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)
LHC down (per colpa di una faina)
9 Maggio 2016
Ciao! Oggi niente lezione di fisica, perché sono un po’ preso da alcuni lavori. Ne approfittiamo per riposarci un attimo. I nuovi arrivati che vogliono leggere qualcosa sulla fisica moderna trovano le vecchie newsletter sul mio blog. Da gennaio abbiamo parlato di un bel po’ di argomenti: la Teoria della Relatività Speciale e Generale, la Meccanica quantistica, il dualismo onda-particella, le quattro forze fondamentali, il gatto di Schrödinger, la radiazione di Hawking, il modello Standard delle particelle, il CERN, il paradosso dei gemelli, i buchi neri e ovviamente le onde gravitazionali. Ce ne è per tutti i gusti.
Ci sono parecchie notizie interessanti questa settimana. Tanto per dirne alcune, l’esperimento LHC è stato fermato per colpa di una faina, i ricercatori di LIGO hanno guadagnato tre milioni di dollari, il satellite Hitomi è morto e SpaceX ha spiazzato tutti – tanto per cambiare – dicendo che vuole andare su Marte tra due anni.
Di cosa parliamo oggi
– LHC down per colpa di una faina
– tre milioni di dollari ai ricercatori LIGO
– Hitomi non ce l’ha fatta
– SpaceX su Marte nel 2018
– inaugurato un nuovo cosmodromo a Vostochny, in Russia
– il transito di Mercurio davanti al Sole
– un test per la gravità quantistica
LHC down
Il Large Hadron Collider del CERN (cos’è?) è stato spento per un paio di giorni dopo che una faina è salita sui terminali di un trasformatore elettrico, mandandolo in corto circuito. Il corto circuito ha fatto spegnere il sistema di criogenia dell’acceleratore di particelle – che è solitamente mantenuto a una temperatura di poco superiore a -273°C. Un innalzamento della temperatura anche di pochi decimi di grado sembra poca cosa, ma a temperature così basse richiede tempo per ristabilire le condizioni ottimali per gli esperimenti. Nonostante l’intoppo non ci sono state gravi conseguenze per LHC, che ieri è stato rimesso in funzione. Lo stesso non si può dire della faina, che si è presa una scarica elettrica da 66 mila volt.
Tre milioni di dollari ai ricercatori LIGO
Il fisico e milionario russo Yuri Milner – quello del progetto Breakthrough starshot – ha deciso di devolvere tre milioni di dollari ai ricercatori che hanno partecipato alla scoperta delle onde gravitazionali. Questa somma si aggiunge ai tre milioni di dollari che elargisce ogni autunno come premio per le migliori scoperte in fisica fondamentale. Dei tre milioni, uno verrà diviso dagli ideatori dell’esperimento LIGO – Kip Thorne, Rainer Weiss e Ronald Drever – mentre i rimanenti due milioni saranno distribuiti tra i mille scienziati che hanno firmato l’articolo pubblicato sul Physical Review Letters.
Hitomi non ce l’ha fatta
Da qualche settimana l’agenzia spaziale Giapponese JAXA non è più in grado di comunicare con il satellite a raggi X Hitomi, lanciato a Febbraio. Il guasto è probabilmente dovuto al completo distacco dei pannelli solari dal satellite, che è quindi inutilizzabile. JAXA ha deciso interrompere ogni tentativo di recupero. Ora sarà importante capire se la rottura è stata causata da un problema di progettazione, di costruzione o se il satellite è stato danneggiato inavvertitamente durante le fasi di trasporto e lancio. Della analisi preliminari parrebbe che si tratti di un errore di programmazione informatica: il computer di Hitomi avrebbe accelerato la rotazione del satellite, anziché rallentarla.
SpaceX su Marte nel 2018?
Una notizia che mi era sfuggita. Con un tweet SpaceX ha annunciato di voler lanciare una capsula Red Dragon su Marte entro il 2018. La missione avverrebbe senza equipaggio, ma la notizia, che ha colto tutti di sorpresa, rafforza le impressioni che SpaceX e la NASA possano presto collaborare per una missione su Marte.
Planning to send Dragon to Mars as soon as 2018. Red Dragons will inform overall Mars architecture, details to come pic.twitter.com/u4nbVUNCpA
— SpaceX (@SpaceX) 27 aprile 2016
La capsula Red Dragon è un veicolo spaziale progettato per effettuare missioni di atterraggio su Marte in assenza di equipaggio. Queste missioni, oltre ad avere obiettivi scientifici, serviranno a sperimentare le tecnologie necessarie per far atterrare dei grandi carichi sul pianeta senza l’utilizzo di un paracadute.
(Credit: SpaceX Photos – Dragon to Mars, CC 0)
Un nuovo centro spaziale in Russia
Giovedì scorso è stato inaugurato un nuovo cosmodromo a Vostochny, in Russia. Il centro spaziale di Vostochny è stato costruito per diminuire la dipendenza della Russia dalla base di lancio di Baikonur, in Kazakhistan, che costa al governo russo circa 115 milioni di dollari all’anno di affitto.
Purtroppo uno dei nanosatelliti lanciati durante l’inaugurazione non trasmette alcun segnale. Molto probabilmente dopo l’immissione in orbita non si è acceso. Ecco il video del lancio inaugurale, con le tipiche simulazioni di Roscosmos, l’agenzia spaziale russa.
Mercurio davanti al Sole
Lunedì 9 Maggio il pianeta Mercurio transiterà davanti al Sole. Il fenomeno sarà visibile per tutto il pomeriggio. Per effettuare delle osservazioni basterà un piccolo telescopio o anche un buon binocolo con un cavalletto. È importante utilizzare dei filtri solari professionali, per evitare di bruciarsi la retina. Il prossimo passaggio di Mercurio sul Sole sarà nel novembre del 2019.
Un test per la gravità quantistica
Un gruppo di ricercatori italiani della SISSA di Trieste, del LENS di Firenze e dell’INFN di Padova hanno proposto un modello per conciliare la Relatività e la Meccanica quantistica. Come abbiamo spesso detto le due teorie non si parlano molto e da tempo i fisici cercano di unificarle in una teoria più generale. Il modello proposto di fisici italiani prevede che lo spaziotempo abbia una struttura granulare e discreta, anziché continua e liscia. Il modello, pur preservando il principio di causalità (nessun segnale può viaggiare più velocemente della luce), rinuncia a quello di località, ossia postula l’esistenza di fenomeni non locali. Il modello si aggiunge ai tanti presentati ogni anni da fisici di tutto il mondo, ma ha un aspetto importante: la possibilità, almeno sulla carta, di verificarne sperimentalmente i risultati utilizzando un piccolo chip al silicio. Questo modello è dunque un buon esempio di come viene condotta la ricerca scientifica: si fanno delle ipotesi, anche azzardate, e si cerca un modo di confrontarle con la realtà. Modelli che non possono essere testati sperimentalmente – oggi o in futuro, – non possono essere falsificati e non sono quindi buoni modelli fisici.
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Il gatto di Schrödinger
3 Aprile 2016
Il gatto di Schrödinger è uno dei gatti più famosi della scienza popolare. La settimana scorsa, spiegando i principi della Meccanica quantistica, non l’ho citato. Ne parliamo oggi, cercando di dare qualche spunto anche a chi sa già cos’è. Parleremo anche di spazio e dei risultati di alcuni esperimenti.
Di cosa parliamo oggi
– il gatto di Schrödinger
– pillole della settimana
Cos’è il gatto di Schrödinger
Il gatto di Schrödinger è una metafora per capire come va interpretata la natura quando si studia l’infinitamente piccolo usando la Meccanica quantistica. Abbiamo visto la scorsa settimana che non possiamo conoscere tutto quello che vogliamo della natura. Ad esempio, studiando una particella, non riusciamo a misurare contemporaneamente e con infinita precisione la sua posizione e la sua velocità. Meglio ne misuriamo la posizione, meno precisamente possiamo sapere la velocità, e viceversa. Non è un limite tecnologico, ma un limite fisico chiamato principio di indeterminazione di Heisenberg. La natura ci impedisce di farlo.
Siccome non possiamo sapere tutto con la precisione che vogliamo, in Meccanica quantistica vengono utilizzate delle funzioni matematiche di probabilità, chiamate funzioni d’onda: se non sappiamo dire precisamente la posizione di una particella, possiamo però sapere qual è la probabilità di trovarla in un certo posto. Queste funzioni d’onda non sono predittive, ma descrivono in maniera probabilistica lo stato di una particella.
L’esperimento del gatto
L’esperimento mentale del gatto fu proposto dal fisico Erwin Schrödinger nel 1935 all’interno della discussione sul paradosso EPR – di cui oggi non parliamo – ma secondo me è utile per spiegare l’idea della funzione d’onda.
Immaginate di chiudere un gatto in una scatola. All’interno della scatola, oltre al gatto, c’è una fialetta di cianuro collegata a un marchingegno con una sostanza radioattiva. Il marchingegno funziona così: quando la sostanza radioattiva decade, ossia quando emette almeno una radiazione, la fialetta si rompe, il cianuro esce e il gatto muore. Però la sostanza è molto poco radioattiva e ha un tempo di dimezzamento alto, che significa che emette particelle radioattive molto lentamente. Diciamo, per esempio, che il tempo di dimezzamento sia di dieci minuti. In questo caso la probabilità che la sostanza emetta una radiazione dopo dieci minuti è del 50%. Significa che dopo dieci minuti c’è il 50% di probabilità che la sostanza abbia emesso una particella radioattiva e il marchingegno abbia rotto la fialetta di cianuro e il 50% che non l’abbia fatto. Testa o croce, insomma. Può averlo fatto, come no.
Se dopo dieci minuti non apriamo la scatola non c’è modo di sapere se la sostanza è decaduta o meno. Quello che sappiamo è solo la probabilità che l’abbia fatto, il 50%. In questo caso non possiamo dire che la sostanza è decaduta, ma nemmeno che non lo sia. La Meccanica quantistica interpreta questa situazione nel modo seguente: “la sostanza è decaduta, ma anche no”, con una probabilità del 50%. Se volessimo descrivere lo stato della sostanza, questo è tutto ciò che potremmo dire. Questa è la sua funzione d’onda probabilistica.
E il gatto?
La vita del gatto però, si trova appesa allo stesso filo: se la sostanza è decaduta, la fiala di cianuro si è rotta ed è morto, altrimenti è vivo. Se non apriamo la scatola possiamo dire se il gatto è vivo? No, possiamo solamente dire che c’è il 50% di probabilità che lo sia. Anche il gatto quindi ha una funzione d’onda e si trova in una sovrapposizione di stati. Non è vivo e non è morto. È entrambi, contemporaneamente, con una probabilità del 50%. Almeno finché non apriamo la scatola.
Beh, apriamo la scatola
Aprendo la scatola possiamo controllare se il gatto è vivo o morto. Questa azione corrisponde, in Meccanica quantistica, a un atto di misura: abbiamo misurato lo stato del gatto. Nel momento in cui facciamo una misura la descrizione probabilistica scompare. A quel punto otteniamo un risultato certo: vivo o morto, decaduto o non decaduto, 1 o 0, c’è o non c’è. L’atto di misurare fa collassare la funzione d’onda in uno degli stati probabili. Se si ripetesse l’esperimento tante volte, si scoprirebbe che la metà delle volte il gatto sopravvive, la metà muore, esattamente come la funzione d’onda ci stava dicendo.
Eh no
Potreste rispondermi: “È una sciocchezza che il gatto sia sia vivo che morto prima di aprire la scatola. Non c’è alcuna sovrapposizione di stati e nessun collasso della funzione d’onda. Il gatto è già vivo o già morto, solo che noi non lo sappiamo e quando apriamo la scatola semplicemente lo scopriamo”.
Avreste ragione, perché infatti il mondo macroscopico funziona così e il gatto è appunto solo una metafora. Ma c’è un esempio miroscopico che i lettori affezionati di questa newsletter conoscono bene in cui invece ho ragione io.
La doppia fenditura, il ritorno
Vi ricordo brevemente cos’è l’esperimento della doppia fenditura. Proviamo a sparare una particella contro due fenditure molto vicine. Ci aspetteremmo che la particella passi da una delle due fenditure e non dall’altra, come una pallina di un flipper. Abbiamo visto però che non accade così, ma che in casi come questo le particelle si comportano come onde e riescono a passare da entrambe le fenditure, creando una figura di interferenza (per chi si è perso e per chi non c’era, trovate tutto qui e qui).
Di Koantum, di Trutz Behn (Opera propria) CC-BY-SA-3.0, attraverso Wikimedia Commons
Proviamo a interpretare questo fenomeno in modo simile al gatto. La particella ha il 50% di probabilità di passare nella fenditura a sinistra e il 50% di passare a destra. Se non chiudiamo le fenditure abbiamo visto che le particelle, anche sparandole una alla volta, anziché raccogliersi in corrispondenza delle due fenditure, creano una figura di interferenza e abbiamo detto che l’unico modo per giustificare questo comportamento è convincersi che ogni particella passi da entrambe le fenditure contemporaneamente, come fa un’onda del mare attraverso i boccaporti. Qui sotto un video di un esperiento in cui si vedono le particelle – in questo caso elettroni – disporsi una alla volta secondo una configurazione strana, anziché raccogliersi su due righe in corrispondenza delle fenditure.
Se ogni particella passa sia a destra che a sinistra, però, significa che si trova in una sovrapposizione di stati: non possiamo dire “la particella è passata a sinistra” né “la particella è passata a destra”. Anzi, come dimostra la figura di interferenza, la particella è passata sia a destra che a sinistra, comportandosi come un’onda.
La funzione d’onda della particella ci dice che la probabilità di trovare la particella a destra o a sinistra è del 50% ed è proprio quello che accade. Se si mette un contatore di particelle su una delle due fenditure – chiudendo di fatto la fenditura – si scopre che metà delle particelle sparate vengono rilevate dal contatore, mentre le altre mezze passano dall’altra fenditura aperta e stavolta passano come se fossero delle semplici palline: vanno dritte e non formano alcuna figura di interferenza. Insomma, misurando la posizione delle particelle – che è l’equivalente di aprire la scatola con il gatto – scopriamo se queste passano a sinistra o a destra: la loro funzione d’onda collassa in uno dei due stati possibili, non sono più “sia a sinistra che a destra” e la figura di interferenza, che era un segnale del loro comportamento quantistico, scompare.
Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.
LHC è ripartito
LHC, l’acceleratore di particelle al CERN di Ginevra, è stato rimesso in funzione dopo la pausa invernale. Attualmente è in fase test, ma le prime collisioni buone per fare esperimenti si dovrebbero avere verso fine aprile. Negli scorsi mesi era stato misurato un fenomeno anomalo e alcuni sperano che si tratti di una nuova particella a 750 GeV di massa. Si vedrà.
Nuove misure di precisione a LHCb
I responsabili dell’esperimento LHCb del CERN di Ginevra hanno annunciato due nuovi record di precisione nelle misure di alcuni parametri fondamentali della matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, un oggetto matematico che descrive il comportamento dei quark. Queste misure permetteranno di verificare con precisione ancora maggiore il Modello Standard delle particelle.
Un uomo su un asteroide
Riuscirà l’uomo a mettere piede su un asteroide? Forse un giorno sì, grazie a una missione NASA – per ora solo in fase di definizione – chiamata Asteroid Redirect Mission (ARM). Lo studio degli asteroidi è importante non solo per motivi scientifici, ma anche per sviluppare le tecniche di difesa dagli asteroidi, ossia quelle procedure utilizzabili in caso si scopra un asteroide in rotta di collisione con la Terra.
L’ARM è stata pensata in vista del fine vita della ISS. La Stazione Spaziale diventerà, al termine del suo compito, una base di appoggio per varie missioni nello spazio. Tutti i dettagli di ARM sono qui (inglese).
Hitomi non se la passa bene
L’agenzia spaziale Giapponese JAXA non riesce più a comunicare con il satellite a raggi X Hitomi, lanciato a Febbraio. Maggiori tentativi saranno fatti in questi giorni.
Per approfondire
– un video sul riavvio di LHC, in inglese
– una visuale a 360° del quarto modulo della ISS
– Il paradosso EPR, spiegato dal Prof. Valter Moretti