La superconduttività
27 Agosto 2016
Ciao! Come va l’estate? La scorsa volta ci siamo lasciati con un sondaggione su Space break al quale potete ancora rispondere. Chi non l’ha fatto ha l’ultima occasione. In particolare sarebbe bello che diciate la vostra sulla cadenze delle newsletter: le preferite settimanali, bisettimanali o mensili? E in che giorno della settimana? Sondaggione, appunto.
Le newsletter ripartiranno con una certa regolarità a inizio settembre e ci saranno delle novità. Siate pronti.
Oggi invece parliamo della superconduttività e della teoria BCS. In fondo trovate anche alcune notizie di queste settimane.
Per scrivermi l’indirizzo è sempre spacebreak [at] francescobussola.it.
Di cosa parliamo oggi
– resistività e conducibilità elettrica
– i superconduttori
– la teoria BCS
– pillole del mese
Resistività e conducibilità
Non tutti i materiali conducono la corrente elettrica allo stesso modo. Sappiamo un po’ tutti che la gomma è un buon isolante, mentre è più facile prendere la scossa utilizzando degli oggetti metallici. È il motivo per cui i fili della corrente sono fatti quasi sempre di rame – non è il miglior metallo da usare, ma è uno dei meno costosi – mentre i rivestimenti sono fatti di gomma o plastica.
Ma cosa vuol dire che un materiale conduce la corrente? Sappiamo che la materia è fatta di atomi e che questi atomi hanno una struttura interna, ossia sono composti da un nucleo – che contiene i protoni e i neutroni – e da degli elettroni – delle particelle molto piccole e leggere che ruotano intorno al nucleo (per chi volesse approfondire ne abbiamo parlato qui). Gli elettroni si dispongono attorno al nucleo in particolari strutture, chiamate orbitali atomici. Gli elettroni che si trovano negli orbitali più vicini al nucleo dell’atomo, solitamente se ne stanno lì tranquilli, mentre quelli più esterni – che vengono chiamati elettroni di valenza – hanno a volte la possibilità di sganciarsi dall’atomo e se accade che gli atomi sono legati tra loro in certe configurazioni, questi elettroni riescono a muoversi nel materiale, saltando da un atomo all’altro.
La facilità con cui questi elettroni riescono a muoversi è chiamata conducibilità elettrica: i materiali con un’alta conducibilità, sono dunque chiamati conduttori elettrici.
Tra i migliori conduttori elettrici troviamo appunto i metalli, che grazie alla struttura in cui sono disposti i loro atomi e al fatto che condividono molti elettroni di valenza, oppongono poca resistenza al flusso degli elettroni nel materiale. Per attivare questo flusso di elettroni bisogna applicare una differenza di potenziale elettrico, chiamata anche tensione. Insomma, bisogna fare in modo che gli elettroni nel materiale decidano di andare in una direzione particolare. Otteniamo questo risultato, ad esempio, quando inseriamo una spina in una presa elettrica, che fornisce una tensione di 230 Volt, o quando si collegano con un circuito i due capi di una batteria: gli elettroni si mettono in moto.
Nell’animazione qui sotto vedete i capi di una batteria collegati con la carta metallizzata delle gomme da masticare: la batteria ha una differenza di potenziale tra i due capi, che mette in movimento gli elettroni nel metallo. Il metallo comincia a scaldarsi e infine la carta a cui è incollato brucia.
I capi di una batteria collegati con della carta metallizzata.
Il contrario della conducibilità è la resistività elettrica. Più un materiale è resistivo, meno è un conduttore e viceversa.
Inoltre la capacità dei materiali di condurre l’elettricità dipende dalla loro temperatura. Tendenzialmente, la resistività di un conduttore diminuisce man mano che diminuisce la temperatura – è uno dei motivi per cui molti circuiti elettrici hanno dei sistemi di raffreddamento. Tuttavia la resistività non si annulla mai: buoni conduttori come l’oro, l’argento e il rame hanno una resistività non nulla anche allo zero assoluto (-273,15°C), che è la temperatura più bassa raggiungibile.
I superconduttori
Eppure esistono dei materiali che, a temperature prossime allo zero assoluto, non oppongono alcuna resistenza al passaggio della corrente. Sono i materiali superconduttori.
La superconduttività fu scoperta nel 1911 dal fisico Heike Kamerlingh Onnes mentre studiava un campione di mercurio a temperature prossime allo zero assoluto (Onnes è famoso soprattutto per essere riuscito a creare l’elio liquido – ne abbiamo parlato in questa newsletter). A circa -269°C, la resistività del mercurio al passaggio della corrente diventa improvvisamente nulla: ciò significa che gli elettroni riescono a muoversi nel materiale senza perdere energia, in una specie di “moto perpetuo”. Chi segue le newsletter avrà notato una certa somiglianza con il fenomeno della superfluidità. La superfluità, così come la superconduttività, si presenta in alcune sostanze solo al di sotto di una determinata temperatura, che varia da materiale a materiale.
Quanti superconduttori ci sono?
Dal 1911 a oggi sono stati scoperti molte sostanze in grado di trasformarsi in superconduttori. Tra questi troviamo una trentina di metalli, con temperature di transizione tra i -273°C e i -264°C, varie leghe metalliche o composti più complessi. Esistono ceramiche che diventano superconduttori già a -200°C. Nel 1993 fu scoperta una ceramica in grado di trasformarsi in superconduttore a −135 °C.
La scoperta di materiali superconduttori a temperature più alte favorirebbe il loro utilizzo in campo elettronico: garantirebbero una trasmissione di corrente senza alcuna dispersione di energia. Tuttavia non è ancora stato trovato un superconduttore a temperatura ambiente – e non è detto che lo si troverà mai.
Si possono utilizzare?
L’utilizzo dei superconduttori non è comunque facile, perché in presenza di correnti o campi magnetici elevati il materiale torna allo stato normale. La presenza di campi elettromagnetici, infatti, abbassa la temperatura critica a cui avviene la transizione allo stato di superconduttore. Per trasformare nuovamente il materiale in superconduttore bisogna quindi diminuire ulteriormente la temperatura, ma più è bassa la temperatura, più diventa difficile abbassarla.
I superconduttori sono quindi molto usati in ambito sperimentale, laddove ci sono i fondi e le tecnologie per raggiungere temperature così basse. Al CERN di Ginevra, ad esempio, vengono utilizzati come conduttori di corrente per gli acceleratori di particelle. Esistono però anche alcune applicazioni industriali – come l’installazione di cavi per la conduzione della corrente, la realizzazione di elettromagneti o la costruzione dei magnetometri SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) – e in campo medico, dove i superconduttori vengono utilizzati per la risonanza magnetica nucleare.
L’effetto Meissner-Ochsenfeld
Tra i vari effetti presentati dai superconduttori, il più interessante è forse l’effetto Meissner-Ochsenfeld, scoperto nel 1933. Se si prende un superconduttore, lo si “immerge” in un campo magnetico e si abbassa l’intensità del campo magnetico al di sotto di una certa soglia, si creano sulla superficie del superconduttore delle correnti che inducono, all’interno, un campo magnetico opposto a quello applicato. In sostanza significa che all’interno del superconduttore il campo magnetico si “spegne”.
Questo effetto è quello che permette di ottenere una levitazione magnetica stabile: si prende un superconduttore, gli si appoggia sopra una calamita e poi lo si raffredda fino a raggiungere la temperatura critica. Ecco quello che accade.
Un magnete, appoggiato sopra un superconduttore raffreddato
con azoto liquido, comincia a levitare.
La teoria BCS
Per spiegare il comportamento dei superconduttori non è sufficiente la fisica classica ed è necessario utilizzare le leggi della Meccanica quantistica. Negli anni cinquanta i fisici Bardeen, Cooper e Schrieffer svilupparono una teoria per descrivere il fenomeno della superconduttività. Come abbiamo già visto in qualche newsletter, in natura esistono due grandi famiglie di particelle, i bosoni e i fermioni. Gli elettroni, le particelle che nei conduttori trasportano la carica elettrica, sono fermioni. La teoria BCS prevede che nei superconduttori gli elettroni si uniscano a formare delle coppie, chiamate coppie di Cooper e che siano queste coppie a trasportare la carica elettrica al posto dei singoli elettroni. Tuttavia queste coppie non si comportano più come fermioni, ma come bosoni, che obbediscono a leggi fisiche completamente diverse e che hanno possibilità di muoversi nel materiale più liberamente.
Pillole del mese
Alcune notizie di queste settimane, in breve.
Nuova particella al CERN? Pare di no
Nei mesi scorsi si era vociferato della possibile scoperta di una nuova particella al CERN. Nuove misurazionisembrerebbero escludere questa possibilità. Il picco rilevato potrebbe essere stata una semplice fluttuazione statistica delle misure. (Cos’è il CERN?)
Il bosone di Higgs, di nuovo
Sempre al CERN è stato nuovamente misurato il bosone di Higgs. I nuovi dati permetteranno di studiare la particella più nel dettaglio. (Cos’è il bosone di Higgs?)
A caccia di asteroidi
La NASA ha approvato la fase di sviluppo dei componenti robotici di ARM (Asteroid Redirect Mission), un progetto che prevede la cattura e il dirottamento di un asteroide di circa 4 metri. Una volta trascinato in un’orbita stabile l’asteroide potrebbe essere visitato da due astronauti utilizzando una capsula Orion.
Una fase di test a grandezza naturale dei componenti robotici di ARM (Credit: NASA)
ER=EPR
Potreste aver letto da qualche parte che il fisico Susskind ha proposto un’equazione che potrebbe risolvere il problema dell’unificazione della Relatività Generale con la Meccanica quantistica. L’equazione recita ER=EPR e afferma che ci potrebbe essere un qualche collegamento fisico e geometrico tra gli wormholes di Einstein e Rosen (i famosi “tunnel spaziotemporali” che si vedono nei film) e il paradosso di Einstein Podolski e Rosen, che riguarda l’entaglement, un fenomeno molto esotico che si incontra in Meccanica quantistica (ne parleremo). L’argomento sembra piuttosto speculativo, soprattutto considerando il fatto che gli wormholes, per quel che ne sappiamo, non esistono. È bene quindi essere prudenti ed evitare toni troppo enfatici. Comunque sia, per chi è curioso, ecco qui il paper di Susskind.
Per approfondire
– La levitazione magnetica nei superconduttori (video in inglese)
– Una registrazione Rai sui superconduttori
– Marina Putti spiega le applicazioni dei superconduttori (video, un po’ tecnico)
Che cos’è lo spin
1 Maggio 2016
La fisica si occupa di studiare alcune grandezze che possono essere misurate, come ad esempio la velocità o la posizione di un corpo. Una di queste è lo spin, una proprietà legata alla Meccanica quantistica.
Oltre a questo oggi parliamo di Hawking, tanto per cambiare, e della ricerca sulle tecnologie quantistiche.Se ti piace la newsletter puoi suggerire ai tuoi amici di iscriversi e invitarli a mettere mi piace sulla pagina facebook, dove ogni tanto pubblico degli approfondimenti e dei video. Space break ha anche un account twitter.
Potete contattarmi rispondendo a questa mail o scrivendo a spacebreak [at] francescobussola.it. È uguale.
Di cosa parliamo oggi
– la fisica e le quantità osservabili
– lo spin
– bosoni e fermioni
– pillole della settimana
La fisica e le quantità osservabili
Ci sono varie discipline che cercano di dare delle spiegazioni sulla natura delle cose. La fisica, la filosofia e la teologia sono tra queste. A differenza delle altre, però, la fisica si occupa di studiare e misurare delle quantità. La domanda ultima dei fisici non è infatti perché le cose accadono, ma come. Si sviluppa una teoria che predice dei risultati e si confrontano questi risultati con gli esperimenti. Ciò che differenzia la fisica dalle altre discipline è dunque il concetto di falsificabilità: se il risultato è compatibile con gli esperimenti, la teoria è buona, altrimenti c’è qualcosa da sistemare.
Esistono quindi in fisica delle quantità più importanti di altre, dette osservabili. Sono le quantità che possiamo misurare.
Alcune osservabili le conosciamo tutti: la velocità di un corpo o la sua posizione, ad esempio. In Meccanica quantistica – quella teoria fisica che si occupa dell’infinitamente piccolo – le osservabili hanno una descrizione matematica piuttosto complicata e obbediscono a delle leggi un po’ controintuitive, come ad esempio il principio di indeterminazione di Heisenberg (di cui abbiamo parlato). Inoltre predice l’esistenza di alcune osservabili che la Meccanica classica – quella di Galileo e Newton – non prevedeva. Una di queste è lo spin.
Lo spin
Nelle scorse newsletter abbiamo detto che lo stato fisico di una particella – ossia l’insieme delle sue proprietà fisiche, come la velocità, la posizione e così via – è descritto dalla Meccanica quantistica attraverso un oggetto matematico chiamato funzione d’onda. Non mi dilungo nella spiegazione perché ne abbiamo parlato più volte – qui, qui e qui. Abbiamo anche visto la settimana scorsa che le particelle, oltre ad avere una posizione, una velocità o una carica elettrica, possono avere altre proprietà fisiche e che una di queste è chiamata appunto spin.
Lo spin è importante perché influenza il comportamento di alcune particelle. In un atomo, ad esempio, due elettroni con lo stesso spin non possono avere la stessa funzione d’onda. Questo legge, chiamata principio di esclusione di Pauli, determina direttamente la struttura degli atomi e dunque le proprietà della materia. Ma cos’è lo spin?
Lo spin, semplificando troppo
Immaginiamo un pianeta che ruota su se stesso, come una trottola. Si dice in fisica che questo pianeta ha un momento angolare. Il momento angolare è una quantità che descrive la rotazione di un corpo. Quanti giri deve fare il pianeta prima di mostrare nuovamente la sua faccia iniziale? Uno. Dopo un giro, ossia dopo una rotazione di 360°, il pianeta torna nella posizione di partenza.
Lo spin è una proprietà fisica delle particelle simile al momento angolare. Se il pianeta fosse una particella e stessimo parlando del suo spin, diremmo che il pianeta ha spin 1: dopo 360° ha mostrato nuovamente il suo volto iniziale.
Prendiamo ora, al posto di un pianeta, una moneta con entrambe le facce uguali. Di quanti gradi bisogna ruotarla perché torni nella sua posizione di partenza? Se le due facce sono indistinguibili, basta ruotarla di mezzo giro, ossia di 180°, per riportarla nella posizione iniziale. Se la moneta fosse una particella e stessimo parlando del suo spin, diremmo che la moneta ha spin 2: dopo 180° (=360°/2) ha mostrato il suo volto iniziale.
Lo spin, per i coraggiosi
Però lo spin non ci dice come ruotano le particelle. Per descrivere la rotazione delle particelle abbiamo già una quantità fisica – il momento angolare, appunto. Paragonare lo spin a una quantità classica come il momento angolare è una semplificazione fuorviante.
Esistono infatti particelle che hanno spin 1/2 – come gli elettroni – o spin 3/2, 5/2 e così via. Usando la metafora di prima, una particella con spin 1/2 dovrebbe fare due giri prima di tornare nella posizione di partenza. Chiaramente, detta così, non ha molto senso: l’analogia con il momento angolare non torna.
Purtroppo non c’è un modo per spiegare in maniera approfondita lo spin senza utilizzare la matematica e il formalismo della Meccanica quantistica.
È però interessante notare che lo spin è legato alle proprietà magnetiche delle particelle. Immaginate ogni particella come una piccola calamita, con un polo nord e un polo sud. In un certo senso lo spin ci dice la direzione e l’intensità di questa calamita.
È proprio questa idea che viene sfruttata quando facciamo una risonanza magnetica in ospedale. La risonanza magnetica funziona grossomodo così. Il nostro corpo viene messo dentro un grande magnete. Le particelle che compongono il nostro corpo sentono il campo magnetico creato dal magnete e, come tante piccole calamite, allineano il loro spin nella direzione del magnete, un po’ come fa l’ago della bussola quando si allinea al campo magnetico della Terra. Quando poi il magnete viene spento, gli spin ritornano nella posizione originale, rilasciando dell’energia. Questa energia può essere misurata e, siccome ogni particella rilascia un’energia diversa, è possibile ricreare un’immagine dei nostri organi interni.
Bosoni e fermioni
Quando abbiamo parlato del Modello standard delle particelle, abbiamo detto che le particelle elementari si dividono in due grandi gruppi: i bosoni e i fermioni.
Ciò che suddivide le particelle in queste due grandi famiglie è proprio lo spin. Tutte le particelle che hanno spin intero, ossia quelle con spin 0, 1, 2, 3 e così via sono bosoni. Tutte le particelle con spin semintero, ossia con spin 1/2 (come gli elettroni), 3/2, 5/2 e così via sono fermioni. Bosoni e fermioni hanno caratteristiche molto diverse. I fermioni, ad esempio – che seguono una legge statistica chiamata statistica di Fermi – rispettano il principio di esclusione di Pauli, mentre i bosoni – che seguono la statistica di Bose-Einstein – no. Questa differenza ha conseguenze importanti sul comportamento delle particelle e su come interagiscono tra loro.
Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.
Hawking vicino al Nobel?
Alcune testate giornalistiche italiane, citando come fonte il Times, riportano la notizia che Hawking sarebbe vicino al premio Nobel. Hawking è famoso principalmente per aver predetto l’esistenza della radiazione di Hawking, una radiazione termica emessa dai buchi neri. Il Nobel sarebbe giustificato dal fatto che un gruppo di ricerca israeliano, guidato dal fisico Jeff Steinhauer, avrebbe dimostrato la predizione teorica di Hawking creando “un buco nero da laboratorio”. Direi di andarci cauti. Leggendo l’articolo di Steinhauer ci si rende conto – come era prevedibile – che l’esperimento non riguarda i buchi neri. Si tratta – per chi sa cos’è – di un condensato di Bose-Einstein, confinato da dei laser, che modella il comportamento di un buco nero. In sostanza è un modellino, un sistema che si comporta in maniera analoga ai buchi neri. Le analogie in fisica sono sempre interessanti, ma non è detto che ciò che vale per il modellino, valga anche per i buchi neri.
L’UE stanzierà 1 miliardo di euro per le tecnologie quantistiche
La Commissione UE stanzierà, a partire dal 2018, 1 miliardo di euro per accelerare la ricerca sulle tecnologie quantistiche. Il programma di ricerca e sviluppo, proposto da Tommaso Calarco – presidente del Comitato strategico europeo per le tecnologie quantistiche e direttore del centro di Scienza e Tecnologia Quantistica delle università di Ulm e Stoccarda – potrebbe avere nei prossimi anni un ampio spettro di ricadute tecnologiche e industriali.
Per approfondire
– Lo spin e la risonanza magnetica (con formule)
– Un video brevissimo in inglese sulla risonanza magnetica
– I condensati di Bose-Einstein in Italia
La radiazione di Hawking e il quantum spin liquid
10 Aprile 2016
Perché Hawking è così famoso? Per la sua vita straordinaria, certo, ma anche per aver derivato uno dei più importanti risultati della fisica moderna: la radiazione di Hawking. C’entrano i buchi neri e la Meccanica quantistica.
Per chi volesse leggere le vecchie newsletter, le trova tutte sul mio sito o su medium. Space break ha anche una pagina facebook e un account twitter, dove pubblico di tanto in tanto curiosità e approfondimenti.
Di cosa parliamo oggi
– chi è Stephen Hawking
– la radiazione di Hawking
– pillole della settimana
Chi è Stephen Hawking
Stephen Hawking è un fisico britannico. Nato nel 1942, da quando ha 21 anni è affetto da SLA, una malattia neurodegenerativa. A Hawking vennero dati due anni di vita. La vita media di una persona affetta da SLA è tra i due e i cinque anni e meno del 5% dei malati sopravvive per più vent’anni. Hawking oggi ha 74 anni ed è sopravvissuto per così a lungo che la sua malattia sembra essersi stabilizzata. Pur non riuscendo a muovere il suo corpo atrofizzato e dovendo comunicare attraverso un sintetizzatore vocale, ha una mente ancora particolarmente brillante. Discute di scienza e religione e continua a fare divulgazione scientifica e ricerca di buona qualità. Il suoi risultati più importanti sono stati raggiunti negli anni ’70. Nel 1971 ha contribuito a dimostrare il cosiddetto “No-hair theorem”, un teorema matematico che riguarda i buchi neri e le loro proprietà fisiche. Nel 1974 ha teorizzato l’esistenza di una radiazione termica proveniente dai buchi neri: la radiazione di Hawking. Ne parliamo oggi.
I buchi neri, in tre righe
I buchi neri sono oggetti celesti con una grande massa che riescono ad attirare ed intrappolare ogni cosa, compresa la radiazione elettromagnetica. Insomma, mangiano tutto. Siccome anche la luce non riesce a uscire, non li vediamo brillare. Sono neri, appunto.
La radiazione di Hawking
Nonostante dal punto di vista classico, ossia secondo la Teoria della Relatività Generale, nulla può uscire da un buco nero, Hawking ha dimostrato che gli effetti quantistici permettono ai buchi neri di emettere una radiazione. In sostanza si tratta di una radiazione termica che si comporta come se fosse emessa da un corpo nero a una certa temperatura.
Cos’è un corpo nero
Un corpo nero in fisica è quello che dice di essere: un corpo completamente nero che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che lo colpisce, senza rifletterla. Riesce però a emettere una radiazione termica, che dipende dalla sua temperatura. Un corpo nero è considerato solitamente un oggetto ideale, perché ci si aspetta che un qualsiasi materiale rifletta un po’ di luce, ma è un utile modello che viene spesso usato quando si studiano i fenomeni elettromagnetici.
Che c’entra con i buchi neri
Ecco, Hawking ha dimostrato che i buchi neri, che non sono un materiale ma degli oggetti celesti, si comportano come un corpo nero: nonostante “mangino tutto”, compresa la radiazione elettromagnetica, riescono a emettere una radiazione termica, come se questa fosse emessa da un corpo nero ad una certa temperatura. In questo caso la temperatura dipende dalla massa del buco nero.
Questa radiazione emessa è chiamata a volte evaporazione, perché fa perdere energia al buco nero e dunque gli fa perdere massa. Perciò se il buco nero non mangiasse nulla per molto tempo, continuerebbe a “evaporare”, rimpicciolendosi fino a scomparire.
Come si arriva a questo risultato
La dimostrazione dell’esistenza di questa radiazione fa uso dei principi della Meccanica quantistica, applicati nell’ambito della Teoria della Relatività. Abbiamo detto più volte che Meccanica quantistica e Relatività non vanno molto d’accordo: dove funziona una teoria, fallisce l’altra e viceversa. Tuttavia negli anni si sono trovati dei modi per utilizzarle insieme. Esiste una teoria che permette di unificare la Meccanica quantistica con la Relatività Speciale. Questa teoria, chiamata Teoria quantistica dei campi (Quantum field theory) è molto complicata, ma ha permesso di ricavare il Modello Standard delle particelle elementari. Insomma, è la Teoria che ha reso possibile l’esperimento del CERN e tutte le scoperte fisiche degli ultimi sessant’anni. La Teoria dei campi funziona però solo con la Relatività Speciale, non con la Relatività Generale, ossia funziona quando si trascurano gli effetti della gravità. Questo significa che non abbiamo ancora una teoria fisica in grado di descrivere tutti i fenomeni quantistici e la gravità. In particolare non siamo in grado di descrivere il comportamento quantistico della gravità stessa. Se si trovasse una teoria di questo tipo, sarebbe quella che i fisici chiamano La teoria del tutto, perché sarebbe in grado di spiegare tutti i fenomeni naturali in modo coerente.
Nonostante non siamo in grado di spiegare a fondo il comportamento quantistico della forza di gravità, è possibile però applicare la Teoria dei campi anche in presenza di gravità. È la cosiddetta Teoria dei campi in spaziotempo curvo. Non è una teoria completa, perché la gravità fa in qualche modo da spettatore ai processi fisici in gioco, ma ci permette di studiare alcuni fenomeni quantistici anche quando c’è la gravità – anche vicino a un buco nero, ad esempio.
Le particelle virtuali e la radiazione di Hawking
Molto spesso per spiegare la radiazione di Hawking viene utilizzato il concetto di particella virtuale. Le particelle virtuali sono in generale particelle che violano alcuni principi fisici, come il principio di conservazione o il principio di causalità. Per questo non sono considerate particelle vere e proprie. Si usano perché saltano fuori nella Teoria dei campi quando si fanno alcuni conti, ma la loro esistenza in natura è una questione più filosofica che scientifica.
Comunque sia, spesso la radiazione di Hawking viene spiegata utilizzando le particelle virtuali. Vicino al buco nero si formano e si distruggono continuamente delle coppie di particelle virtuali con energia nulla. A volte però queste coppie di particelle si dividono: una particella cade nel buco nero e una fugge da esso. Delle due, la seconda, allontanandosi dal buco nero, diventa reale ed in teoria è possibile misurarla: è quella che crea la radiazione di Hawking. La prima invece cade nel buco nero e non la vediamo più. Siccome poi la coppia aveva energia totale nulla e la particella uscente ha energia positiva, per la conservazione dell’energia si dice che le particelle virtuali cadute nel buco nero hanno energia negativa e sono quindi loro che fanno diminuire l’energia – ossia la massa – del buco nero, facendolo rimpicciolire.
Tuttavia questa descrizione, anche se evocativa e in un certo senso intuitiva, è sbagliata: in Teoria dei campi in spaziotempo curvo, ossia quando anche la gravità è in gioco, non è possibile definire chiaramente cosa sia una particella. La definizione di particella è chiara quando la gravità è spenta, ma quando la gravità è accesa perde di significato. Hawking stesso non utilizza le particelle virtuali negli articoli tecnici. Insomma, è possibile ottenere i risultati sulla radiazione di Hawking in maniera rigorosa senza utilizzare il concetto di particella virtuale, che è solo un espediente divulgativo.
La radiazione di Hawking è stata misurata?
No, e per un motivo molto semplice: i buchi neri sono difficili da trovare e sono molto distanti da noi. Non abbiamo ancora la tecnologia per avvicinarci a un buco nero e misurare la radiazione di Hawking. Tuttavia è possibile fare degli esperimenti in laboratorio per simulare il comportamento di un buco nero utilizzando fluidi o fibre ottiche. In questi esperimenti sono stati osservati dei comportamenti compatibili con la radiazione di Hawking.
Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.
Scoperto un nuovo stato della materia
I fisici hanno osservato, in un materiale di Cloruro di rutenio, un nuovo stato della materia che era stato previsto una quarantina di anni fa, chiamato quantum spin liquid. Si tratta di un liquido fatto di elettroni a temperature prossime allo zero assoluto (-273 °C). Solitamente a temperature così basse gli elettroni tendono ad allinearsi in maniera particolare. In questo caso invece non lo fanno. Questo nuovo stato della materia potrebbe servire in futuro per sviluppare i computer quantistici, ma è troppo presto per dirlo con certezza. Trovate tutto qui.
Nuovo test per New Shepard, il lanciatore di Blue Origin
Terzo test per Blue Origin, la compagnia di Jeff Bezof che sta sviluppando dei lanciatori per il turismo spaziale. New Shepard è salito fino a 103 Km di quota, per poi riatterrare verticalmente a terra. Guardate il video perché è fantascienza: New Shepard ha riattivato i motori a 1 Km da terra, decelerando paurosamente.
Le scoperte di NEOWISE
La missione NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Survey Explorer) della NASA per la ricerca di asteroidi vicini alla terra ha rilasciato nuovi dati. Dalla sua riattivazione NEOWISE ha scoperto 250 nuovi oggetti, di cui 72 vicini alla terra, e 4 nuove comete. I dettagli e un video di spiegazione sono qui.
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Per approfondire
– la radiazione di Hawking, spiegata in termini di particelle virtuali
– perché non abbiamo una foto di un buco nero (video in inglese)
– il paradosso dell’informazione dei buchi neri