La superfluidità
14 Maggio 2016
Ciao! Oggi parliamo della superfluidità, uno stato della materia molto particolare. Nelle pillole della settimana parliamo invece della scoperta di un nuovo tipo di semiconduttore, del telescopio spaziale Kepler e di un mistero astronomico finalmente risolto.
Di cosa parliamo oggi
– la viscosità e i superfluidi
– l’elio liquido
– pillole della settimana
La viscosità e i superfluidi
Tutti le sostanze fluide, come ad esempio i liquidi o i gas, hanno una certa viscosità. La viscosità è un grandezza fisica che rappresenta la resistenza del fluido allo scorrimento. Insomma, più un fluido è viscoso, più fa fatica a scorrere. L’olio, ad esempio, è un fluido più viscoso dell’acqua, che a sua volta, è più viscosa dell’aria.
La viscosità non cambia solo in base al fluido che considerate, ma anche in base alla sua temperatura. Generalmente i liquidi, man mano che aumenta la temperatura, diminuiscono la loro viscosità, mentre per i gas accade il contrario.
Esistono però alcune sostanze che, a certe temperature, si comportano come se non avessero viscosità: sono i cosiddetti superfluidi.
L’elio liquido
Un esempio di superfluido è l’elio liquido. L’elio ce l’avete presente, no? È quel gas che mettiamo nei palloncini e che quando lo respiriamo fa venire una vocina da paperino.
Il motivo per cui siamo abituati a vedere l’elio sempre come un gas e mai come liquido, è che il suo punto di ebollizione è molto basso. Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato liquido a quello gassoso e viceversa – ossia la temperatura alla quale bolle. Mentre l’acqua, in condizioni normali di pressione (1 atmosfera), bolle a 100°C, l’elio bolle a circa -269°C, che è una temperatura bassissima e difficile da raggiungere. Considerate che la temperatura più bassa raggiungibile, lo zero assoluto, equivale a -273,15°C.
Il primo che riuscì a creare l’elio liquido, portandolo a temperature così basse, fu il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes. Era il 1908 e tutto quello che si sapeva sui fluidi veniva dalla fisica classica di Newton. Negli anni seguenti ci si accorse però che l’elio liquido non si comportava come gli altri fluidi – i cosiddetti fluidi newtoniani: al di sotto di una certa temperatura, aveva delle proprietà spettacolari e inaspettate.
Viscosità
Sotto i -271°C l’elio liquido smette di comportarsi come un fluido normale. Questa transizione di fase è segnalata da un comportamento molto strano: le bolle dell’elio, che ha da pochissimo superato il suo punto di ebollizione, scompaiono improvvisamente e la sua superficie diventa di colpo piatta, come si vede in questa animazione.
Studiando l’elio dopo questa transizione di fase, ci si accorge che la sua viscosità è pari a zero e che si comporta come un fluido irrotazionale – ossia non si possono formare vortici e mulinelli (nota per gli esperti: in realtà si possono formare dei vortici quantistici, ma oggi non ne parlo). È diventato un superfluido.
Una delle dimostrazioni più efficaci del suo comportamento superfluido è la seguente: si prende un bicchiere con dei piccolissimi forellini e lo si riempie di elio liquido. A causa della viscosità, l’elio non riesce a uscire dai forellini. Appena l’elio diventa superfluido, ecco cosa succede (occhio alle goccioline).
Il film flow
Un altro comportamento stranissimo dell’elio superfluido è il cosiddetto film flow. Se immergiamo un oggetto nell’elio, questo lo ricopre con un film sottilissimo, una pellicola di liquido dello spessore di qualche atomo dentro la quale può scorrere l’elio stesso.
Per questo motivo, se prendiamo un contenitore bagnato di elio e lo immergiamo parzialmente nel liquido – senza però farlo affondare – comincia a riempirsi. Se poi lo solleviamo senza rovesciarlo, l’elio risale le sue pareti sconfiggendo la gravità e il contenitore si svuota da solo. Come? Così:
Trasmissione del calore
Tutti i materiali conducono calore. Alcuni sono più conduttivi e lo traferiscono velocemente da un punto a un altro, come i metalli ad esempio. Altri invece sono più isolanti e lo conducono lentamente, come il legno o la gomma. La grandezza fisica che indica la capacità di una sostanza di trasferire il calore si chiama conducibilità termica. Più la conducibilità è grande, più velocemente la sostanza trasferisce calore da un punto a un altro. Ecco, l’elio superfluido ha una conducibilità infinita. Questo significa che non è possibile che due parti del superfluido abbiano temperatura diversa, perché il calore si trasferisce istantaneamente, bilanciando le temperature. Questo è il motivo per cui, al di sotto di -271°C, le bolle spariscono di colpo: le bolle sono zone in cui il liquido è più caldo. Quando l’elio diventa superfluido, le temperature si riequilibrano e le parti più calde si raffreddano istantaneamente.L’effetto fontana
L’effetto fontana, detto anche effetto termomeccanico, è un fenomeno molto spettacolare. Immaginate di prendere un tubicino contenente polvere abrasiva e di immergere una sua estremità nell’elio superfluido. Riscaldando la polvere abrasiva, l’elio risale il tubicino per riequilibrare la temperatura, creando un getto di superfluido.
Perché c’è la superfluidità?
Il comportamento superfluido di alcune sostanze si può spiegare solo tramite le leggi della Meccanica quantistica. Purtroppo non possiamo entrare nei dettagli, perché servono conoscenze e competenze che richiedono mesi di studio. Magari riusciremo a dire qualcosa in più quando parleremo dei condensati di Bose-Einstein. Anche se non sono la stessa cosa, i due fenomeni sono imparentati in vari modi.
Pillole della settimana
Qualche notizia di questa settimana, in breve.
Scoperto un nuovo semiconduttore ferromagnetico
Degli scienziati giapponesi e vietnamiti hanno prodotto un semiconduttore ferromagnetico a temperatura ambiente utilizzando dell’antimonio dopato con atomi di ferro e gallio. I semiconduttori ferromagnetici sono importanti in elettronica perché sono facili da manipolare per trasferire e memorizzare i dati. Tuttavia hanno un limite: il loro ferromagnetismo si mantiene solo a temperature ben al di sotto dello zero. Se veramente si riuscirà ad utilizzare questo nuovo materiale a temperatura ambiente, ci potrebbero essere importanti ricadute in elettronica e in informatica.
La Red Dragon è tornata
La capsula Red Dragon di SpaceX è tornata a terra sana e salva dopo aver rifornito la ISS. Qui la foto.
Kepler trova cose
Il telescopio spaziale Kepler, in orbita dal 2009, ha scovato 1284 nuovi pianeti nella Via Lattea. Tra i nuovi pianeti scoperti, più di 500 sembrano essere rocciosi e nove di questi sono potenzialmente abitabili.
150-kilometer echoes
Gli scienziati hanno finalmente capito, dopo cinquant’anni, l’origine del fenomeno “150-kilometer echoes”. I segnali radar inviati nello spazio vengono infatti riflessi verso terra come se a 150 km di altezza ci fosse una specie di specchio che produce degli eco. Verso mezzogiorno questo immaginario specchio scende fino a 30 km di altezza, mentre di notte sparisce. L’effetto specchio è dovuto a delle vibrazioni degli ioni presenti nell’atmosfera, prodotte dalle interazioni tra gli ioni, le molecole e i fotoni provenienti dal Sole.
LHC riparte
È ripartito l’acceleratore LHC del CERN (cos’è?). Gli esperimenti di quest’anno raccoglieranno un numero di dati sperimentali sei volte maggiore dell’anno scorso. Non si aspettano grandi risultati scientifici, ma ogni risultato che si discosterà dalle previsioni del Modello standard potrebbe essere l’indicazione dell’esistenza di fenomeni fisici ancora sconosciuti.
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Per approfondire
– Il documentario della BBC da cui ho preso le varie gif
– Un documentario BBC più recente e a colori
– I vortici quantistici in un superfluido (video)
(Credit: NASA/Goddard/Wade Sisler)La teoria del tutto
18 Aprile 2016
I fisici sono spesso spinti dalla convinzione che la natura sia regolata da un sistema di leggi completo e coerente, in grado di spiegare tutti i fenomeni naturali: è la cosiddetta Teoria del tutto. Ma esiste davvero? Ne discutiamo oggi.
Nel frattempo SpaceX ce l’ha fatta: è riuscita a far atterrare verticalmente il Falcon 9 su una chiatta nell’oceano. Robe da matti.
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Di cosa parliamo oggi
– la gravità fa di testa sua
– la Teoria del tutto
– pillole della settimana
La gravità fa di testa sua
Le due grandi teorie fisiche utilizzate oggi per studiare la natura – la Meccanica quantistica e la Teoria della Relatività – non vanno molto d’accordo. Una spiega molto bene i fenomeni microscopici, il comportamento delle particelle, i legami chimici e la struttura della materia. L’altra descrive la dinamica e la meccanica dei corpi, anche per grandi masse e grandi velocità: ci permette di mandare satelliti in orbita, studiare l’universo e regolare orologi e gps. Dove però funziona una teoria, l’altra fallisce.
Negli anni è stata sviluppata una teoria, chiamata Teoria quantistica dei campi (Quantum field theory), che è riuscita a unificare la Meccanica quantistica con la Teoria della Relatività Speciale. Un’unificazione è sempre un grande risultato: avere una sola teoria per spiegare alcuni fenomeni naturali, anziché dover ricorrere a più modelli, semplifica i problemi concettuali ed evita di farsi domande come “perché dovremmo usare questo modello anziché l’altro?”. La Teoria quantistica dei campi ha ottenuto ottimi risultati ed è la teoria su cui si basano gli esperimenti del CERN, dove è usata per studiare i comportamenti quantistici delle particelle elementari a velocità relativistiche – ossia a velocità prossime a quelle della luce. L’unificazione però funziona con la Relatività Speciale, quella parte della Relatività che non si occupa della gravità. Al CERN infatti non si tiene conto dell’effetto della gravità della Terra, o del Sole o della Luna: sono forze troppo piccole per disturbare gli esperimenti.
Non abbiamo però una teoria che unifichi la Meccanica quantistica con la Teoria della Relatività Generale, ossia non abbiamo una teoria che descriva i comportamenti quantistici della natura in presenza di gravità. È chiaro che se vogliamo studiare l’universo non possiamo dimenticarci completamente della gravità. Ci piacerebbe inoltre sapere se la gravità stessa abbia un comportamento quantistico come le altre tre forze della natura. I fisici credono di sì.
Una legge per domarli
Una teoria in grado di unificare la Relatività e la Meccanica quantistica sarebbe quella che i fisici chiamano una Teoria del tutto, perché sarebbe potenzialmente in grado di spiegare tutti i fenomeni fisici, collegandoli insieme in maniera organica e coerente. Pensateci, non sarebbe bello che tutti i fenomeni fisici fossero spiegabili da un’unica elegante formula? O che le quattro forze della natura fossero diverse manifestazioni di un’unica forza, di cui ancora non conosciamo le caratteristiche?
La credenza che l’universo sia regolato da un’unica legge elegante ha ben poco di scientifico. È una pretesa bella e buona, un atto di fede, quasi. Tuttavia questa convinzione è stato lo stimolo principale dei fisici da quando si scoprì che l’elettricità e il magnetismo non erano fenomeni distinti, ma manifestazioni dello stessa forza naturale – la forza elettromagnetica – ed erano spiegabili da quattro semplici ed eleganti formule – le equazioni di Maxwell.
Le teoria del tutto
Ma esiste una Teoria del tutto? No, non ancora. Ci sono però alcune teorie che si sono candidate ad esserlo. La candidata più famosa è la Teoria delle stringhe. La Teoria delle stringhe – ne parleremo con più calma, un giorno – riesce a descrivere il Modello standard delle particelle, includendo la Relatività Generale. Sostiene che l’universo abbia 10 o 11 dimensioni – anziché 4.- e che le particelle siano composte da strutture unidimensionali in vibrazione – le stringhe. Ogni stringa potrebbe vibrare in modi diversi, dando origine a diversi tipi di particelle.
Purtroppo però la Teoria delle stringhe, dopo più di cinquant’anni dalla sua prima formulazione, non ha portato grandi risultati e alcune delle sue importanti predizioni continuano a non essere confermate dagli esperimenti. Inoltre alcune suoi aspetti, come l’esistenza stessa delle stringhe, non sono verificabili né falsificabili, cioè non possono essere testati con degli esperimenti.
Esistono comunque altre teorie, oltre alla Teoria delle stringhe, che potrebbero candidarsi a Teoria del tutto. La più nota è la cosiddetta Gravità quantistica a loop (Loop Quantum Gravity). Una delle caratteristiche principali di questa teoria è che prevede che lo spazio sia discreto, anziché continuo. Ricordate il lenzuolo che descriveva lo spaziotempo di Einstein? Anziché essere una superficie continua potrebbe essere una specie di rete intrecciata di piccoli oggetti chiamati “loop”. È però una teoria piuttosto giovane, ancora in fase di sviluppo ed è presto per dare un giudizio.
Un giorno magari parleremo più in dettaglio di queste teorie, ricordandoci però che, a differenza della Meccanica quantistica e della Relatività, non sono confermate dagli esperimenti.
Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.
SpaceX, che gran cosa
Dopo vari tentativi SpaceX, la compagna spaziale di Elon Musk, è riuscita a far atterrare il suo lanciatore Falcon 9 su una chiatta nell’oceano. Il Falcon è stato utilizzato per portare in orbita la capsula Dragon CRS-8, con un carico destinato alla ISS e avrebbe avuto carburante sufficiente per tornare sulla terraferma, ma SpaceX ha preferito tentare nuovamente l’atterraggio su chiatta. Comunque sia, oggi dobbiamo solo goderci questo video: è fantascienza che diventa realtà.
BEAM
Il lancio del Falcon era molto atteso anche per il carico che portava con sé. La capsula Dragon CRS-8 conteneva infatti un nuovo modulo abitativo per la ISS, chiamato BEAM (Bigelow Expandable Activity Module). BEAM è un modulo gonfiabile e dunque più leggero e meno ingombrante di quelli rigidi. L’installazione del modulo BEAM – nel video qui sotto vedete una simulazione – sarà effettuata sabato 16 aprile 2016 e sarà visibile in streaming a questo link dalle ore 11.30.
Kepler
Kepler è un telescopio spaziale il cui scopo è la ricerca di pianeti simili alla Terra. Il 7 Aprile è stato scoperto che Kepler si trovava da circa 36 ore in modalità di emergenza, una modalità a bassa operatività, ma a grande consumo di carburante. Lunedì 11 la NASA ha però annunciato che Kepler è uscito dalla modalità di emergenza. Gli ingegneri stanno ora analizzando i dati del telescopio per capire cosa abbia causato il malfunzionamento.
Vele solari
Il fisico (e milionario) Yuri Milner ha presentato un progetto per raggiungere il sistema stellare Alpha Centauri in 20 anni. Il progetto, chiamato Breakthrough Starshot, prevede l’utilizzo di una piccola sonda lanciata al 20% della velocità della luce, utilizzando una vela solare. Non mi dilungo. Trovate un’ottima spiegazione qua.
Domande?
Per suggerimenti e domande scrivete a spacebreak [at] francescobussola.it
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Per approfondire
– la Teoria delle strighe, spiegata in due minuti
– il modulo BEAM e la storia dei moduli gonfiabili
– il lancio di SpaceX, nel dettaglio