spora virulenta che sarebbe sopravvissuta per infettare con la sua tecnologia ambedue le superpotenze.

Dopo la parentesi sognante sull'esplorazione spaziale, addentriamoci, invece, verso le origini dell'universo insieme con Corrado Ruscica e la prova matematica dell'origine spontanea dell'universo!

Per diversi anni, gli scienziati si sono basati sull'idea secondo cui l’Universo sia emerso spontaneamente dal nulla, cioè che il Big Bang sia stato il prodotto di fluttuazioni quantistiche da cui si è originato tutto ciò che vediamo. Ciò è plausibile, dato che conosciamo la meccanica quantistica ma i fisici hanno bisogno ancora di qualcosa d'altro, ossia di una prova matematica che supporti l'idea.

Come ricorda Peppe Liberti, questo è l'anno internazionale della luce, quindi assume una certa importanza andare a ricordare alcuni fondamentali sulla luce stessa, come l'esperimento di Michelson e Morley. Ci si potrebbe, però, chiedere, chi erano questi due esimi e stimati studiosi? Peppe, dal pari suo, prova a raccontarcelo con L'esperimento nullo:

Il sistema di Michelson era davvero ingegnoso, non misurava tempi ma spostamenti. Misurare il tempo di percorrenza di un fascio di luce dalla sorgente al telescopio era infatti impossibile, con quale orologio si può apprezzare una decina di miliardesimi di secondo? Figuratevi poi se era possibile misurare la supposta differenza nei tempi di percorrenza dei due fasci di luce dovuta all'eventuale presenza dell'etere, ma non scherziamo, neanche a pensarci. Come fare allora? Beh, la cosa migliore è osservare su uno schermo quanto è intensa la combinazione dei due fasci di luce, e cioè le zone dove l’intensità della luce ricombinata è massima (quelle più illuminate) e quelle dove è minima (le più scure). Non è così complicato dai: la luce è un'onda elettromagnetica, ce lo ha insegnato Maxwell, e le onde quando si combinano e si sovrappongono, fan cose strane e bellissime.

E a proposito di luce, dagli archivi di Marco Fulvio Barozzi ecco che recupero un curioso viaggio che ci porterà a scoprire le origini del nome del fotone:

L’origine e il primo sviluppo dell’idea di fotone, nel senso di quanto localizzato di radiazione elettromagnetica, sono ben conosciuti e sono descritti in una abbondante letteratura. In sintesi, nel suo classico articolo negli Annalen der Physik del 1905, Einstein propose che la radiazione libera monocromatica di frequenza ν fosse composta di “quanti d’energia”, data da E = hν, un’espressione che egli stese in questa forma solo l’anno successivo. Sebbene così egli fosse in grado di spiegare in modo semplice l’effetto fotoelettrico e la regola di Stokes della fotoluminescenza, la Lichtquantenhypothese fu in genere avversata dalla maggior parte dei fisici. L’accoglienza al quanto di luce o di energia non cambiò in modo significativo anche dopo il 1917, quando Einstein sviluppò la sua teoria assegnando al quanto un momento p = hν/c. Solo allora esso possedeva le proprietà di una particella reale, e ciò è il motivo per cui si parla del “fotone di Einstein” solo a partire da quella data. Naturalmente Einstein non aveva utilizzato il termine fotone, né mai lo avrebbe fatto in seguito.

Restiamo sempre su un post d'archivio, questa volta quello di Annarita Ruberto, che ci porta alle origini della fisica nucleare e in particolare al ruolo rivestito dalle donne nei pionieristici inizi di questa branca della fisica:

Molte delle scoperte più importanti, a cominciare dalla radioattività, sono infatti da attribuirsi a donne fisici, e tale realtà sarà evidenziata nella narrazione seguente, che illustra come un numero relativamente elevato di donne, dedite alla ricerca nella prima parte del XX secolo, ha lavorato nel campo della fisica nucleare.

Restiamo nell'ambito della storia della fisica con la nuova biografia di Vincenzo Villani, questa volta dedicata ad André-Marie Ampère:

Andrè-Marie nacque nei pressi di Lione, dove fu educato in una solida fede religiosa e larghezza di vedute. Sin da bambino mostrò una spiccata tendenza al calcolo, interesse per i fenomeni naturali e una formidabile sete di sapere. A soli quindici anni lesse in modo sistematico i venti volumi dell’Encyclopédie di Diderot e d’Alembert, con tanta attenzione che per tutta la vita fu capace di citarne interi brani a memoria. A sedici anni imparò il latino per accedere alle opere di Newton, Euler e Bernoulli ma, in questo modo lesse anche i classici… In quegl’anni abbozzò poemi epici, tragedie, odi e tentò di elaborare un nuovo linguaggio universale.

Il nostro viaggio volge, ormai, a conclusione: l'anfitrione è Marco Delmastro con la prima parte della serie dedicata ai parametri del Modello Standard:

Prima dell'intuizione di Newton, per descrivere gli stessi fenomeni erano necessari più parametri. Per esempio, un certo valore per l'accelerazione di gravità sulla superficie terrestre, quella responsabile della caduta delle mele dagli alberi al suolo, e un altro valore per l'accelerazione di gravità che mantiene la Luna in orbita intorno alla Terra (e così via: un parametro per l'attrazione gravitazionale tra Sole e Terra, tra il Sole e ognuno deli altri pianeti, e così via). La grandezza dell'intuizione di Newton consiste nell'unificare la conoscenza, e fare sì che tutti questi diversi parametri e apparentemente separati possano invece essere espressi a partire da un'unica espressione semplice, e un solo parametro universale.

Ovviamente c'è anche la seconda puntata, che credo valga la pena leggersi dopo la prima!
Il prossimo contributo c'entra poco con la fisica, ma ha per protagonista un padre fondatore come Isaac Newton: Stefano Dalla Casa, infatti, racconta dell'interesse dello scienziato britannico per le piante:

Ora nel taccuino privato di Newton Quaestiones quaedam Philosophiae, composto tra il 1661 e il 1665 e oggi religiosamente custodito dalla biblioteca dell'Università di Cambridge, è stata notata una paginetta di appunti da cui sembra che il più grande dei filosofi naturali avesse capito, con circa due secoli di anticipo, il meccanismo che usano le piante vascolari per trasportare la linfa verso l'alto.
Newton descrive il processo in questi termini: immaginiamo che la luce (che all'epoca era considerata solo in termini di particelle) riesca a sbalzare via una particella di liquido all'apice di uno dei canali conduttori di una pianta. A quel punto il liquido rimanente tenderà a occupare lo spazio liberato, salendo verso l'alto. Man mano che altre particelle sono rimosse, si creerà quindi un continuo movimento del fluido, dalle radici alla sommità della pianta.

Per concludere, come sempre, ecco il post dell'organizzatore della rassegna: vi autopropongo la recensione dello spettacolo teatrale Torno indietro e uccido il nonno:

D'altra parte, come ricordano nello spettacolo, a differenza della luce, che vive solo nello spazio, noi viviamo nel tempo e, come tutto l'universo, subiamo gli effetti della freccia del tempo di Ilya Prigogine: l'evoluzione di un sistema viene, infatti, guidata dall'entropia. Ovvero un qualunque sistema termodinamico seguirà la strada che ne massimizza il valore (o, al meglio, che lo mantiene costante). In termini più semplici, un sistema tenderà al massimo disordine possibile.

Prossimi appuntamenti: il Carnevale della Matematica di metà marzo su questo blog per festeggiare il pi day, mentre per l'edizione #7 appuntamento sulle colonne elettroniche di Scienza e musica di Leonardo Petrillo.