venerdì 12 febbraio 2016

Le onde gravitazionali non sono più un mistero

Ieri l'annuncio tanto atteso, dato dagli scienziati che da anni lavorano e collaborano con due esperimenti ai due lati dell'Atlantico: LIGO, negli Stati Uniti, con due interferometri situati uno in Louisiana e uno nello Stato di Washington, e VIRGO, in Italia a Cascina, vicino Pisa. Le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta in modo diretto con un livello di significatività di 5.1, ovvero con un altissimo grado di certezza. Si tratta di una scoperta sensazionale che in futuro potrebbe aprire nuovi e imprevedibili scenari nel campo della ricerca scientifica. 

- L'articolo che annuncia la scoperta su Physical Review Letters -

Esattamente un secolo fa

Le onde gravitazionali fanno parte di quei fenomeni che fanno impazzire i fisici che si cimentano nella loro ricerca. Si tratta infatti di oggetti piccolissimi e silenziosi, che fluttuano per l'intero Universo, difficilissimi da rilevare. Albert Einstein le aveva previste esattamente un secolo fa. L'intuizione nasce durante il 1915 e viene pubblicata nell'anno successivo nel celebre articolo riguardante la teoria della relatività generale. L'idea di Einstein era puramente teorica e formalizzata tramite il linguaggio matematico. Da allora, la teoria della relatività generale ha avuto moltissime conferme sperimentali ma ne è sempre mancata una all'appello: la prova sperimentale dell'esistenza delle onde gravitazionali.

Queste misteriose onde




Le onde gravitazionali sono delle deformazioni della struttura dello spazio-tempo dovute alle accelerazioni delle masse presenti. La forma dello spazio-tempo è dovuta alla distribuzione di tutti gli oggetti con massa presenti nell'intero Universo e al loro moto. Immaginiamo lo spazio-tempo come un enorme tessuto elastico. Ciascun oggetto posato su questo tappeto produce una deformazione dovuta al proprio peso. Tanto più l'oggetto è pesante, tanto più la deformazione sarà maggiore. Se poi invece di un oggetto statico ci mettiamo noi su di un tappeto elastico e ci mettiamo a saltare, allora non solo produciamo una deformazione del tessuto a noi sottostante, ma vediamo lungo di esso il propagarsi di onde che, partendo dal punto di contatto tra noi e il tappeto, si muovono in ogni direzione, contraendo o dilatando lo spazio che prima appariva piatto. Le onde gravitazionali sono dunque generate da tutti i corpi, piccoli o grandi che siano, che abbiano una certa massa e una certa accelerazione. Anche noi stessi mentre ci muoviamo generiamo delle onde gravitazionali che modificano la struttura dello spazio-tempo. Il problema è che le onde da noi generate sono talmente piccole che è impossibile accorgerci delle mutazioni che producono. Si stima che un'onda gravitazionale quando incontra un corpo lo deformi di circa 10^-21 metri per ogni metro. Un effetto piccolissimo e dunque difficilissimo da misurare. Questo è stato il principale problema dei ricercatori che, a partire dagli anni '60, si sono cimentati in vari sistemi sperimentali alla ricerca delle onde gravitazionali. 


Se due buchi neri si fondono tra loro



Se le onde gravitazionali sono così piccole e impercettibili allora per avere qualche possibilità di rilevarle c'è bisogno di un evento straordinario, che produca un'energia enorme. E questo evento è arrivato. Circa 1,3 miliardi di anni fa, due buchi neri massivi - regioni dello spazio-tempo con campi gravitazionali ultra intensi generati dal collasso di stelle giganti - si sono progressivamente attratti fino a fondersi in un unico buco nero di massa 62 volte maggiore quella del Sole. Questa gigantesca collisione ha provocato un sussulto che ha cominciato a propagarsi per l'intero Universo, arrivando dopo oltre un miliardo di anni fino a noi: le increspature nella struttura dello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali. 

La scoperta  



Gli scienziati a lavoro negli esperimenti LIGO e VIRGO da anni aspettavano il verificarsi di un evento del genere e per rilevarlo avevano progettato sofisticate apparecchiature in funzione da anni. I due interferometri di LIGO che hanno rilevato le onde gravitazionali sono costituiti da due tunnel ciascuno lungo 4 Km e perpendicolari tra loro. Un unico fascio di luce laser viene suddiviso in due fasci, ciascuno dei quali immesso in un tunnel. Dopo aver percorso avanti e indietro la lunghezza dei tunnel - un tragitto molto più lungo di 4 Km in quanto la luce viene continuamente riflessa da specchi posti lungo il percorso - i due fasci di luce vengono ricombinati tra loro. Se la lunghezza percorsa è la stessa, allora i due fasci si ricombinano in modo che le due onde si annullino tra loro, dunque ciò che si vede è un segnale piatto. Ma se invece un'onda gravitazionale come quella prodotta dalla fusione dei due buchi neri attraversa l'interferometro allora modifica la lunghezza dei suoi bracci. In particolare, se dilata la lunghezza di uno allora contrae la lunghezza dell'altro. Ciò significa che i due fasci di luce percorreranno distanze diverse e dunque, quando si ricombineranno, daranno origine a un fenomeno di interferenza. Proprio questa interferenza è ciò che hanno misurato gli scienziati a lavoro con LIGO e proprio questa è la prova diretta delle onde gravitazionali. 


Il futuro 

La conferma dell'esistenza delle onde gravitazionali e la possibilità di rilevarle aprono prospettive inimmaginabili per il futuro della ricerca scientifica e per la nostra comprensione dell'Universo. L'astrofisico italiano Amedeo Balbi ha così commentato a caldo la scoperta: "Ogni volta che abbiamo trovato un nuovo modo per osservare l'universo, abbiamo scoperto cose impreviste. Il bello deve ancora venire". Mentre il celebre fisico britannico Stephen Hawking, in un'intervista al quotidiano Repubblica, dice: "Oltre a provare la teoria della relatività generale, possiamo aspettarci di vedere i buchi neri nel corso della storia dell'universo. Potremmo addirittura vedere le vestigia dell'universo primordiale, durante il Big Bang" E' proprio vero, il bello deve ancora venire. Le meraviglie della scienza non finiscono mai. 

giovedì 28 gennaio 2016

L'Universo, noi e il nostro tempo


Questa foto è stata scattata dal telescopio Hubble. Ogni puntino luminoso è un'intera galassia. Ciascuna galassia è composta da circa 100 miliardi di stelle. 
Alcune galassie sono ben visibili perché più vicine a noi. Altre, quelle rappresentate dai puntini più piccoli e meno luminosi, sono distanti fino a 10 miliardi di anni luce. Ciò significa che stiamo guardando indietro nel tempo e ci stiamo avvicinando sempre di più al Big Bang, avvenuto circa 13,7 miliardi di anni fa.
Contemplare questo spettacolo dovrebbe servirci a relativizzare l'intera nostra esistenza. Smetterla di sentirci al centro del mondo e dare il giusto valore alle cose. 
Siamo materia pensante in un Universo sconfinato. E il nostro tempo è molto meno di un batter d'occhio se paragonato alla vita dell'Universo.

domenica 3 maggio 2015

Nelle segrete stanze. Sguardi sulle frontiere della ricerca

Giorgio Sestili


È iniziato Mercoledì 29 aprile alla libreria assaggi un ciclo di incontri che abbiamo chiamato "Nelle segrete stanze. Sguardi sulle frontiere della ricerca". Per noi che lo abbiamo immaginato - Anna Parisi, Manuela Cherubini, Chiara Peri ed io - si tratta di un nuovo esperimento di comunicazione della scienza, che vuole raccontare ad un pubblico generico quello di cui si occupa la ricerca scientifica oggi.
Come scrive Carlo Rovelli in Sette brevi lezioni di fisica «Ci sono frontiere, dove stiamo imparando, e brucia il nostro desiderio di sapere. Sono nelle profondità più minute dello spazio, nelle origini del cosmo, nella natura del tempo, nel fato dei buchi neri, e nel funzionamento del nostro stesso pensiero. Qui, sul bordo di quello che sappiamo, a contatto con l'oceano di quanto non sappiamo, brillano il mistero del mondo, la bellezza del mondo, e ci lasciano senza fiato».
Con "Nelle segrete stanze" vogliamo muoverci proprio su questa linea tracciata da Rovelli e far si che misteri e bellezza del mondo possano lasciare senza fiato chiunque, anche chi di mestiere non fa lo scienziato. Mercoledì abbiamo iniziato questo viaggio insieme ad Amedeo Balbi, che ci ha fatto navigare nel cosmo alla ricerca di nuove possibili forme di vita oltre alla nostra; con Antonello Polosa che sta progettando nuove tecniche per risolvere uno dei più grandi misteri dell'Universo, quello della materia oscura; e con Francesca Rossi, che studia l'intelligenza artificiale e sviluppa le macchine intelligenti che presto entreranno a far parte della nostra vita.
Qui sotto pubblico i video dei tre talk e vi segnalo che il prossimo appuntamento di "Nelle segrete stanze" sarà Giovedì 21 maggio alle 19 con Mauro Dorato, Irene Giardina e Giorgio Manzi. Tutte le info su www.libreriaassaggi.it.

Amedeo Balbi - Dall'origine dell'universo alla vita

Oggi abbiamo un quadro abbastanza chiaro dei 13.8 miliardi di anni di storia dell’universo che separano l’inizio di tutto (il big bang) dal presente. In questo intervallo di tempo, su almeno un pianeta, il nostro, ha avuto origine un fenomeno fisico chiamato vita. Non sappiamo ancora se questo fenomeno è unico nel cosmo oppure no, ma stiamo attivamente cercando di capirlo, e proverò a dare qualche idea dello stato delle cose in proposito.



Antonello Polosa - Ricerche su nuovi metodi per la rivelazione della materia oscura

Le recenti scoperte nell'ambito della fisica dello stato solido (grafene, nanotubi di carbonio, nanofili etc) potrebbero fornire nuovi strumenti di rivelazione delle particelle costituenti la materia oscura. Si illustreranno brevemente alcuni studi fatti in questo campo. 



Francesca Rossi - L’intelligenza artificiale e il suo impatto sul nostro presente e futuro

L'intelligenza artificiale è già presente nella nostra vita, anche dove non ce ne accorgiamo. GPS, carte di credito, traduzione da una lingua all'altra, riconoscimento di immagini, testo, e parlato, diagnosi mediche, robotica, ecc. L’impatto sulla società è fenomenale e velocissimo, portando con sé nuove opportunità e una migliore qualità della vita. Nel mondo del lavoro, le macchine intelligenti sostituiscono gli umani sia in lavori manuali che in quelli cognitivi, ma creano anche nuovi lavori. La loro abilita’ di prendere buone decisioni per noi, e di adattarsi alle circostanze nel tempo, deve essere compensata da uno studio attento del loro comportamento, in modo da massimizzare i benefici per la società e ridurre al minimo i possibili effetti indesiderati.


venerdì 17 aprile 2015

Questa bizzarra meccanica quantistica. Intervista a Fabio Sciarrino

Qualche giorno fa ho realizzato questa video intervista a Fabio Sciarrino, docente di ottica quantistica alla Sapienza. Con lui stiamo organizzando per Mercoledì 6 maggio 2015 alla libreria assaggi - dove lavoro da circa un anno e per cui mi occupo di comunicazione - un evento dal titolo Questa bizzarra fisica quantistica: dai fondamenti alle tecnologie del futuro. L'iniziativa si inserisce nel filone che riguarda #IYL2015, l'Anno Internazionale della Luce, di cui ho già parlato nel precedente post.

Cos'è la meccanica quantistica? Cosa abbiamo capito di questa teoria? Quali sono le possibili applicazioni tecnologiche? Cosa direbbe oggi Einstein della fisica dei quanti? Queste le domande a cui ha risposto Fabio Sciarrino.

martedì 7 aprile 2015

La luce come non l'avete mai vista



Che mondo sarebbe senza luce, ci avete mai pensato? Dalla luce dipendono la vita degli animali e quella delle piante. La luce proveniente dalle galassie intorno alla nostra ci permette di viaggiare a ritroso nel tempo, di vedere l'universo com'era miliardi di anni fa e studiarne l'evoluzione. È grazie alla luce che è stato possibile verificare sperimentalmente, durante un’eclissi solare nel 1919, la teoria della relatività generale che Einstein formulò esattamente un secolo fa. Tecnologie che hanno a che fare con la luce in un modo o in un altro sono presenti in moltissimi nostri gesti quotidiani: quando premiamo un interruttore, quando scattiamo una foto o semplicemente guardiamo un tramonto, mentre scriviamo un articolo come questo con il nostro tablet o pc. E poi ci sono le più recenti invenzioni, come i LED che oggi illuminano le nostre abitazioni o gli schermi ultrapiatti delle tv, sviluppati da tre scienziati giapponesi che per questo hanno vinto il Nobel per la Fisica nel 2014.

Proprio a questo straordinario fenomeno l’Assemblea Generale delle Nazioni Unite ha dedicato il 2015, Anno Internazionale della Luce e delle tecnologie basate sulla Luce (IYL 2015 – International Year of Light). Un’iniziativa globale che nel corso dell’anno attraverserà una moltitudine di paesi in tutto il mondo, con l’obiettivo di promuovere nuove scoperte che si basano sulla luce, con un occhio di riguardo alle nuove tecnologie. Saranno proprio le più recenti applicazioni tecnologiche ad essere dibattute come possibili soluzioni alle tematiche riguardanti lo sviluppo sostenibile, e in particolare ai problemi globali riguardanti l’energia, l’alimentazione, l’istruzione, la salute e le comunicazioni.

Un tempo era il buio

È difficile da credere o da immaginare, eppure l’Universo un tempo era completamente buio. Nei 300.000 anni successivi alla grande esplosione del Big Bang l’Universo era troppo caldo e denso per permettere il propagarsi dei fotoni, le particelle di cui è composta la luce. L’elevata concentrazione di particelle cariche teneva intrappolata la luce che era in grado di percorrere solo brevissime distanze. È stato solo con il progressivo raffreddamento dell’Universo, quando la temperatura scese intorno ai 4000° Celsius, e con la formazione degli atomi neutri, che la luce ha potuto cominciare a viaggiare per distanze cosmiche. Da allora, le onde elettromagnetiche si propagano incessantemente e noi oggi possiamo misurarle dopo che hanno viaggiato per oltre 13 miliardi di anni, risalendo così alle origini del nostro Universo.

Onda o particella? Entrambe le cose. 

La comprensione dei fenomeni luminosi non fu cosa facile, e per diversi secoli i più importanti scienziati dibatterono su quale fosse la reale natura della luce. Nel XVII secolo emersero due teorie radicalmente opposte, quella corpuscolare e quella ondulatoria. Per la teoria corpuscolare, formulata da Isaac Newton, la luce era composta da tante piccole particelle (i corpuscoli) che si propagavano in ogni direzione e in linea retta, con una velocità elevatissima.

Nella teoria ondulatoria, proposta da Christiaan Huygens nella seconda metà del secolo, la luce era vista come un’onda che si propaga attraverso un mezzo con proprietà elastiche che pervade l’intero Universo, l’etere. Nel corso nel XIX secolo, la teoria ondulatoria acquistò molto più credito rispetto alla sua diretta rivale grazie al contributo di Young, Fraunhofer, Kirchhoff e Bunsen, che con essa spiegarono importanti fenomeni legati alla luce come la diffrazione, l’interferenza, e le righe di assorbimento nello spettro del Sole.

Un notevole balzo in avanti nella formulazione di una teoria classica della luce fu compiuto da James Clerk Maxwell che, con le sue celebri equazioni formulate nel 1895, unificò i fenomeni elettrici, magnetici e ottici, e descrisse la luce come un’onda elettromagnetica. Ma all’inizio del XX secolo, proprio quando la teoria ondulatoria sembrava aver scalzato definitivamente la concorrenza, la teoria corpuscolare tornò in voga. Fu grazie alla spiegazione del corpo nero data da Planck nel 1900 e dell’effetto fotoelettrico da parte di Einstein che si cominciò a parlare della luce come nella sua formulazione odierna, cioè composta da unità fondamentali chiamate quanti o fotoni. Questo non significa che il secolare dilemma del dualismo onda-particella sia stato risolto, tutt'altro. Semplicemente ci si è dovuti convincere che, per quanto bizzarro possa sembrare, la luce può comportarsi in entrambi i modi, come un'onda o come un corpuscolo.

2015 Anno Internazionale della Luce

Quest’anno sarà dunque l’occasione per ripercorrere le vicende scientifiche che hanno riguardato la luce, ma soprattutto per tentare di scoprire che cosa ci riserverà il futuro: basti pensare alle tecnologie più avanzate e futuristiche, come i computer quantistici, che si basano proprio sulle leggi della meccanica quantistica e che usano i fotoni come strumenti con potenza di calcolo quasi infinita.

I tanti eventi che nel corso dell’anno si susseguiranno in tutto il mondo sono raccolti nel sito ufficiale dell’IYL 2015, dove è possibile anche trovare interessanti riferimenti storici, scientifici e tecnologici sulle applicazioni connesse alla luce.

Per quanto riguarda l’Italia, il testimone dell’iniziativa è raccolto dalla Società Italiana di Fisica (SIF) nel cui sito vengono raccolti gli eventi e le attività presenti su tutto il territorio italiano. Anche la Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali della Sapienza partecipa all'IYL 2015 con un sito internet ed eventi dedicati alla luce.

mercoledì 11 febbraio 2015

Il signore degli anelli - Il fisico Bruno Touschek



Giovedì 12 febbraio 2015 alle 20 presso il Forum Austriaco di Cultura a Roma (Viale Bruno Buozzi 113), una serata di approfondimenti dedicata a Bruno Touschek.

 Il Forum Austriaco di Cultura ripercorre la vita del fisico austriaco sulla scorta del film documentario: BRUNO TOUSCHEK con AdA a Orsay – Storia delle prime collisioni fra elettroni e positroni in un laboratorio. Un film di: Enrico Agapito, Luisa Bonolis, Giulia Pancheri – regia Enrico Agapito.

 “Noi fisici gli siamo grati come a pochi altri; perché il profondo cambiamento dei mezzi strumentali con cui oggi si fa la fisica delle particelle è merito suo, e proprio perché in tanti ne abbiamo approfittato la fisica ha fatto in questi anni passi così grandi” (Carlo Bernardini).

 Bruno Touschek nasce a Vienna nel 1921. Studente brillante, fatica a completare gli studi a causa delle leggi razziali che lo costringono ad abbandonare l’Università di Vienna nel 1940. Si sposta quindi ad Amburgo, dove continua gli studi e dal 1943 inizia a lavorare con Rolf Wideröe allo sviluppo del betatrone, il primo acceleratore circolare di elettroni. Nel 1945 Touschek viene arrestato dalla Gestapo. La cooperazione con il fisico norvegese continua anche durante la prigionia. In marcia verso il campo di concentramento, Touschek collassa e viene fucilato, ma non muore. Tornato prigioniere verrà liberato dalle truppe inglesi. Nel 1946 si laurea a Gottinga e nel 1947 inizia la propria carriera universitaria a Glasgow. Nel 1952 accetta un posto come ricercatore all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Frascati e si trasferisce in Italia. La chiave di volta nella propria ricerca scientifica Bruno Touschek l’ha durante un seminario che tiene a Frascati in cui il fisico austriaco sostiene l’importanza di uno studio sistematico sulle collisioni elettrone positrone, era il 7 marzo 1960. In poco meno di un anno il team di Frascati mette in pratica l’idea di Touschek: una macchina acceleratrice costituita da un unico anello magnetico nel quale fasci di elettroni e positroni circolano alla stessa energia in versi opposti. Scontrandosi frontalmente, particelle e antiparticelle si annichilano dando luogo a una trasformazione di materia in energia. AdA (Anello di Accomulazione), il primo strumento per capire la fisica delle particelle è stato messo a punto nei laboratori italiani sviluppando l’idea di un fisico austriaco. Un prototipo di soli 4 metri di circonferenza da cui si evolveranno le macchine acceleratrici più evolute, fino a quella del CERN di Ginevra.

 “È difficile rappresentarsi, senza averlo conosciuto, Bruno Touschek. All’opposto dello stereotipo del professore di fisica, assorto nei suoi pensieri e un po’ svagato, dovete immaginare un tipo irrequieto, propenso a dire battute eccentriche e stravaganti, a fare giochi di parole ibridi (austriaco+italiano+inglese) e a saettare con occhi vivacissimi all’indirizzo dell’interlocutore. Bruno era un cultore di Karl Kraus e della sua satira mitteleuropea, un gioiello della letteratura sarcastica; in più, Bruno sapeva disegnare, con quel tratto impietoso che possiamo vedere in certi disegni di Egon Schiele.” (Carlo Bernardini)

 Parallelamente alla proiezione del film documentario di Enrico Agapito “Bruno Touschek. Con AdA a Orsay”, vi proponiamo una piccola ma significativa selezione di disegni del fisico austriaco. Non mancheranno le testimonianze di chi lo ha conosciuto.

Partecipano:
Dott.ssa Giulia Panchieri (Fisica e allieva di Touschek), il Dott. Andrea Ghigo (Responsabile della Divisione Acceleratori dei Laboratori di Frascati e figlio di Giorgio Ghigo che ha collaborato con Touschek alla costruzione di AdA) e Francis Touschek, figlio del fisico austriaco.

lunedì 22 dicembre 2014

Il più grande spettacolo dopo il Big Bang


E' uscito il nuovo Accastampato, rivista di divulgazione scientifica realizzata dagli studenti di Fisica della Sapienza. Questo numero è dedicato all'esperimento di BICEP-2 e all'annuncio risalente al 17 marzo scorso con cui, il gruppo di ricerca guidato da John Kovac, annuncia al mondo la possibile prima osservazione diretta delle tracce delle onde gravitazionali primordiali (qui l'articolo).
Come per ogni esperimento scientifico - e in particolare per misure così importanti e "delicate" - c'è bisogno che altri esperimenti confermino i risultati. A distanza di qualche mese, purtroppo, sembra proprio che le misure effettuate da BICEP-2  non siano affatto dovute ad un segnale primordiale. L'analisi pubblicata dal satellite Planck della polarizzazione prodotta dalla polvere galattica sembra spiegare completamente il risultato: il segnale misurato da BICEP-2 sarebbe interamente dovuto alla contaminazione della polvere galattica e non alle onde gravitazionali.

All'interno della rivista, scaricabile gratuitamente in formato pdf, potete trovare un'intervista che ho realizzato insieme a Valeria Persichetti all'astrofisico Paolo De Bernardis, che ricorda i dieci anni di progettazione dell'esperimento di BICEP e le ipotesi, in gran parte verificate, sulla fase di espansione inflazionaria dell'Universo. Proprio De Bernardis, pochissimi giorni dopo l'annuncio dato da John Kovac, ci avverte: "Potrebbero esserci degli effetti sistematici che modifichino la misura fino ad annullarla entro il rumore. Si tratta quindi di una misura ancora tutta da confermare. Io ad esempio ho una grossa curiosità: capire a quanto ammonta il contributo della nostra galassia in questo campo di rotazione gravitazionale." 

Un'anteprima degli altri articoli, scritti dagli studenti che hanno frequentato il primo corso di scrittura scientifica divulgativa di Accatagliato - alcuni dei quali oggi frequentano la Scuola Sperimentale di Comunicazione della Scienza della libreria assaggi di Roma - li potete trovare nel sommario della rivista.
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"Eppur si muove" di Giorgio Sestili è distribuito con Licenza Creative Commons Attribuzione - Non commerciale - Non opere derivate 4.0 Internazionale.